Condições para Laser e Tecnologias de Emissão de Luz

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Condições para laser 
A emissão estimulada produz um ganho neto g por unidade de comprimento. O número 
de fótons pode ser mantido num processo de múltiplas reflexões de amplificação numa 
cavidade de comprimento L, com espelhos de refletividade R1 e R2 resultando na 
seguinte condição de laser: 
Se a amplificação < 1, então o número de fótons diminui de forma estável. 
Se a amplificação > 1, então o número de fótons aumenta e não será obtido um valor de 
estado estacionário. Por tanto o ganho requerido para ação laser é: 
Inicialmente o ganho é negativo se não for aplicado uma corrente no diodo laser a 
medida que a absorção domina na guia de onda. A medida que a corrente aumenta, a 
absorção decresce e o ganho aumenta 
2 
Condições para laser 
A corrente para o qual satisfaz o ganho para a emissão de laser é a corrente de 
gatilhamento, ponto de início, ou limiar (threshold) Ith . 
Para valores menores de corrente, há uma emissão de luz muito fraca que vem da 
estrutura do laser. 
Para valores maiores, a potência de saída aumenta linearmente com a corrente 
aplicada a medida que cada par elétron-buraco é convertido em fóton, assim: 
O fator h indica que somente uma fração dos fótons gerados contribui com a potência 
de saída do laser, desde que os fótons são perdidos através dos espelhos e da guia de 
onda. 
dispoptic-2013 
3 
Geometria de uns dos primeiros diodos laser. 
(a)Utiliza sc fortemente dopados em ambos 
lados da junção. 
(b) Resultando num diagrama de níveis de 
energia em que o nível de Fermi é cte através 
do dispositivo sem corrente. 
(c) Com polarização direta, os níveis de Fermi 
se desdobram devido à injeção de portadores 
de carga minoritários (elétrons dentro de p e 
buracos dentro de n) e existe uma região 
próxima à junção em que há simultaneamente 
tanto uma alta densidade de elétrons como tb 
de buracos. 
Devido à alta mobilidade dos elétrons em 
relação aos buracos, a maior parte da injeção é 
por elétrons dentro de p que recombinam com 
os buracos majoritários após difundir uma 
distância d = Ln = (Dt)
1/2. e.g. GaAs: 
Diodo laser de homojunção 
4 
Campo de radiação de um diodo laser 
dispoptic-2013 
5 
Diodo laser de 
heterojunção 
Série de desvantagens 
com diodos de 
homojunções conduzem à 
procura por outros tipos de 
junções, neste caso 
heterojunções. E.g. GaAs 
com AlxGa1-xAs 
dispoptic-2013 
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Efeitos quânticos nas junções 
(a) Concentração de Al em função da 
profundidade na junção 
(b) Variação correspondente no índice de refração 
(c) Variação respectiva na banda proibida 
Laser de cavidade vertical de emissão superficial 
dispoptic-2013 7 
8 
Diodo laser de emissão superficial 
(vertical cavity surface emitting laser) 
dispoptic-2013 
9 
VCSEL 
10 
VCSEL 
 
 
 
 
 
 
 (a) Metalic Reflector VCSEL 
 
 
 
 
 
 
 
 (b) Etched Well VCSEL 
11 
VCSEL 
http://britneyspears.ac/physics/vcsels/vcsels.htm 
(d) Burried Regrowth VCSEL (c) Air Post VCSEL 
12 
OLED´s 
13 
Estrutura do OLED 
 
 
 
dispoptic-2013 
14 
Componentes do OLED 
1. Substrato: plástico 
ou vidro ou folha de 
mat transp. 
2. plástico 
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Oled 
16 
Vantagens e desvantagens 
Led vs OLED 
 
• Maior ângulo de visão 
• Alto brilho e contraste 
• Não requer luz de fundo 
• Fino 
• Baixo consumo 
 
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Tela LCD e OLED 
Interpretação do diagrama de cromaticidade CIE 
18 dispoptic 2013 
Diagrama que caracteriza as cores por um 
parâmetro Y de Luminância e duas 
coordenadas de cores x e y que especifica o 
ponto no diagrama de cromaticidade. 
Color name Red Green Blue 
Red 191 27 75 
Pink 245 220 208 
Reddish 
orange 
216 119 51 
Orange pink 240 204 162 
Orange 228 184 29 
Yellowish 
orange 
231 224 0 
Yellow 234 231 94 
Greenish 
yellow 
235 233 0 
Yellow green 185 214 4 
Yellowish 
green 
170 209 60 
Green 0 163 71 
Bluish green 24 162 121 
Bluegreen 95 164 190 
Greenish blue 110 175 199 
Blue 92 138 202 
Purplish blue 88 121 191 
Bluish purple 92 102 177 
Purple 246 85 158 
Reddish purple 196 64 143 
Purplish pink 243 208 219 
Red purple 175 35 132 
Purplish red 209 65 136 
White 255 255 255 
19 
LED 
dispoptic 2013 20 
Eficiência 
APRIL 30, 2009 
http://www.cree.com/press/pre
ss_detail.asp?i=12410948427
32 
 The cool white XLamp XP-G 
provides 139 lumens and 132 
lumens per Watt at 350 mA. 
======================= 
http://www.tradelineinc.com/re
ports/9C8406DD-0BD1-8F11-
AFA619E5A82A1358 
Published March 30 2010 
The DOE projects that 
common LEDs will reach 
efficacy ratings approaching 
150 LPW by the year 2012. As 
of this writing, efficacy ratings 
for SSL-LEDs have now 
surpassed Energy Star rated 
fluorescents and General 
Electric has announced a 
prototype LED with an efficacy 
exceeding 160 LPW. 
======================= 
February 3, 2010 Cree 
reported efficacy record of 208 
lumens per watt for a white 
power LED 
Artigo + Eficiencia 
 
APRIL 30, 2009 
http://www.cree.com/press/press_detail.asp?i=1241094
842732 
The cool white XLamp XP-G provides 139 lumens and 
132 lumens per Watt at 350 mA. 
 
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http://www.kickstarter.com/projects/619878070/nanolight-the-worlds-most-energy-
efficient-lightbu 
A new LED lightbulb that is the most energy efficient on the planet. The NanoLight takes 
energy efficient lighting to the next level. 
 
NanoLight – the world’s most Energy Efficient Light Bulb 
Why use any old lightbulb when there’s the NanoLight! Using only 12 watts of electricity, 
the NanoLight generates over 1600 lumens, equivalent to a 100W incandescent 
lightbulb. 
Evolução e comparação de eficiência de 
lâmpadas 
22 
100 W 
 
16 lm/w 
24 W 
 
66 lm/w 
20 W 
 
80 lm/w 
12 W 
 
133 lm/w 
vídeo 
Entretanto o Led avança em outras áreas 
• Comercialização do Led comum está estabilizado 
• Fabricação e comercialização de Led para 
iluminação está aumentando. 
23 
dispoptic 2013 
Sabiam que... 
• A partir de 1/1/2012 foi proibido a fabricação de 
lâmpadas de tungstênio de 100W? 
• A partir de 1/1/2013 foi proibido a fabricação de 
lâmpadas de tungstênio de 75W? 
 
24 
E o futuro? 
25 
26 
Dispositivos detectores ópticos 
27 
Sistema de comunicações ópticas 
dispoptic 2013 
28 
Diagrama funcional de um receptor 
29 
Dispositivos detectores de luz 
• Geral 
• Figuras de mérito num detector 
• Fotomultiplicadora PMT 
• Fotodiodos: PIN, APD 
• Outros 
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Algumas considerações 
dispoptic 2013 
• Historicamente: tubo a gás, tubo a vácuo, térmico e 
vários dispositivos semicondutores 
• Vantagens – desvantagens 
• Que parâmetros são recomendáveis para observar 
na escolha de um detector: 
– Faixa espectral 
– Intensidade 
– Tempo de resposta 
– Condições ambientais 
– Custo 
dispoptic 2013 31 
Curva de atenuação espectral 
32 
Curva de atenuação espectral 
33 
Tipos de detectores 
Fotônicos• Fotoemissão 
• Fotocondutividade 
• Fotovoltaico 
• Filme fotográfico 
 
 
Térmicos 
• Abs de fótons gera DT 
(bolômetro) 
• Termopilha 
• Piroelétrico 
 
 Geralmente lentos, com 
exceção do piroelétrico 
 Resposta uniforme em 
toda a faixa espectral 
34 
Definições e Figuras de mérito 
R = Responsividade 
t = Constante de tempo 
NEP = Noise Equivalent Power 
D* = Detectividade 
• Qual é o mínimo de luz que o detector permite acusar o 
ruído? 
• Que sinal será obtido por unidade de irradiança? 
• Como o sinal do detector muda com l? 
• Qual é a freqüência de modulação que o detector pode 
responder? 
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Definições – Constante de tempo tc 
Constante de Tempo tc: Se a saída de um detector muda 
exponencialmente com o tempo, o tempo requerido para que 
mude desde seu valor inicial por uma fração [1-exp(-t/tc)] 
para t=tc do valor final é denominado constante de tempo 
dispoptic 2013 
e = 2,71828182845904523536028747135266... E nunca termina ( = (1 + 1/n)n ) 
 
 
 existem várias representações de e 
 
e-1 = 0,367879441...... 
 
1- e-1 = 0,632120558....... Wiki & http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/HistTopics/e.html 
37 
Definições – NEP (Noise Equivalent Power) 
dispoptic 2013 
NEP (potência equivalente de ruído). A sensibilidade de um detector pode 
ser especificada pelo seu NEP, um parâmetro definido como a potencia 
radiante incidente sobre o detector que produz um sinal igual à raiz 
quadrática media (rms) do ruído do detector. 
Podemos considerar a relação com a responsividade: 
NEP = VN/RP 
NEP = IN/RI 
 
 
Lembrar: 
Onde VN e IN são voltagem e corrente do ruído, das respectivas responsividades R 
do detector. 
Como a responsividade depende do comprimento de onda também o NEP depende. 
38 
NEP = Noise Equivalent Power 
NEP = valor rms da potência modulada senoidalmente que 
incide sobre o detector o qual oferece uma voltagem do 
sinal rms igual à voltagem de ruído rms do detector. 
• Especificada normalmente em 
termos de uma fonte de Rad. 
de Corpo Negro @ 500K 
• Largura de banda de 
referência para detecção do 
sinal e ruído de 1 ou 5 Hz 
• Freq. de mod. da rad.: 
geralmente 90, 400, 800 ou 900 
Hz. 
• e.g. NEP(500K,900,1), significa 
uma fonte de rad corpo negro 
@ 500K, freq. de modulação de 
900 Hz, e largura de banda de 
detecção de 1 Hz 
• Unidades de NEP [W Hz-1/2] 
• I = intensidade radiante que incide no 
detector [W m-2] 
• A = área sensitiva do detector [m2] 
• Vs = voltagem do sinal medida com Df 
[Hz] 
• Vn = voltagem do ruído medido com Df 
[Hz] 
 
Então: 
39 
Alguns valores NEP 
dispoptic 2013 http://www.judsontechnologies.com/ImagePDFfiles/32A.pdf 
40 
D* = Detectivity 
• D* antigamente definido como 
1/NEP 
• Porém muitos detectores 
atuais exibem um NEP 
proporcional à raiz quadrada 
da área do detector 
• Especificações tb 
condicionadas na NEP 
• e.g. D*(500 K,900,1) 
• Para especificar a dependência 
do detector com l, é usada a 
notação D*(l,900,1) 
• Unidades de D* [Hz1/2 W-1] 
41 
Alguns valores de D* 
dispoptic 2013 
BLIP = Background Limited Performance 
42 
• A resposta R de um detector 
especifica sua resposta à unidade de 
irradiança 
R = Resposta (responsividade) 
Onde 
Vs = voltagem sinal 
I = densidade de potência 
A = área do detector 
• Outra notação para a responsividade R em termos da 
corrente de saída do detector e utilizada para caracterizar 
detectores fotoemissivos é a sensitividade radiante S, que 
é a corrente por unidade de área da superfície 
fotoemissiva produzida por uma unidade de irradiança 
 
 
 
• Is é a corrente total do detector e P é a potência radiante 
incidente. 
43 
Alguns valores de D* e R - InGaAs 
Para diferentes cutoff 
44 
Judson – InGaAs e Ge 
InGaAs em diferentes “cutoff” Ge 
45 
Algumas curvas de resposta espectral e sensibilidade radiante 
dispoptic 2013 
46 
Resposta de freqüência e constante de tempo 
• A resposta de freqüência de um detector é definida pela variação da 
resposta R ou sensibilidade radiante em função da freqüência de 
modulação da radiação incidente. 
• A variação em freqüência da resposta R e a constante de tempo t estão 
geralmente relacionadas a través da equação: 
• Curva típica da 
dependência da resposta 
com a freqüência de um 
detector 
47 
Ruído 
• A flutuação randômica na voltagem de saída ou corrente de um 
detector estabelece um limite inferior à potencia radiante que pode 
ser detectada, dentro das condições de operacionabilidade 
(temperatura, freqüência de modulação e largura de banda) 
dispoptic 2013 
48 
• Ruído de fótons 
– Tb denominado “shot noise” 
ou ruído quântico, estatística 
de Poisson. 
• Ruído de fotoeletrons 
– Processo de fotodetecção 
randômico 
Fontes de ruído no detector (receptor) 
• Ruído de ganho 
–eg. Processos de ganho em APD’s 
e EDFA’s gera ruído. 
• Ruído no circuito receptor 
–Resistores e transistores no 
amplificador contribuem ao ruído do 
circuito. 
dispoptic 2013 
PD sem ganho PD com ganho (APD) 
dispoptic 2013 49 
Ruído 
 
 
2
2
Noise Power=4
4
 4
n
n
rms rms
V
kTB i R
R
kTB
i V kTRB
R


2
m
spectral density= V /Hz
for FETs
4kT
K=
g
where is the FET corner frequency and is the channel noise factor
c
c
K
f
f
f
Frequency 
N
o
is
e
 P
o
w
e
r 
Frequency 
N
o
is
e
 P
o
w
e
r 
Frequency 
N
o
is
e
 P
o
w
e
r 
1/f noise 
Fc 
Ruído Johnson (Gaussiano e branco) 
( ) 
1/2 1/22
rms noise current 2ni qIB
Shot noise (Gaussiano e branco) 
Ruído “1/f” 
50 
Eficiência quântica 
Correspondência direta entre # de fótons absorvidos e # de 
portadores de carga gerados que são subseqüentemente 
usados no circuito elétrico 
51 
Detectores fotoemissivos 
• Baseados no efeito fotoelétrico e geração de portadores de carga. 
• Fotodiodos à vácuo e à gás, PMT e Photo-channeltron 
dispoptic 2013 
52 
Fotomultiplicadora - PMT 
• Impacto inicial sobre material 
fotoemissivo 
• Posterior emissão secundaria de 
elétrons a través de dinodos 
• Multiplicação considerável de 
elétrons 
• Ganho de 109 elétrons no anodo 
por fotoelétron (pulso) 
• Ganho de 107 em modo continuo 
• E.g. pulso de 2ns no anodo com 
109 fotoelétrons gera 4V numa RL 
de 50 
• Contador de fótons 
• D* até 1016 cm Hz1/2 W-1, só o 
olho humano é capaz de 
detectar 10 fótons no azul que se 
aproxima a esse valor. 
53 
Características essenciais na montagem de PMT 
dispoptic 2013 
54 
Corte transversal de uma 
PMT 
dispoptic 2013 
55 
Algumas características dos dinodos 
• Muitos materiais emitem, em média, d novos elétrons por cada elétron 
que colide na sua superfície. 
• Se a energia cinética do elétron incidente for suficientemente 
energética, entre 100 e 200 eV, então d > 1, teremos amplificação 
• Assim teremos para N dinodos a geração de dN elétrons 
dispoptic 2013 
56 
http://www.olympusmicro.com/primer/flash/photomultiplier/index.html 
dispoptic 2013 
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Superfícies fotoemissivas de PMT’s 
58 
Multiplicador 
de elétrons ou 
channeltron 
dispoptic 2013