Aula 5 - Componentes Ópticos

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5.	Componentes Ópticos
Para a transmissão de sinais ópticos é necessário o meio para que a luz se propague.
Esse meio é a fibra óptica.
O sistema de comunicações ópticas, no entanto, é mais complexo.
Envolve outros subsistemas como:
Transmissores;
Receptores;
Amplificadores.
Esses dispositivos são baseados em semicondutores.
Este item aborda as fontes de luz e os amplificadores ópticos. 
Processo de fotogeração:
Diagrama básico das bandas de energia em um semicondutor intrínseco estabelece três níveis em que os elétrons podem estar presentes:
Banda de Valência;
Banda Proibida e 
Banda de Condução.
Cada elétron de um átomo possui uma quantidade definida de energia.
Essa quantidade é denominada de estado quântico.
Em um átomo existem vários níveis de energia que o elétron pode ocupar (níveis permissíveis), outros níveis já ocupados (estados quânticos preenchidos) e os estados proibidos, nos quais não podem existir elétrons.
Em um semicondutor intrínseco (não há impurezas dopantes) submetido à temperatura de zero grau absoluto (0o K), os átomos estão ligados entre si por meio de ligações covalentes.
Quando esses átomos se agrupam entre si, formam uma estrutura cristalina.
Em uma ligação covalente, átomos compartilham um ou mais pares de elétrons, causando uma atração mútua entre eles, mantendo a molécula resultante unida.
Átomos de germânio e silício possuem uma camada de valência com 4 elétrons.
Nessa estrutura, cada átomo se une a outros quatro átomos vizinhos e completa sua ultima camada eletrônica com elétrons de seu vizinho.
Cada um dos elétrons de valência é compartilhado com um átomo vizinho.
Dois átomos adjacentes compartilham os dois elétrons.
Com isso, todos os níveis de energia da Banda de Valencia estarão ocupados com elétrons.
Nesse caso, todos os elétrons ficam confinados na estrutura cristalina.
As demais bandas estarão vazias.
Como os elétrons estão presos às ligações covalentes que estão ocupadas, não há condução elétrica e o material se torna isolante a 0o K.
Para temperaturas diferentes de 0o K, a agitação térmica da rede cristalina faz com que alguns elétrons se liberem das ligações covalentes e ocupem estados de energia superiores.
Algumas ligações covalentes recebem energia suficiente para se romperem.
Elétrons das ligações rompidas passem a se movimentar livremente no interior do cristal.
Dessa maneira, os elétrons tornam-se livres para se mover.
Tem inicio o processo de condutividade que cresce com a temperatura.
Os elétrons podem passar da banda de valência para a banda de condução, desde que recebam uma energia maior do que a correspondente à banda proibida. 
Elétrons da banda de condução deixam lacunas na banda de valência que são consideradas como tendo cargas elétricas positivas.
Lacunas movem-se de acordo com o movimento dos elétrons de outros pontos da estrutura cristalina, preenchendo as lacunas deixadas por esses.
Nos condutores não há banda proibida e as bandas de valência e de condução se confundem.
Os materiais isolantes possuem grande banda proibida.
Os semicondutores possuem uma pequena banda de energia proibida se comparada aos isolantes.
A transição de um elétron entre a Banda de Condução e a Banda de Valência libera fótons, conforme mostra a figura abaixo: 
Este fenômeno é denominado de recombinação.
Esse processo pode ocorrer de duas formas distintas:
Espontânea: um elétron e uma lacuna se recombinam e geram um fóton.
Estimulada: um elétron e uma lacuna se recombinam estimulados por um fóton.
Nesse processo de recombinação, há liberação de energia.
Esse processo é o mecanismo básico de geração da luz a partir de fontes semicondutoras.
5.1.	Fontes Emissoras de Luz
Compostas por um dispositivo emissor de luz e um circuito elétrico. 
Dispositivo emissor de luz:
 
Componente ativo básico do sistema.
Responsável pela conversão eletro-óptica do sinal. 
Dispositivos mais utilizados como fontes luminosas em sistemas de transmissão por fibras ópticas: 
Diodos Laser (Light Amplification by Emmiting Stimuled Emission of Radiation): emitem luz de maneira estimulada.
 
Diodo Emissor de Luz (Light Emitting Diode - LED): emitem luz espontaneamente.
 
LED (Light Emitter Diode - Diodo Emissor de Luz)
Constituído de material semicondutor dopado com impurezas do tipo P e do tipo N, que constituem uma junção PN.
Em uma junção PN polarizada diretamente, ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. 
A região P é caracterizada por possuir menos elétrons que átomos.
A região N é caracterizada por possuir mais elétrons livres do que lacunas.
A aplicação de uma tensão positiva na região P e uma negativa na região N faz com que os elétrons e as lacunas fluam na direção da junção, onde ocorre o processo de recombinação. 
O processo de recombinação ocorre na junção enquanto a tensão for mantida. 
Essas recombinações liberam a energia retida por esses elétrons, que eram livres até então. 
Em diodos semicondutores de silício e germânio, essa energia é liberada na forma de calor, em virtude das vibrações na estrutura cristalina.
Outros materiais, no entanto, são utilizados para a fabricação de LEDs.
Nesses materiais, a energia de recombinação é liberada na forma de fóton. De luz, portanto.
Circuito que transforma luz em sinal elétrico
O LED atua como um diodo de junção comum: uma pequena tensão aplicada entre seus terminais faz uma pequena corrente fluir através da junção. 
No LED, a luz sofre uma dispersão muito maior.
Essa característica acarreta um melhor ou pior acoplamento de luz no núcleo da fibra óptica.
LEDs realizam emissões de luz em um padrão de 120° a 180°.
A maior parte da luz, portanto, não é aceita pela fibra, ainda que o núcleo e a área de emissão correspondam à área do LED. 
São utilizados em sistemas de transmissão óptica de baixa capacidade - redes locais.
LEDs são utilizados quase sempre com fibras multimodo, na janela de transmissão de 850 nm.
Raramente são utilizados em sistemas com λ = 1.550 nm, porque a dispersão é muito maior.
Uma fibra com núcleo de maior diâmetro ou com alta abertura numérica consegue captar mais luz emitida pelas fontes.
Exemplo: 
Em uma fibra de 62,5/125 µm, um LED pode injetar 45 µW.
Em uma fibra de 50/125 µm, apenas 35 µW pode ser injetado.
Ambos são diodos semicondutores modulados diretamente pela variação da corrente de entrada. 
Vantagens da utilização de LEDs:
Mais simples de serem instalados;
Mais confiáveis;
Circuitos drivers menos complexos;
Possuem maior tempo de vida; 
São menos sensíveis às variações nas condições atmosféricas;
Baixo custo.
Desvantagens da utilização de LEDs:
Potência óptica menor (sinal mais fraco);
Largura do espectro maior;
Chaveamento mais lento;
Emissão muito divergente;
Muito menos coerente que os diodos Laser, causam menor eficiência do acoplamento da luz na fibra;
A baixa coerência causa limitações na velocidade de modulação;
Baixa sensibilidade;
Espalhamento espectral maior que os Lasers.
Pequena taxa de transmissão (da ordem de alguns Mbps): 
geralmente 155 Mbps; 
no máximo de 622 Mbps.
Espectro do LED Motorola IF – E91D
Dispersão intramodal ou cromática:
É o alargamento do pulso, ocorrendo num único modo. 
Ocorre pelo fato da velocidade de grupo ser função do comprimento de onda 
A velocidade de grupo é a velocidade com que a energia de modo viaja na fibra.
Quanto maior a largura espectral da fonte óptica, mais intenso será o efeito da dispersão cromática. 
A largura espectral é a faixa de comprimentos de onda que a fonte emite. 
Em geral, é caracterizada pela largura espectral rms (root-mean-square). 
Para fontes LED é aproximadamente 5% do comprimento de onda central.
Largura espectral típica para um Led com pico de emissão a 850 nm: ~ 40 nm.
Para os diodos Laser, os valores típicos oscilam entre 1 a 2 nm.
Acoplamento óptico.
Para se obtenção do acoplamento óptico, as fontes geralmente vêm com os pigtails ópticos.
Os pigtails interligam o transmissor e o receptorpara que seja possível obter um bom acoplamento mecânico. 
Cordões ou Pigtails:
Cordão ST
CONECTOR SC - SC-PIGTAIL/MM62
Como os LEDs emitem a partir do topo de sua superfície, ela é colocada muito perto da fibra, para que o acoplamento melhore. 
Os LEDs, em contrapartida, acoplam apenas cerca de 0,01 a 0,1 mW de potência com fibras multimodo de 50 m (cerca de 50 vezes menos).
Normalmente requerem fibras com núcleos maiores para acoplar mais de 1 mW.
Geometrias básicas dos LEDs:
LED de emissão por superfície (Surface Emitting LED – SLED).
Também são chamados de LEDs do tipo Burrus.
Nesse tipo de LED a luz é emitida na direção normal ao plano de junção.
Na figura apresentada, para que se consiga captar a luz, a ponta da fibra óptica é inserida em um poço através do substrato.
Esse processo minimiza a reabsorção da luz.
É aplicada uma tensão polarizando diretamente a junção pn de Arseneto de Gálio dopado (GaAs).
Uma tensão suficientemente alta produzirá energia adicional suficiente para fazer com que elétrons e lacunas entrem na região de depleção e se recombinem, produzindo luz.
A fração do processo de recombinação que produz luz é denominada de 
Outra característica importante a ser analisada é a eficiência de acoplamento entre o SLED:
Outra característica importante a ser analisada é a eficiência de acoplamento entre um SLED e uma fibra óptica multimodo, determinada pela seguinte expressão:
Em que NA, ou AN, é a Abertura Numérica.
Se AN = 0,2, o valor de η = 0,04.
Isso significa que apenas 4% da luz emitida será captada pela fibra.
A melhoria do acoplamento entre a fonte luminosa e a fibra óptica é obtida com a melhoria da diretividade da fonte.
Em fibras de índice gradual a perda de acoplamento tende a ser maior.
Para que isso não ocorra:
A superfície emissora deve ser bem menor que o núcleo da fibra óptica;
Haja um bom alinhamento e;
Estejam concêntricas.
LED de emissão lateral (Edge Emitting LED – ELED).
A melhoria do acoplamento entre a fonte luminosa e a fibra óptica ocorre com a utilização de ELEDs.
Radiação emitida pelos LEDs pode ser visível ou invisível (infravermelho).
Materiais usados na construção dos LEDs determinam o tipo de radiação. 
LEDs GaAIAs produzem radiação invisível (infravermelho).
LEDs de GaAsP produzem radiação visível (vermelho). 
Materiais empregados para LEDs comumente utilizados em sistemas de comunicação por fibras ópticas:
GaAs (Arsenieto de Gálio).
GaAlAs (Arseneto de Alumínio e Gálio), para aplicações na banda de 850 nm.
InGaAsP (Arseneto Fosfeto de Índio e Gálio) para aplicações nas bandas de 1300 e 1550 nm.
LEDs de GaAs emitem luz com comprimento de onda próximo de 930 nm. 
Composto mais importante utilizado em fibras ópticas de alto desempenho:
InGaAsP formado de índio, gálio, arsênico e fósforo combinados.
Número de átomos de índio somados ao número de átomos de gálio deve ser igual ao número de átomos de arsênico somado ao número de átomos de fósforo. 
Adição de alumínio serve para:
Aumentar o limiar de corrente;
Aumentar a vida útil do componente, 
Aumentar o intervalo de energia;
Deslocar a emissão de luz para comprimentos de onda menores, entre 750 e 900 nm.
Potência - Características Estáticas dos LEDs
Potência - Características Estáticas dos LEDs SLED
Potência - Características Estáticas dos LEDs ELED
Transmisso Óptico Usando LED
LASER (Light Amplification by Emmiting Stimuled Emission of Radiation)
Lasers são fontes de luz altamente coerentes.
Princípios básicos: emissão e absorção de radiação.
A luz emitida pelo Laser é altamente direcionada, com pequena divergência, dispersão (espalhamento da luz).
Simbolo do Circuito Diodo Laser
O feixe de luz emitido pelo Laser é mais concentrado que o emitido pelo Led. 
Isso permite uma maior eficiência de acoplamento.
Isso significa que a potência do sinal está bastante concentrada em uma determinada faixa de frequência (equivalente a um determinado ). 
Nesse item, os Lasers levam vantagem sobre os Leds que têm um espalhamento espectral muito maior.
Componentes básicos dos Lasers:
Cavidade óptica ou ressoador:
 
Laser médio ou meio:
Em geral, dá seu nome ao laser.
Exemplo: meios gasoso, líquido ou sólido.
Fonte de energia: 
Externa: ser térmica, elétrica ou óptica.
Sistema de transmissão (lançamento).
Pode consistir de uma cavidade de guias de onda, fibras ópticas, ou um braço articulado com espelhos ajustados.
Esquema de um Laser semicondutor
Acoplamento com a fibra óptica: o feixe de luz emitido pelo Laser é mais concentrado que o emitido pelo Led (eficiência de acoplamento maior).
Comparação entre o diagrama de emissão de um Laser e de um Led. 
Figura anterior evidencia a maior coerência da luz emitida pelo Laser, devido à natureza do mecanismo de emissão.
Variações com a temperatura: os Lasers são mais sensíveis à temperatura que os Leds.
Vida útil e degradação: os Leds tem vida útil maior que os Lasers (aproximadamente 10 vezes mais), além de ter degradação bem definida.
Custos: os Lasers são mais caros que os Leds, pois a dificuldade de fabricação é maior.
Espessura reduzida tornam os Lasers mais frágeis que os Leds, reduzindo sua vida útil. 
Ruídos: os lasers apresentam menos ruídos que os Leds. 
Tipos e velocidades de modulação: os lasers tem velocidade maior que os Leds, mas necessitam de circuitos complexos para manter uma boa linearidade.
Ambos podem ser fabricados a partir do mesmo material, de acordo com λ desejado:
AlGaAs (arseneto de alumínio e gálio) para 850 nm.
InGaAsP (arseneto fosfeto de índio e gálio) para 1300 e 1550 nm.
Diferenças entre o diodo Laser e o LED
	Características
	Led
	Laser
	Potência Óptica
	1 m W
	5 mW
	Tempo de atraso
	10 ns
	1 ns
	Perdas de acoplamento na fibra
	10 à 30 dB
	6 à 3 dB
Potência luminosa: 
Potência x Corrente de junção Led Laser
Potência Óptica
LED: -7 a -14 dBm.
Laser: 1 dBm.
Características dos Diodos Laser
Eficiência total do Laser
Corrente de Threshold:
Os diodos Laser possuem uma corrente luminosa característica denominada de corrente de threshold.
Abaixo desse valor predomina a emissão espontânea (recombinação radioativa não induzida).
Acima desse valor predomina a emissão estimulada (recombinação radioativa induzida).
A corrente de threshold é altamente dependente da temperatura.
Quando a corrente de limiar é alcançada no limiar laser, a potência aumenta bruscamente.
Característica Estática de um Laser e 
Variação com a Temperatura
As fibras multimodo utilizam LEDs.
As fibras monomodo utilizam diodos a laser (altamente direcionais).
Utilização:
– troncos telefônicos de longa distância;
– troncos metropolitanos;
– redes locais, com velocidades em torno de 100 Mbps.
Tipos de Laser:
MLM (Fabry-Perot) - multiple longitudinal mode, que possui espectro amplo.
SLM (DFB) - distributed feedback, de espectro estreito.
Combate dispersão cromática.
O Laser é um oscilador em frequência óptica.
Utiliza realimentação positiva para estabilizar a operação do dispositivo.
Muitos Lasers conseguem obter esse processo por meio de uma cavidade em frequência óptica.
Diodo Laser Fabry-Perot possui uma cavidade óptica que possibilita a realimentação de luz gerada, estimulando a emissão.
Meio Ativo: população invertida de átomos ou moléculas.
Inversão ocorre quando uma quantia maior do que a metade dos átomos existentes no meio envolvente do laser é excitada por uma fonte de energia.
Essa é a condição para que um Laser funcione.
Refletores ópticos fecham as duas extremidades da cavidade.
Para se conseguir a refletividade desejada, os refletores são construídos de materiais dielétricos.
Um dos refletores é a porta de saída da cavidade e age apenas parcialmente como refletor.
O outro refletor deve ter uma refletividade de aproximadamente 100%.
Cavidade Laser Típica
Processo de oscilação:
Tem início com a emissão espontâneade um fóton.
Este fóton se propaga ao longo do eixo principal da cavidade, estimulando outros fótons, fazendo com que a intensidade de campo no modo, cresça.
O ganho é obtido quando a inversão da população vence as perdas da cavidade.
A saída da cavidade também deve ser considerada porque causa perdas.
O processo resulta em um crescimento exponencial da energia do campo óptico.
Esse processo não pode durar indefinidamente.
Um nível de emissão estimulada é atingido.
Esse nível é igual à taxa de bombeamento que elevam os átomos ao estado superior de energia.
Processo produz uma saída laser em regime estacionário.
Bombeamento: 
Processo em que os átomos armazenados na cavidade óptica são agitados pela passagem de uma corrente elétrica.
Fótons estimulam uns aos outros mutuamente.
Na medida em que os fótons se aceleram, a onda se torna paralela e escapa por uma extremidade do tubo, mantendo sua frequência e produzindo um feixe de luz.
Frequência de ressonância da cavidade:
Depende do comprimento de ida e volta da cavidade.
2L = m λm
Em que m é um numero inteiro.
Características que diferenciam a luz do Laser da luz convencional:
Coerente:
A emissão dos fótons ocorre espacial e temporariamente lado a lado.
Viajam uniformemente.
Monocromática:
É considerada como a energia emitida por um Laser considerando-se um único comprimento de onda, ou 
Banda estreita de comprimento de ondas. 
Colimadas:
As ondas viajam paralelamente umas às outras, possibilitando a transmissão a grandes distâncias sem divergências significativas do feixe luminoso.
A energia luminosa pode ser focada em um pequeno feixe de luz.
Alta Intensidade
Grande número de fótons emitidos por um laser, por unidade de área quando comparado a outras fontes de radiação.
Diodo Laser de Injeção - ILD.
Acopla maior potência nas fibras ópticas.
Por esse motivo é adequado para utilização em sistemas de alta velocidade. 
Abaixo do limiar (threshold), o ILD se comporta como um LED, isto é apresenta emissão espontânea e irradiação de luz mais ampla (menos direcionada). 
Acima do limiar (threshold), o laser começa a oscilar, iniciando sua emissão. 
Uma corrente acima do limiar (threshold) no ILD faz com que os elétrons e as lacunas se movam para a região ativa. 
No ILD a luz é parcialmente confinada no guia de onda - região ativa - pelos espelhos formados pelas paredes do material semicondutor que constitui o dispositivo. 
A luz, nesse caso, é amplificada antes de alcançar um dos terminais do diodo Laser.
Os fótons refletem dentro do ILD e saem do dispositivo. 
O fóton na região ativa reflete e escapa levando um elétron livre a recombinar-se com uma lacuna, resultando novo fóton, exatamente igual ao primeiro. 
Dessa forma, o primeiro fóton estimulou a emissão do segundo produzindo um ganho uma vez que foram gerados dois fótons onde havia apenas um.
 
O estímulo ocorre porque uma corrente adequada deve ser injetada no componente, produzindo elétrons livres e lacunas suficientes no material semicondutor.
A corrente fornece continuamente portadores de cargas para dentro da região ativa do ILD onde os fótons presos estimulam os portadores a recombinar-se e produzir mais fótons. 
A energia da luz, representada pelo número de fótons, foi “bombeada" pela injeção de portadores. 
É esse "bombeamento" que permite amplificação. 
A luz não é completamente presa no interior do material semicondutor em sua região ativa, escapando pela superfície do material em um feixe de luz estreito e forte.
O Diodo de Injeção de Luz (ILD) possui muitos fatores em comum com os diodos emissores de luz, incluindo seus processos de manufatura.
Transmissor ILD
VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Laser – VCSEL ou Laser de Emissão por superfície de cavidade vertical
A utilização do Led se popularizou por ser barata e ter condições de atender, com alto desempenho, transmissões de até 622 Mbps em protocolo ATM, por exemplo.
Nos últimos anos, no entanto, os protocolos evoluíram rapidamente, exigindo outros tipos de fontes ópticas.
Em altas taxas de transmissão os Lasers são necessários e um novo tipo, denominado de VCSEL - Vertical Cavity Surface emitting laser, foi desenvolvido.
Uma grande vantagem desse tipo de Laser é que seu custo é similar ao de um Led.
Emissão de luz é realizada por meio de um feixe cilíndrico vertical à superfície do wafer.
Emissão de luz é similar ao LED.
Características do VCSEL
Operação similar ao laser tradicional.
Emite luz de forma similar ao LED.
Trabalha com comprimentos de onda de
850 nm, 1310 nm e 1550 nm.
É tão rápido quanto o Laser Fabry-Perot.
O custo, no entanto, é mais acessível que o Laser Fabry-Perot.
É utilizado em fibras SM e MM.
Vantagens de Desvantagens do uso do VCSEL
	Vantagens
	Desvantagens
	Baixo custo
	Grande resistência ôhmica para a corrente
	Reduzido consumo de potência
	Necessidade de resfriamento devido o aquecimento produzido
	Elevada velocidade de transmissão
	Exige espelhos altamente reflexivos e eficientes, dificultando a dissipação do calor
	Acoplamento eficiente nas fibras
	Dificuldade de trabalhar em locais com temperatura elevada. 
	Fácil de serem testadas
	
Propriedades importantes das fontes para sistemas de transmissão:
- Potência óptica.
 
- Custo e Confiabilidade
- Largura espectral 
- Comprimento de onda de emissão
- Velocidade de modulação 
- Perdas de acoplamento
Aplicações 
405 nm:  InGaN  laser azul-violeta, em  Blu-ray Disc  e drives de  HD/ DVD.   
635 nm: lasers pointer. 
650 nm: drives de DVD, laser pointers. 
670 nm: laser pointers de custo baixo. 
780 nm:  compact disc drives. 
808 nm: bombeamento em  DPSS  Nd:YAG lasers.   
980 nm: bombeamento para amplificadores ópticos. 
1064 nm: comunicação por fibra óptica. 
1310 nm: comunicação por fibra óptica. 
1480 nm: bombeamento de amplificadores ópticos.
1550 nm: comunicação por fibra óptica. 
1625 nm - Comunicação por fibra óptica.
Largura de feixe para Led, VCSEL e Laser
	Led
	Toda a fibra
	VCSEL
	Parte da fibra
	Laser
	Extremamente restritivo