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.

Critérios de Avaliação

• Listas de Exercícios

• Seminários

• Simulação de dispositivos

Elementos de um sensor óptico

• Fontes de luz, fotodetectores, elementos ópticos.

Espectro Eletromagnético

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.

Espectro de Emissão Solar

Espectro de Emissão de um Corpo Negro

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 gases a baixa pressão Lâmpada de Mercúrio

Lâmpada de Xenônio

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.

Formação de uma junção P-N

Junção sob polarização direta

• 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.

Intensidade de luz em função da corrente de um diodo

LEDs

Acoplamento da Fibra no LED

Largura de banda

LEDs

Espectro de um LED branco

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.

Lasers – Emissão Estimulada

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.

Laser de Rubi – Primeiro Laser

Laser Semicondutor

2q

cq

Lν =

Frequência da luz emitida

Laser Semicondutor - Características

Limiar de corrente

Espectro de um Laser

Exemplos de Lasers

Laser Semicondutor InGaAsP 1550 nm

Laser Pigtail com fibra

Laser VCSEL 850 nm

Laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)

Modos transversais (TEMmn) de um laser

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

• O comprimento de onda da luz emitida pelo laser concorda com os pontos de mínima atenuação e dispersão da fibra;

• Seu custo tem caído consideravelmente nos últimos anos, enquanto que seu tempo de vida médio aumentado consideravelmente.

Vantagens da utilização de lasers semicondutores