Implementação de WDM com 4 canais no espetro do visível

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

O presente relatório apresenta a análise optoelectrónica de uma heteroestrutura semicondutora empilhada de fotodíodos PIN, baseada numa liga de silício amorfo hidrogenado (a-Si:H – Hyrogenated Amorphous Silicon) e siliceto de carbono amorfo hidrogenado (a-SiC:H – Hydrogenated Amorphous Silicon Carbide), cujos fotodíodos foram otimizados para deteção de sinais óticos no domínio do visível. O objetivo desta tese é avaliar as capacidades da heteroestrutura em redes WDM (Wavelength Division Multiplexing), para transmissão de sinais óticos a curta distância, utilizando como meio de transmissão as fibra óticas de plástico (POF – Plastic Optical Fiber). O trabalho aqui apresentado vem na sequência de trabalhos anteriores, em que a mesma estrutura foi analisada segundo determinados critérios, para o mesmo fim. A transmissão é feita através de quatro dispositivos LED (Light Emitting Diode) com as cores: vio leta (400 nm), azul (470 nm), verde (525 nm) e vermelho (626 nm). É utilizada radiação de fundo frontal e posterior, de cor violeta, já que testes recentes concluíram ser a que mais beneficia a eficiência na deteção dos sinais. Faz-se uma sucinta caracter ização optoelectrónica da estrutura semicondutora com o objetivo de aferir a influência da radiação de fundo de cor violeta sobre a transmissão, individual , de cada um dos canais de transmissão. A fotocorrente gerada pelo dispositivo sob a ausência e presença de radiação de fundo foi medida, para quatro sequências binárias diferentes com diferentes frequências de modulação. Para cada canal e para cada frequência de modulação calculou-se os ganhos óticos obtidos pela aplicação da radiação de fundo e a sua influência sob os tempos de subida. Os resultados obtidos permitem verificar que a aplicação de radiação de fundo de cor violeta influência de forma distinta os diferentes canais vermelho, verde, azul e violeta. Para além da dependência com o comprimento de onda do sinal ótico do canal de entrada evidenciou-se também a influência da frequência de modulação . A aplicação de radiação de fundo pelo lado frontal amplifica a fotocorrente dos sinais de cor vermelha e verde e atenua os sinais de cor violeta. Por sua vez, a aplicação de radiação de fundo pelo lado frontal amplifica fortemente a fotocorrente dos sinais de cor violeta e atenua os restantes. Relativamente ao tempo de subida da fotocorrente verifica-se que apenas para baixas frequências de modulação exist e influência do comprimento de onda do canal ou da aplicação de radiação de fundo. Sendo que a influência tende a diminuir com o aumento da frequência de modulação, atingindo valores muito próximos entre os diferentes canais, com ou sem radiação de fundo, na frequência de modulação mais alta. Tendo por base a análise feita aos canais individuais mediu-se a fotocorrente resultante da combinação dos canais dois a dois, três a três e quando todos são utilizados. As medidas de fotocorrente foram realizadas sobre a ausência e presença de radiação de fundo de cor violeta e para as mesmas combinações binárias e frequências de modulação. A influência da radiação de fundo pelo lado frontal e posterior permite, através do ganho produzido, descodificar as combinações binárias dos sinais transmitidos.

Abstract: The following report presents the optoelectronic analysis of a stacked heterostructure with PIN photodiodes, which is based on both Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) and Hydrogenated amorphous silicon carbide ( a-SiC:H), whose photodiodes were optimized in order to grant optical signals detection in the visible spectrum. The thesis goal is to evaluate the hetero-structure capacities in WDM networks (Wavelength Division Multiplexing), for short range optical signals transmission, using plastic optical fibers as a way to propagate the signal. The prese nted work derives from previous investigations, in which the same structure was put to test following certain standards but with the same objective. The transmission is done through four LED (Light Emitting Diode) devices with different colors: Violet (400 nm), blue (470 nm), green (525 nm) and red (626 nm). It is used a violet background front radiation and background back radiation, bearing in mind that recent investigations determined it to be the most effective in signal detection. In order to study t he impact of violet background radiation has over the individual transmission channels, a brief optoelectronic characterization is done. The photocurrent produced by the device is measured under the presence and the absence of background radiation for four different binary sequences, with different modulation frequencies. The optical gain obtained from the exposure to background radiation and its raising times was calculated, for each channel and for each modulation frequency. The results show that the background radiation has a different impact over the different channels (red, green, blue and violet). Besides the dependency between the wavelength of the optical signal in the input channel, also the modulation frequency influence has been proved. Frontal application of background radiation amplifies the red and green signals photocurrents; on the other hand it attenuates violet signals. Accordingly, back application of background radiation has the opposite effect. Regarding the photocurrents rise time, it has been proved that the channels wave length and the background radiation exposure only have influence on lower modulation frequencies. Thus, that influence lowers as the modulation frequency rises; reaching really close values within the different channels, with or without background radiation, at higher modulation frequencies. Based on the analysis that has been made, over the individual channels, it was measured the resulting photocurrent from the combination of paired channels, three channels at a time and all channels. The above process has been done under the presence and absence of violet background radiation and under the same binary combinations and modulation frequencies. The influence of the background radiation, from both frontal and back sides, allows decoding the binary combinations of the transmitted signals, through the produced optical gain.