Comunicações ópticas Lista 4

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Jorge Diego Marconi 
Comunicações ópticas 
 
Lista 7 
 
Receptores 
 
1) Calcular a responsividade de um fotodiodo PIN para λ = 1.3µm e λ = 1.55 µm se a eficiência quântica é 
80 %. Porque o fotodiodo tem maior responsividade para λ = 1.55 µm? 
 
2) Considere um receptor para λ = 0.8 µm construído com um fotodiodo PIN que possui uma largura de 
banda de 20 MHz, uma eficiência quântica de 65 %, uma corrente de obscuro de 1 nA, e uma capacidade de 
junção de 8 pF e uma figura de ruído de 3 dB. O receptor recebe luz com uma potência de 5 µW. Calcular: 
 
a) A corrente de ruído rms devida ao shot noise e ao ruído térmico. 
 
b) A SNR. 
 
3) Um sistema de comunicações por fibra óptica operando em 1300 nm emite pulsos retangulares a uma taxa 
de 100 Mb/s. O receptor está formado por um fotodiodo PIN e um pré-amplificador. O fotodiodo tem uma 
eficiência quântica de 90 % e corrente de obscuro é desprezível. O receptor tem uma largura de banda de 60 
MHz. A resistência de entrada do pré-amplificador é de 100 Ω e a figura de ruído é de 3 dB. Calcular: 
 
a) A sensitividade do receptor para uma taxa de erro de 10-9. 
 
b) Que coisa/s deveria/m mudar-se no receptor para poder trabalhar com uma taxa de erro de 10-12. 
 
4) Fótons a uma taxa de 1010 1/s incidem em um fotodiodo APD com responsividade de 6 A/W. Calcular a 
eficiência quântica e a fotocorrente para λ = 1.5 µm se o APD tem ganho 10. 
 
5) Para o problema 3) achar a sensitividade do receptor para uma BER de 10-9 nos limites de shot noise e 
ruído térmico. Quantos fótons incidem quando temos um bit “1” para ambos os limites se os pulsos ópticos 
podem ser representados por pulsos quadrados? 
 
6) Luz com fótons de 1.4x10-19 J incidem em um fotodiodo a uma taxa de 1011 1/s. Admitindo uma eficiência 
de 95 %, calcular: 
 
a) O comprimento de onda da luz. 
 
b) A fotocorrente gerada na ausência de efeito avalanche. 
 
c) A fotoccorente de saída se o dispositivo for um APD com fator de multiplicação igual a 50. 
 
7) Para o receptor do problema 2), utilizado em um sistema de comunicação digital, são necessários ao 
menos 20 dB de SNR para ter uma taxa de erro adequada. Qual é a mínima potência que deve chegar no 
receptor quando a detecção é limitada por: 
 
a) Shot noise. 
 
b) Ruído térmico. 
 
8) Um fotodetector de avalanche possui uma eficiência quântica de 65 % para λ = 850 nm e um fator de 
multiplicação igual a 250. Para luz nesse lambda a fotocorrente obtida (considerando o fator de 
multiplicação) é de 15 µA. Calcular a potência óptica recebida e o número de fótons incidentes por segundo. 
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9) O fator de excesso de ruído dos fotodiodos avalanche é freqüentemente aproximado por Mx no lugar da 
equação: 
 
( ) (1 )(2 1/ )A A AF M k M k M= + − − (1) 
 
a) Calcular a faixa de valores de M para a qual a equação (1) pode ser aproximada por FA(M) = Mx com erro 
de até 10 %. Utilizar x = 0.3 e kA = 0.02 para o Si, x = 0.7 e kA = 0.35 para InGaAs, x = 1 e kA = 1 para o 
Ge. 
 
b) Obtenha uma equação para o ganho ótimo (Mótimo)em função de x para que o ruído total seja de 0.2 mA. 
A largura de banda do receptor é de 1GHz. Fazer o cálculo para os três fotodiodos. 
 
10) Um fotodiodo PIN recebe uma taxa de 800 fótons por segundo de um comprimento de onda λ = 1.3 µm. 
A fotocorrente gerada corresponde a um fluxo de 600 elétrons por segundo. Calcular a responsividade do 
fotodiodo. 
 
11) Um fotodiodo operando em λ = 1.55 mm tem responsividade 0.65 A/W. Calcular a eficiência quântica. 
 
12) Um fotodiodo PN tem uma eficiência quântica de 50 % para λ = 0.9 µm. Calcular: 
 
a) A responsividade a λ = 0.9 µm. 
 
b) A potência óptica recibida se a corrente média é 10-6 A. 
 
c) O número de fótons recebidos nesse comprimento de onda. 
 
13) Um fotodiodo APD com fator de multiplicação igual a 20 trabalha em λ = 1.5 µm. Calcular a eficiência 
quântica e a fotocorrente de saída se a responsividade nesse comprimento de onda é 0.6 AW-1 e 1010 fótons 
(com λ = 1.5 µm) incidem por segundo. 
 
14) Com os seguintes dados experimentais para um fotodiodo APD, calcular o fator de multiplicação do 
dispositivo: 
 
Potência óptica recibida em λ = 1.35 µm: 0.2 mW. 
 
Fotocorrente de saída: 4.9 µA (depois do ganho). 
 
Eficiência quântica em λ = 1.35 µm: 40 %. 
 
15) Um fotodiodo PIN gera, em média, um par elétron-buraco por cada três fótons incidentes com 
comprimento de onda λ = 0.8 µm. Assumindo que todos os elétrons são coletados, calcular: 
 
a) A eficiência quântica do dispositivo. 
 
b) A fotocorrente de saída quando a potência óptica recibida é 10-7 W. 
 
16) Um fotodiodo APD tem uma eficneic aquântica de 45 % para λ = 0.85 mm. Quando é iluminado com 
luz desse comprimento de onda gera, depois do ganho avalanche, uma fotocorrente de saída de 10 µA. O 
fator de ganho é 250. Calcular a potência óptica recibida pelo dispositivo. Quantos fótons por segundo 
correspondem a essa potência? 
 
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17) Considere que 1011 fótons por segundo, cada um com energia 1.28 x 10-29 J incidem em um fotodiodo 
ideal. Calcular: 
 
a) O comprimento de onda da radiação incidente. 
 
b) A fotocorrente de saída. 
 
c) A fotocorrente de saída se o dispositivo é um APD com um fator de multiplicação de 18. 
 
18) Um fotodiodo PIN tem uma eficiência quântica de 65 % para λ = 0.8 µm. Calcular 
 
a) A fotocorrente média quando o detector é iluminado por luz com λ = 0,8 µm e potência de 5 µW. 
 
b) O shot noise, se a largura de banda é de 20 MHz (considere Id ~ 0) 
 
c) A SNR em dB (considere desprezível o ruído térmico). 
 
19) Um fotodiodo APD de germanio trabalha em λ = 1.25 µm, sendo a responsividade de 0.45 A/W. A 
corrente de escuro vale 200 nA, a capacidade é de 3 pF, o τtr ~ 0, Fn = 1, kA = 1, e o dispositivo trabalha a 
250 K. Calcular o ganho M para obter a máxima SNR quando a luz incidente tem potência igual a 8 10-7 W 
e a largura de banda é de 560 MHz. 
 
20) Um fotodidodo de Ge forma parte de um receptor de um sistema de comunicação por fibra óptica que 
trabalha em λ = 1.55 µm. A corrente de escuro do fotodiodo é de 500 nA à temperatura de operação. 
Quando a potência óptica é de 10-6 W e a responsividade é 0.6 AW-1 o shot noise domina. Calcular a SNR 
em dB quando a largura de banda é 100 MHz.