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Aula 1 - Introdução
FT067 Tópicos em Comunicação: Óptica e Fotônica
Prof. Luis Fernando de Avila
Prof. Marcos Sérgio Gonçalves
Objetivos da disciplina
• Dar uma visão geral sobre os componentes empregados em conceitos de sensores ópticos, tais como: fontes de luz, elementos ópticos e detectores
• Descrever uma variedade de princípios de sensores, para fornecer um ponto de partida para o mundo dos sensores ópticos.
Ementa
• fontes de Luz, elementos ópticos, Conceitosde Sensores ópticos.
• Equações de maxwell, propagação, guias dielétricos, introdução à teoria de modos acoplados.
Fontes de Luz
• Podemos classificar as fontes de radiação, segundo o espectro que elas emitem, em 3 tipos: fontes contínuas ou térmicas, fontes espectrais ou discretas e fontes monocromáticas (lasers).
Fontes contínuas ou térmicas
• Todos os corpos emitem radiação (ondas eletromagnéticas) por estarem a uma temperatura maior que zero absoluto
• A maior parte da radiação emitida pelos corpos que estão à nossa volta (a temperatura ambiente ~ 300 K) está na faixa de comprimentos de onda que compreende entre λ = 8 à 14 μm.
Fontes Espectrais
existem outros tipos de materiais queapresentam um espectro de emissão bemdiferente das fontes térmicas.
Como por exemplo, as fontes de gases a baixapressão e os LEDs (Ligth-Emitting Diodes), etc.
Fontes de Luz para Comunicações Ópticas
» Compactas, Monocromáticas e estáveis;
» A intensidade da luz (potência óptica) deve ser tal que
permita a comunicação por grandes distâncias;
» A estrutura deve permitir um acoplamento efetivo da luz
na fibra;
» O comprimento de onda de emissão tem que ser
compatível com os comprimentos de onda para o uso
em fibras ópticas (0,85, 1,3 e 1,55 µm);
» O dispositivo deve produzir potência estável que não
varie com a temperatura ou outras condições
ambientais.
Eletroluminescência
• A emissão espontânea de luz devido à recombinação radiativa de dentro da estrutura de diodo é conhecido como eletroluminescência (EL).
• O termo eletroluminescência é utilizado quando a emissão óptica resulta a partir da aplicação de um campo elétrico.
• A luz é emitida no local de recombinação dos portadores mais próximo à junção, embora recombinação possa ocorrer por toda a estrutura do diodo, pois os portadores podem difundir para fora da região da junção.
• A quantidade de recombinação radiativa e a área de emissão dentro da estrutura depende dos materiais semicondutores utilizados e da fabricação do dispositivo.
Fontes Ópticas
• Na prática, não existem fontes de luz monocromática; existem fontes ópticas que geram luz dentro de uma faixa estreita de comprimentos de onda, denominada região espectral.
• A tecnologia de estado sólido tornou possível a confecção de fontes ópticas com as características adeqüadas;
• Dois tipos de fontes são amplamente utilizados: os Leds (Light Emission Diode) e os Lasers.
LEDs e Lasers
• LEDs e Lasers de semicondutor são basicamente junções p-n em semicondutor apropriado. Quando a junção p-n é polarizada positivamente, passa corrente pelo dispositivo e uma parte da energia fornecida ao dispositivo é emitida por ele na forma de luz.
• O aumento da concentração de portadores minoritários na região oposta no díodo pn polarizado diretamente de materiais de bandgap direta leva a recombinação radiativa de portadores em todo o bandgap.
• Os estados normalmente vazios do elétrons na banda de condução do material tipo p e os estados normalmente vazios de buracos na banda de valência do material do tipo n são populados por portadores injetados que se recombinam com os portadores majoritários em todo o bandgap.
• A energia liberada por esta recombinação elétron-buraco é aproximadamente igual à energia da banda proibida Eg.
Light-emitting diodes (LEDs)
• A emissão de luz de um LED é a emissão espontânea gerada pela recombinação radiativa de elétrons e buracos na região ativa do diodo sob polarização direta.
• O material semicondutor é bandgap direto para garantir alta eficiência quântica, frequentemente semicondutores III-V.
• Um LED emite fótons espontâneos incoerentes, não-direcionais, não polarizados e que não são amplificados por emissão estimulada.
• Um LED de luz não tem uma corrente de limiar. Começa emitir luz assim que uma corrente de injecção flui através da junção.
Diodos laser
• Um diodo laser (LD) é um amplificador óptico semicondutor (SOA) que tem uma realimentação óptica.
• Um amplificador óptico semicondutor é uma junção pn fortemente dopada diretamente polarizada fabricada a partir de um material semicondutor de bandgap direto.
• A corrente injetada é suficientemente grande para proporcionar ganho óptico.
• O feedback óptico é geralmente implementado pela clivagem do material semicondutor ao longo de seus planos cristalinos.
• A diferença do índice de refração nítida entre o cristal (~ 3,5) e do ar ao redor faz com que as superfícies clivadas atuem como refletores.
Diodos laser• O cristal semicondutor, em geral, pode actuar
tanto como um meio de ganho como um ressonador óptico Fabry-Perot.
• Desde que o coeficiente de ganho é suficientemente grande, o feedback converte o amplificador óptico num oscilador óptico, isto é, um laser.
• O dispositivo é chamado um diodo de laser ou um laser diodo ou um laser semicondutor de injecção.
Semicondutor como um meio de ganho
• O princípio básico: a criação de inversão de população, a emissão estimulada prevalece mais do que a absorção.
• A inversão de população é geralmente atingido por injeção elétrica de corrente de alguma forma na junção pn do diodo (também possível por bombeamento óptico para a pesquisa básica)
• Uma tensão de polarização direta faz com que os pares portadores sejam injetados na região da junção, onde se recombinam pelo meio de emissão estimulada.
• Aqui nós discutiremos o ganho de semicondutores utilizando esquema de bombeamento elétrico.
Inversão de população pela injeção de portadores
• Num semicondutor, inversão de população podem ser obtidos por meio de alta injecção de portadores que resulta em elétrons e buracos simultaneamente e densamente populados na mesma região do espaço.
Classes de segurança de um laser
• 1 Seguro para o olho em todas as condições operacionais. Radiação visível ou invisível .
• 1M seguro quando visto a olho nu , mas potencialmente perigosa quando visto com instrumentos ópticos. Radiação visível ou invisível .
• 2 Seguro quando visto acidentalmente em todas as condições operacionais, mas não é seguro• quando visto deliberadamente por mais de 0,25 s . Radiação visível.• 2M Seguro quando visto acidentalmente enquanto a resposta natural não são ultrapassadas,
mas potencialmente perigoso quando visto com instrumentos ópticos.
Radiação visível.
• 3R Risco baixo - , mas a radiação potencialmente perigosa . Limite de Classe: cinco vezes o limite da classe 1 para o invisível , ou cinco vezes o limite de classe 2 para a radiação visível.
• 3B radiação potencialmente perigosas. A potência máxima de uma onda laser contínua no olho não deve exceder 500 mW . Perigoso para olhos ou pele . Visualização da reflexão difusa é segura.
• 4 radiação muito perigosa. Visualização da reflexão difusa é perigoso. A radiação é capaz de incendiar materiais .
Vantagens da utilização de lasers semicondutores em telecom
• Tamanho e configurações compatíveis com o processo de acoplamento de luz à fibra óptica.
• Como é operado por corrente, a modulação de sua intensidade pode ser obtida diretamente à partir da modulação desta mesma corrente.
• Além da intensidade, a variação da corrente elétrica de polarização do dispositivo pode alterar sua freqüência de operação e, desta forma, sua fase.
• Produz potência óptica suficiente para contrabalançar as perdas intrínsecas da fibra e perdas por emenda, entre outras, e ainda fornecer o suficiente para o fotodectetor recuperar as informações enviadas, principalmente em sistemas de curta distância;
Vantagens da utilização de lasers semicondutores