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Aula 5 - Componentes Ópticos

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para 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 espontânea