-OptoElectronică-Sorin Constantin Zamfira

Introducere IIIII

Sorin Constantin Zamfira

Optoelectronicå

IIIIIIIIII Introducere

Introducere IIIIIIIIIIIIIII

Sorin Constantin Zamfira

Editura UniversitåÆii „Transilvania“ Braçov

OPTOELECTRONICÅOPTOELECTRONICÅOPTOELECTRONICÅOPTOELECTRONICÅOPTOELECTRONICÅ

IVIVIVIVIV Introducere

ReferenÆi çtiinÆifici:prof. dr. fiz. Doru UrsuÆiuprof. dr. ing. Adrian Dumitriu

Tehnoredactare: Techno MediaCulegere çi desene: Ovidiu OpreaCorecturå: Sorin ZamfiraCopertå: Adrian Timar

Toate drepturile rezervate.

Descriere CIP a Bibliotecii NaÆionale a RomânieiZAMFIRA, CONSTANTIN SORIN

Optoelectronicå/Constantin Sorin Zamfira. - Braçov:Editura UniversitåÆii „Transilvania“, 2004

Bibliogr.ISBN 973-635-319-2

537.533.3

©2004 Editura UniversitåÆii Transilvania Braçov

Editurå acreditatå de CNCSIS Adresa: 500030 Braçov,Adresa nr. 1615 din 29 mai 2002 B-dul Eroilor, Nr. 9

Tel/Fax: 0268 – 47 53 48E-mail: [email protected]

Introducere VVVVV

Cuprins

Capitolul 1 Introducere ....................................................... 11.1 Sistemul de comunicaÆie optic .............................................. 2

Capitolul 2 Lumina ............................................................. 72.1 Lumina, natura luminii ........................................................ 72.2 EcuaÆiile lui Maxwell în domeniul optic .................................. 82.3 Spectrul undelor electromagnetice ........................................10

Capitolul 3 Propagarea luminii prin medii anizotrope.............. 123.1 BirefringenÆa ....................................................................12

3.1.1. BirefringenÆa induså ..................................................................... 163.2. Efectul electro-optic..........................................................18

Capitolul 4 Sisteme de afiçare ............................................ 254.1. LuminescenÆa ..................................................................254.2. FotoluminescenÆa .............................................................264.3. CatodoluminescenÆa.......................................................... 28

4.3.1 Tubul catodic ................................................................................. 294.3.2 Tubul catodic pentru afiçare în culori ............................................... 31

4.4. ElectroluminescenÆa ..........................................................324.5. Afiçarea cu cristale lichide .................................................. 34

4.5.1 Cristalele lichide ............................................................................ 344.5.2 Structura generalå a unei molecule de cristal lichid .......................... 36

4.5.3 ProprietåÆi fizice generale ale cristalelor lichide ........................................ 384.5.3.1 ProprietåÆi electro-optice ale cristalelor lichide ...................................... 414.5.3.2 Efecte electro-optice în amestecuri de cristale lichide colesterice çi nematice ........................................................................................ 46

4.5.4 Dispozitive optoelectronice cu cristale lichide ................................... 474.5.4.1 Caracteristici funcÆionale ...................................................................... 474.5.4.2 Tehnologia de fabricaÆie ...................................................................... 50

4.5.5. AplicaÆii ale dispozitivelor optoelectronice cu cristale lichide ............ 50Dispozitive optoelectronice de afiçare cu cristale lichide ..................................... 50Dispozitive optoelectronice de afiçare alfanumericå ........................................... 51Valve de luminå .............................................................................................. 51Proiectoare de imagini .................................................................................... 52 Memorii optice ............................................................................................. 53Filtre optice .................................................................................................... 53

Capitolul 5 Diode electroluminescente ................................. 555.1 InjecÆia çi recombinarea purtåtorilor de sarcinå .......................555.2 EficienÆa cuanticå a diodelor luminescente .............................57

VIVIVIVIVI Cuprins

5.3 Caracteristicile de bazå ale diodelor electroluminescente ...........585.3.1 Caracteristica curent –tensiune ........................................................ 58 5.3.2 Caracteristica spectralå .................................................................. 58 5.3.3 Caracteristica de directivitate ......................................................... 58

5.4 AplicaÆii pentru diodele electroluminescente ........................... 59

Capitolul 6 Fotodetectorii .................................................. 646.1 ConsideraÆii generale .........................................................646.2 Dispozitive termice ............................................................65

6.2.1 Detectorii termoelectrici ................................................................. 666.2.2 Bolometrul .................................................................................... 676.2.3 Detectorii pneumatici ..................................................................... 676.2.4 Detectori piroelectrici ..................................................................... 68

6.3 Dispozitive fotonice ...........................................................696.3.1. Caracteristicile fundamentale ale fotoelementelor ............................ 70 6.3.2 Detectorii fotoemisivi .................................................................... 74

6.3.2.1 Fotodioda cu vid ................................................................................. 766.3.2.2 Fotomultiplicatorul ............................................................................. 77

6.3.3 Detectorii fotoconductivi ................................................................ 796.3.3.1 Fotorezistorii .......................................................................................826.3.3.2. Timpul de viaÆå çi relaxarea fotoconducÆiei .......................................... 846.3.3.3 Fotocurentul çi factorul de amplificare .................................................. 876.3.3.4 Caracteristici ale fotorezistorilor ............................................................ 896.3.3.5. Parametrii fotorezistorilor ................................................................... 926.3.3.6 Tipuri constructive çi metode pentru realizarea fotorezistorilor ................ 96

6.3.4 Detectori fotovoltaici ...................................................................... 986.3.4.1 Fotodioda .......................................................................................... 986.3.4.2 Principiul de funcÆionare al fotodiodei .................................................. 986.3.4.3 Regimul de fotodiodå ....................................................................... 1006.3.4.3 Parametri fotodiodelor ...................................................................... 1026.3.4.4 Tipuri constructive de fotodiodelor. Fotodioda p-i-n ............................ 1036.3.4.5 Fototranzistorii .................................................................................. 1066.3.4.6 Fototiristorii ...................................................................................... 1066.3.4.7 Celulele solare .................................................................................. 109

Capitolul 7 Optocuplorul .................................................. 1137.1 GeneralitåÆi .................................................................... 1137.2 Principiul de funcÆionare al optocuplorului ........................... 1157.3 Parametrii specifici optocuploarelor .................................... 116

Tensiunea çi rezistenÆa de izolaÆie ........................................................... 116Capacitatea de izolaÆie .......................................................................... 116Factorul de rejecÆie al modului comun (CMRR) ....................................... 117Factorul de transfer în curent ................................................................. 117Curentul de întuneric ............................................................................ 118Caracteristica de intrare ......................................................................... 118

Capitolul 8 Laserii ...........................................................1208.1 Principiul de funcÆionare ................................................... 1208.2 ProprietåÆile radiaÆiei laser ................................................ 1248.3 Tipuri de laser ................................................................ 125

Cuprins VIIVIIVIIVIIVII

8.4 Dioda laser .................................................................... 1288.4.1 Caracteristicile generale a diodelor laser ........................................ 129

Cavitatea opticå çi coeficientul de amplificare ................................................. 129Curentul de prag .......................................................................................... 131Caracteristica curent – tensiune ...................................................................... 132Caracteristica watt – amper ........................................................................... 132DistribuÆia spaÆialå a fascicolului de radiaÆie ................................................... 134Constante de timp caracteristice ..................................................................... 135

8.5 Tipuri de diode laser ........................................................ 136

Capitolul 9 Fibra opticå ................................................... 1399.1 Introducere .................................................................... 1399.2 Clasificarea fibrelor optice ................................................. 1419.3 Bazele teoretice ale propagårii radiaÆiei prin fibra opticå ........ 143

9.3.1 Moduri de propagare pentru fibra opticå discontinuå ..................... 1449.3.2 Moduri de propagare pentru fibra opticå gradatå .......................... 1479.3.3 Dispersia radiaÆiei în fibra opticå .................................................. 149

9.4 Tehnologia fibrelor optice ................................................. 150Metoda creuzetului dublu ..................................................................... 150Depuneri chimice din stare de vapori ..................................................... 152

9.5 Cuplaje, îmbinåri, cabluri optice ......................................... 1529.6 Senzori cu fibre optice ..................................................... 154

Senzor de polarizare utilizând o fibrå unimod ......................................... 156Måsurarea temperaturilor cu interferometru cu douå unde

având o fibrå monomod .................................................................... 157Måsurarea presiunii cu fibrå monomod .................................................. 158Senzor cu fibrå multimod pentru måsurarea presiunilor ........................... 158Senzor cu fibrå multimod pentru måsurarea indicelui de refracÆie ............ 159Senzor cu fibrå multimod pentru måsurarea deformaÆiilor

structurilor mecanice ......................................................................... 160

Capitolul 10 ComunicaÆii prin fibre optice..............................16110.1 Introducere .................................................................. 16110.2 Cuplorul direcÆional ........................................................ 162

10.2.1 Caracteristicile cuplorului direcÆional ........................................... 16210.2.2 Tipuri de cuplori direcÆionali ...................................................... 16410.2.3 Cuplori în stea ........................................................................... 169

10.3 Comutatorii .................................................................. 17110.4 Izolatorul cu fibrå opticå ................................................. 17410.5 Alte componente ........................................................... 176

10.5.1 Atenuatorul ............................................................................... 17610.5.2 Circulatorul ............................................................................... 17710.5.3 Dispozitiv de control a stårii de polarizare în fibrå ........................ 178

10.6 ReÆele duplex de distribuÆie a informaÆiei prin fibra opticå .... 17810.6.1 ReÆeaua de tip T ........................................................................ 17910.6.2 ReÆeaua de tip stea .................................................................... 18010.6.3 ReÆeaua de tip inel .................................................................... 18210.6.4 Sisteme de distribuÆie hibride ..................................................... 18310.6.5 Sisteme multifibrå ..................................................................... 183

VIIIVIIIVIIIVIIIVIII Cuprins

10.7 Multiplexarea prin divizarea lungimii de undå ..................... 18410.8 ReÆele de difracÆie tip BRAGG cu fibrå opticå ...................... 189

Capitolul 11 Modularea opticå ........................................... 19211.1. Circuite de modulare cu LED-uri ....................................... 192

Modularea analogicå ............................................................................ 192Modularea digitalå ............................................................................... 198

11.2 Circuite çi metode de modulare cu dioda laser .................... 200Modularea analogicå ............................................................................ 201Modularea digitalå ............................................................................... 201

11.3 Formate de modulare analogicå ....................................... 202Modularea cu subpurtåtoare AM/IM ...................................................... 202Multiplexarea prin divizarea-frecvenÆei ................................................... 203Modularea cu subpurtåtoare FM/IM ...................................................... 204

11.4 Formate de modulare digitalå .......................................... 206Alte formate digitale ............................................................................. 209Multiplexarea prin divizare în timp ........................................................ 210

11.5 Receptori cu heterodinare opticå ...................................... 211DetecÆia prin heterodinare ..................................................................... 211Modularea în frecvenÆå a diodei laser .................................................... 215Multiplexarea prin divizarea frecvenÆei optice ......................................... 216

Bibliografie ......................................................................... 219

Cuprins IXIXIXIXIX

PrefaÆå

Pânå în anul 1963, electroniçtii nu foloseau decât douå tipuri de aparate careutilizau luminå: tubul cu raze catodice çi indicatoarele cu låmpi. Primele eraufolosite ca sistem de afiçare pentru osciloscop, în televiziune, radar, cel de-al doileatip erau simple becuri cu incandescenÆå sau låmpi cu neon în miniaturå, astfel cåelectroniçtii nu prea aveau nevoie de a çti mare lucru în domeniul opticii.

ApariÆia pe piaÆå la începutul anilor ’60 a diodelor electroluminescente (LED-ul,Light Emitting Diode în limba englezå) a modificat profund situaÆia. Dezvoltareaçi creçterea sistemelor electro-optice, acusto-optice çi a sistemelor conexe aufåcut så se vorbeascå de „revoluÆia“ optoelectronicii. Dintr-o datå, electroniçtiiau trebuit så facå faÆå noului intrus: cuanta de luminå, fotonul. Chiar dacåtermenul „revoluÆie“ pare puÆin cam exagerat pentru cå el este des folosit înmass-media, se poate afirma cu certitudine cå intruziunea fotonului în electronicåeste un fapt împlinit care s-a amplificat çi a produs schimbåri esenÆiale în lumeacomunicaÆiilor, a stocårii çi afiçårii datelor, în metrologie, fabricarea metalelor,conversia de energie, medicinå, navigaÆie precum çi în domeniul militar.

ComunicaÆiile prin intermediul luminii, tehnologiile cu laser, discurile compact,CD audio çi video, traductori cu fibrå opticå, transmisia de luminå, imagini çisunete ghidate de luminå çi holografia, au devenit elemente ale tehnologieimoderne, urmate îndeaproape de optica integratå, impactul lor fiind enorm.Tehnologia undelor luminoase a påtruns nu numai în electronicå dar çi îndomeniul tehnic çi în inginerie. Påtrunderea acesteia are un astfel de impact cåinginerii, tehnicienii, çi chiar conducåtorii acestor sectoare, riscå så devinå“analfabeÆi” când se vor confrunta cu noi materiale çi sisteme, sau când vortrebui så conceapå produse cu ajutorul tehnicilor enumerate mai sus. Utilizarealuminii vizibile sau a celei din domeniul infraroçu sau ultraviolet, a celei coerentesau necoerente, sunt atât de råspândite încât cunoçtinÆele din domeniul electro-opticii devin indispensabile indiferent care ar fi nivelul de responsabilitate ocupat.

Creçterea industriilor bazate pe electro-opticå sau fotonicå, vor duce la mårireanecesarului de ingineri çi tehnicieni în domeniu. Ei vor fi cåutaÆi atât în sectoarelede dezvoltare ca çi în cel de producÆie sau cel comercial. MulÆi dintre aceçtia vorfi recrutaÆi dintre electroniçti çi ingineri de mecanicå finå, mecatronicå.

Ne facem datoria de informa çi semnala un minim de probleme utile pentruun viitor inginer în oricare din domeniile de mai sus.

XXXXX Introducere

Introducere XIXIXIXIXI

Introducere

Fårå luminå nu putem vedea nimic. Dar nici lumina, nici razele luminoase, nusunt vizibile. Aceasta poate pare nefiresc dar aça este. Numai când fasciculul deluminå atinge ochiul nostru, fie direct, fie prin reflexie sau difuzie vom puteadetecta existenÆa ei. Pentru a vedea obiecte este nevoie de luminå. Pentru avedea lumina sunt necesare obiectele. Dacå într-o camerå vopsitå în negru mat,un fascicul de luminå intrå printr-un mic orificiu printr-un perete çi iese printr-unorificiu pe peretele opus nu vom vedea nimic. Cu excepÆia cazului când luminadin fascicul este puså în evidenÆå de particulele de praf sau de fum. Îmi amintesccu plåcere, cursul de Opticå, din timpul studenÆiei prin anii ‘70, când, dintr-odatå, în timpul cursului, regretatul profesor Hariton æintea, devenise fumåtor,ca så susÆinå aceastå idee. Este vorba aici de lumina vizibilå (albå sau coloratå)„ordinarå“ çi nu de cea din domeniul infraroçu sau ultraviolet.

Vizibilå sau nu, lumina este absolut necesarå vieÆii, çi nu numai vieÆii umane depe Påmânt ci çi celei vegetale sau animale. Toatå viaÆa de pe planeta noastrådepinde în ultimå instanÆå de lumina venitå de la Soare, lucru recunoscut de altfelde-a lungul timpului. Cele mai vechi religii au proslåvit lumina, (în general Soarele)aceasta fiindu-ne indispensabilå, nu numai pentru a vedea, dar çi pentru a tråi.

Chiar çi oamenii cavernelor n-ar fi putut exista fårå luminå. Propria noastråexistenÆå începe în întunericul matricii materne, dar ea nu dureazå mult timpfårå luminå. De ce? Pentru cå este necesar så ne hrånim. Razele luminoase suntcele care ne furnizeazå atât luminå cât çi cåldurå. Plantele produc prin fotosintezåprintre altele hidraÆii de carbon, proteinele çi vitaminele de care avem nevoie.

Lumina nu este necesarå numai pentru a ne hråni dar çi pentru sufletele çiinimile noastre.

Optica este una din cele mai vechi ramuri ale çtiinÆei care lucreazå cu lumina.Oricare dintre revistele de opticå, care trateazå aceste probleme ale luminii

aratå cå existå o mare analogie între limbajul opticii moderne çi cel a electronicii.Apar adesea termeni ca frecvenÆå, lungime de undå, fazå, care derivå din naturaarmonicå a undelor ce sunt implicate în cele douå ramuri. În acelaçi mod, suntdefinite dispersia, viteza de fazå çi de grup sau raportul semnal zgomot. Fenomeneca interferenÆa sau cele neliniare conduc atât în opticå cât çi în electronicå lanoÆiuni comune astfel cå definiÆii ca de exemplu, ale funcÆiei de transfer modulatåa unei purtåtoare, ale modurilor de propagare ale undelor, sau ale noÆiunii deatenuare selectivå a frecvenÆelor, au aceeaçi semnificaÆie în ambele domenii.Existå çi deosebiri ca de exemplu, definiÆia decibelului care în opticå este numitdensitate opticå D. Ambele noÆiuni cea de decibel çi cea de densitate opticå,

XIIXIIXIIXIIXII Introducere

reprezintå logaritmul în bazå zece a raportului dintre douå cantitåÆi fizice, unade la intrare cealaltå de la ieçirea unui sistem. Un alt aspect privind gradul deapropiere a celor douå domenii este cel al folosirii transformårii Fourier, îndomeniul frecvenÆelor temporale çi în cel al frecvenÆelor spaÆiale.

Maxwell a fost primul care a proclamat unicitatea electrodinamicii çi a opticii.Chiar dacå ecuaÆiile lui Maxwell definesc concepte de bazå în cele douå domenii,existå çi mari diferenÆe çi dåm doar douå dintre acestea în domeniul opticii:

a) nu existå miçcarea sarcinilor electrice de aici decurgând proprietatea fibreloroptice referitoare la imunitatea la perturbaÆii electrice;

b) puterile în domeniul optic sunt mult mai mici decât în domeniulelectrodinamicii.

În carte toate problemele dezbåtute pornesc de la ideea cå studentul are labazå minimul de cunoçtinÆe din cursul de fizicå, mai ales cå cel de optoelectronicåîl urmeazå pe cel de fizicå.

Cartea se adreseazå inginerilor mecatroniçti dar çi celor electoniçti careurmeazå cursuri complementare de comunicaÆii prin fibre optice.

Lumina, natura luminii 11111

Capitolul 1 InInInInIntrtrtrtrtroducoducoducoducoduceeeeerrrrreeeee

EvoluÆiile considerabile în domeniul opticii, sub influenÆa apariÆiei laserului çi afibrei optice, au fåcut så aparå noi ramuri: optica cuanticå, procesarea opticå ainformaÆiei, optoelectronica.

Liantul în progresul tuturor acestor ramuri îl constituie optica, cu un domeniuspectral care se întinde de la razele X la cele infraroçii. Optica, din punct devedere industrial, cuprinde un ansamblu de tehnici çi tehnologii care, împreunåcu electronica çi informatica, oferå çanse în sectore ca: microelectronica, roboticaçi bioingineria.

Transformårile opticii în toate accepÆiunile ei: disciplinå didacticå, sectorindustrial, tehnicå, a condus la apariÆia de noi discipline çtiinÆifice, de noi aplicaÆii,la baza cårora a stat inventarea laserului. Au apårut o serie de neologisme:fotonicå, optoelectronicå, electroopticå, optronicå etc.

Termenul de optoelectronicå, desemneazå ansamblul componentelor (diodeluminiscente, diode laser, fotodiode, fotocuploare, modulatoare de luminå) ceutilizeazå proprietåÆile optice çi electronice ale materialelor.

OPTRONICA – include toate dispozitivele, ansamblurile çi sistemele produseindustrial bazate pe componente optoelectronice çi laseri.

Rezultatele din optronicå sunt folosite din plin de sistemele cu roboÆi, deprelucrare cu laser, la transmisia, stocarea çi procesarea informaÆiei çi în ingineriabiomedicalå.

Optica ghidatå prin intermediul fibrelor optice, laseri cu semiconductori çiapariÆia surselor çi detectoarelor de luminå, cu un spectru larg, au ajutat ladezvoltarea noului domeniu OPTRONICA.

Dezvoltarea opticii çi electronicii se face în cadrul ansamblului: electronicå,opticå, informaticå.

Explozia informaÆionalå din prezent cautå soluÆii pentru prelucrarea, stocareaçi transmisia în mod rapid, sigur çi ieftin a unor cantitåÆi enorme de date.

Prelucrarea opticå a informaÆiei este una din soluÆii çi este utilizatå în principalpentru:

a) prelucrarea unui volum mare de informaÆii prin calcul matricial iterativ,transformåri Fourier, convoluÆie, corelaÆie etc., întâlnitå în cazul analizei deimagini, roboticå, sonar, radar;

22222 Capitolul 1 Introducere

b) creçterea vitezei de calcul, care intereseazå domeniile calculului çtiinÆific çi acalculelor tehnice ce fac apel la modele sofisticate (tehnica nuclearå,aerodinamicå).

Dintre avantajele procesårii optice a informaÆiei amintim:

posibilitatea prelucrårii în paralel; realizarea transformårii Fourier în timp real; insensibilitatea la perturbaÆii electromagnetice; rapiditate.

În ceea ce priveçte prelucrarea în paralel aceasta ar trebui så fie în totalitateopticå deoarece orice interfaÆå electronicå ar introduce limitåri.

Procesarea opticå a informaÆiei conjugatå cu domenii strict adiacente(înregistrarea çi stocarea opticå a informaÆiei, vizualizarea çi comunicaÆia opticå)are aplicaÆii în:

sistemele de recunoaçtere a formelor çi poziÆiilor; utilizarea componentelor acusto-optice pentru procesarea semnalelor radar

çi calcule vectorial-matriceale; utilizarea componentelor optoelectronice cu adresare opticå sau electricå

pentru realizarea reÆelelor neuronale de decizie, modelul Hopfield çi ahårÆilor autoorganizatoare Kohonen;

utilizarea dispozitivelor optoelectronice în domeniul audio-vizualului; videodiscul optic; utilizarea fibrei optice în telecomunicaÆii la mare distanÆå, la distanÆå medie

çi în afara domeniului de telecomunicaÆii (captarea çi transmiterea informa-Æiei în medii perturbatoare – aviaÆie, automobile, reÆele de calculatoare);

productica-robotica, desemnând ansamblul tehnicilor ce încorporeazåelectronica çi informatica în vederea ameliorårii randamentului producÆieiindustriale çi în care optica îçi gåseçte locul prin captoare de fibrå opticå,prelucrarea cu laser, metrologia çi controlul suprafeÆelor etc.

holografia, care alåturi de preocupårile legate de realizarea imaginilortridimensionale çi controlul nedistructiv prin interferometrie holograficåoferå posibilitatea elaborårii de componente optice difractive.

1.1. Sistemul de comunicaÆie opticOrice sistem de comunicaÆie are ca obiectiv transferul de informaÆie de la unpunct la altul. Acest transfer de informaÆie este însoÆit în majoritatea cazurilorde suprapunerea (modularea) informaÆiei cu o undå electromagneticå (purtå-toarea). Purtåtoarea modulatå este transmiså (se propagå) spre destinaÆie, undeunda electromagneticå este receptatå iar informaÆia este extraså (demodulatå).Astfel de sisteme sunt proiectate în funcÆie de frecvenÆa purtåtoarei în spectrulelectromagnetic. În sistemele radio purtåtoarea electromagneticå este selectatådin domeniul radio frecvenÆei (R.F.) la fel pentru sistemele milimetrice çi cumicrounde.

EcuaÆiile lui Maxwell în domeniul optic 33333

Într-un sistem de comunicaÆie optic purtåtoarea se aflå în domeniul opticcare include frecvenÆe din domeniul infraroçu, vizibil çi ultraviolet.

Principalele avantaje care apar datoritå comunicaÆiei la frecvenÆe optice sunt:

lårgimea de bandå modulatå posibilitatea de a concentra puterea în fascicule extrem de înguste reducerea semnificativå a mårimii componentelor.

În orice sistem de comunicaÆie cantitatea de informaÆie transmiså este directlegatå de lårgimea de bandå (extensia de frecvenÆå) a purtåtoarei modulate, careeste în general limitatå la o porÆiune fixå a însåçi frecvenÆei purtåtoare. Astfel,crescând frecvenÆa purtåtoarei în mod teoretic creçte çi lårgimea de bandå transmisåçi deci capacitatea de transmitere a informaÆiei a întregului sistem. Aceasta înseamnåcå frecvenÆele în domeniul optic vor avea o lårgime de bandå, ce poate fi folositå,de aproximativ 105 ori mai mare, faÆå de purtåtoarea în domeniul radiofrecvenÆei.Sunt realizate deci premisele transmisiei unei largi cantitåÆi de informaÆie. În plusexistå posibilitatea de a concentra puterea transmiÆåtorului în unda electromag-neticå, transmisia creçte cu frecvenÆa purtåtoarei. Astfel folosind frecvenÆe alepurtåtoarei mari, creçte capacitatea sistemului de a atinge densitåÆi de puteremari, care în general conduc la creçterea performanÆei sistemului.

În sfârçit, lucrul la frecvenÆele din domeniul optic necesitå aparate çi compo-nente mult mai mici decât echivalentul lor electronic.

Acestea sunt motivele pentru care comunicaÆiile optice au ajuns så fie studiateçi gåsite mijloace tehnologice de realizare a componentelor lor.

ComunicaÆiile la frecvenÆe optice au câteva diferenÆe majore faÆå de cele înradiofrecvenÆå. Deoarece frecvenÆele optice înseamnå lungimi de undå mici,proiectarea componentelor optice necesitå propriile tehnologii de realizare,complet diferite de componentele care lucreazå în radiofrecvenÆå. Ca o consecinÆå,componentele optice, deçi emuleazå componentele electronice echivalente potavea caracteristici de performanÆå diferite de acestea din urmå.

O influenÆå foarte mare în comunicaÆiile optice o au perturbaÆiile atmosfericeasupra undei optice purtåtoare. Aceasta apare deoarece lungimile de undå opticesunt de acelaçi ordin de mårime cu mårimea moleculelor çi a particulelor, nuacelaçi lucru întâmplându-se în cazul frecvenÆelor radio çi a microundelor. EfecteleperturbaÆiilor atmosferice tind så fie stohastice çi variabile în timp, ceea ce împiedicåmodelarea propagårii undelor optice cu precizie. Pentru a înÆelege fenomenul depropagare opticå au fost colectate cantitåÆi mari de date çi, deçi s-au stabilit modele,este necesarå explorarea lor în continuare pentru a rafina teoria propagårii.

Dezvoltarea de componente optice çi gåsirea de modele de propagare suntnumai o parte a proiectårii sistemului de comunicaÆie. Un inginer de comunicaÆiitrebuie så çtie så aleagå componentele, så selecteze operaÆiunile sistemului çi înfinal så le interfaÆeze sau så le interconecteze în cel mai bun mod. Deciziile deinterfaÆare necesitå modele matematice precise, care så indice performanÆacomponentelor, anomaliile, perturbaÆiile, din cunoaçterea acestora rezultând oproiectare optimizatå.


În figura 1.1. se prezintå schema bloc a unui sistem optic de comunicaÆie.

Fig. 1.1 Schema bloc a unui sistem optic de comunicaÆie

O surså de date (forme de undå variabile în timp, sisteme digitale etc.) trebuietransmiså la destinaÆie. Aceastå surså are ieçirea modulatå de o purtåtoare opticå.Purtåtoare opticå este transmiså ca un câmp luminos optic sau fascicul, prin cana-lul optic (spaÆiul liber, atmosfera turbulentå, fibra opticå, ghizi de undå etc.). LarecepÆie, câmpul este colectat optic çi procesat (fotodetectat) în general în prezenÆainterferenÆei de zgomot, a semnalului distorsionat çi a unui câmp parazit.

Cu excepÆia faptului cå transmisia se face în domeniul optic, operaÆiile de maisus apar în orice sistem de comunicaÆie cu purtåtoare modulatå.

Modularea sursei de informaÆie pe purtåtoarea opticå, poate fi: în frecvenÆå(FM), în fazå (PM) sau în amplitudine (AM), fiecare putând fi teoreticimplementatå pe orice frecvenÆå de purtåtoare în domeniul electromagnetic.

În plus existå pentru purtåtoarea opticå çi alte scheme de modulare mai puÆinconvenÆionale çi anume modularea în intensitate (IM) în care informaÆia este folositåpentru a modula intensitatea purtåtoarei optice precum çi modulare în polarizare(PLM) în care sunt modulate caracteristicile spaÆiale ale câmpului optic.

Receptorul optic colecteazå câmpul optic incident çi îl proceseazå pentru agåsi informaÆia transmiså. În figura 1.2 este prezentat un receptor optic tipic.

Fig. 1.2 Schema bloc a unui receptor optic

El are trei blocuri de bazå constând din: sistemul optic de recepÆie (lentile),un detector optic çi un procesor postdetecÆie.

Sistemul de lentile filtreazå çi focalizeazå câmpul recepÆionat pe fotodetectorunde semnalul optic este convertit în semnal electric. Procesorul post detecÆie vaamplifica, procesa, semnalul çi îl va filtra pentru a gåsi informaÆia doritå de laieçirea detectorului.

Receptorii optici pot fi împårÆiÆi în douå tipuri de bazå: receptori cu detecÆiede putere çi receptori cu heterodinare. Receptorii cu detecÆie de putere (adeseanumiÆi în mod direct cu detecÆie sau necoerenÆi) sunt prezentaÆi în figura 1.3.

Sistemul de lentile çi fotodetectorul detecteazå puterea instantanee a câmpuluicolectat ce ajunge pe receptor. Acest tip de receptori reprezintå cel mai simplutip care poate fi implementat çi folosit, atunci când, informaÆia transmiså apareca o variaÆie de putere ale câmpului receptat.


Fig. 1.3 Receptor cu detecÆie de putere

Fig. 1.4 Schema bloc a unui receptor cu heterodinare

Un câmp de undå de luminå generat local, este mixat optic, cu câmpul recep-Æionat, prin intermediul unei oglinzi semitransparente çi apoi rezultanta estefotodectatå. Astfel de receptori sunt folosiÆi în cazul în care informaÆia estemodulatå în amplitudine, frecvenÆå sau fazå.

Receptorii cu heterodinå sunt mai dificil de implementat çi necesitå toleranÆemici în ceea ce priveçte coerenÆa spaÆialå a celor douå câmpuri optice mixate. Dinacest motiv, receptorii cu heterodinare sunt adesea numiÆi receptori coerenÆi (spa-Æiali). Pentru ambele tipuri de receptori sistemul de lentile focalizeazå câmpulreceptat sau mixat pe suprafaÆa fotodetectorului; prin focalizare se reuçeçte casuprafaÆa fotodetectorului så fie mult mai micå decât câmpul ce cade pe sistemulde lentile. Sistemul de recepÆie are de asemenea filtre în faÆa fotodetectoruluipentru a reduce cantitatea de radiaÆie parazitå. Filtrele optice pot acÆiona asupraproprietåÆilor spaÆiale ale câmpului focalizat (filtre de polarizare, de stop) sau potacÆiona în domenii de frecvenÆå, adicå laså så treacå o anumitå bandå de frecvenÆeçi rejecteazå celelalte frecvenÆe. Aceste din urmå filtre, determinå lårgimea de bandåa câmpului optic fotodetectat. Fotodetectorii convertesc câmpul optic focalizatîntr-un semnal electric pentru procesare. Deçi existå câteva tipuri de detectori, toÆise comportå conform cu principiile mecanicii cuantice çi utilizeazå materiale fotosen-sibile pentru a obÆine råspunsul în tensiune sau curent la acÆiunea câmpului optic.

În figura 1.4 se prezintå schema bloc a unui receptor cu heterodinare.


Cele mai cunoscute tipuri de fotodetectori sunt: fototuburile, fotodiodele çifotomultiplicatorii. DetecÆia câmpului optic este îngreunatå de diferite surse dezgomot prezente la receptor. În comunicaÆiile spaÆiale la distanÆå lungå, luminaparazitå (de fond) este cea care împiedicå propagarea informaÆiei çi care împie-dicå operaÆia de detecÆie. Efectul radiaÆiei de fond se eliminå când se folosescghizi de undå cu fibrå opticå. O a doua surså de zgomot este însåçi fotodetectorul,care nefiind un dispozitiv ideal, produce interferenÆa internå în timpul operaÆieide fotodetecÆie. Aceasta induce un zgomot cunoscut ca zgomot de detector.

O ultimå surså de zgomot este cel termic generat în operaÆiile ce urmeazåfotodetecÆiei. Zgomotul termic este precis modelat ca fiind un zgomot gaussianalb, al cårui nivel spectral este direct legat de temperatura receptorului.

Modelele de recepÆie prezentate, sunt comune oricårui sistem de comunicaÆieopticå. În sistemul spaÆial, câmpul optic transmis este focalizat pe un fascicol deluminå çi transmis ca un câmp electromagnetic ce se propagå în mediu.

Sistemul poate fi cu legåturå: terestrå, påmânt-aer, aer-aer, aer-apå. Toateaceste sisteme folosesc fascicule optice transmise precum çi câmpuri neghidateçi sunt influenÆate de efectele mediului (atmosferå, nori, apå...) asupra drumuluide comunicaÆie.

Sistemul cu fibre optice are avantajul cå numai proprietåÆile fibrei înseçiafecteazå transmisia câmpului.

Aståzi sistemele cu fibrå opticå înlocuiesc cablurile tradiÆionale din sistemelede comunicaÆii.


Capitolul 2 LuminaLuminaLuminaLuminaLumina

2.1 Lumina, natura luminiiEvoluÆia concepÆiilor cu privire la natura luminii a condus la concluzia cå luminaare o existenÆå dualå: ea are çi caracter ondulatoriu (electromagnetic) çi caractercorpuscular (fotonic). Cele douå aspecte trebuie considerate în strânså legåturå,indisolubil legate între ele.

Teoria electromagneticå a lui Maxwell constituie o demonstraÆie a fenomenelorelectromagnetice, în care este incluså çi lumina. Cursul de fizicå generalå trateazåaceastå teorie în detaliu. Reamintim doar acele elemente care, legate de domeniuloptic, sunt necesare pentru a înÆelege natura fenomenelor optice.

Problema propagårii luminii este abordatå în cadrul teoriei electromagnetice aluminii cu ajutorul ecuaÆiilor lui Maxwell(1865). Starea electromagneticå a unuipunct din interiorul unui mediu material, reperat prin vectorul de poziÆie r

r, la un

moment de timp t, este caracterizatå prin vectorii , t)r (H, t), r (D, t), r (B, t), r ( Errrrrrrr

numiÆi: intensitatea câmpului electric, inducÆie magneticå, inducÆie electricå,respectiv intensitatea câmpului magnetic.

Dacå densitatea volumicå localå de sarcinå electricå este ρ iar densitatealocalå de curent este v=j

rr ρ ansamblul acestor mårimi satisfac sistemul de ecuaÆii

Maxwell (1865):

magneticåGaussluilegea0B

AmpereluilegeatD

jHx

electricåGaussluilegeaD

FaradayinducÆieilegea

−=⋅∇

∂∂

+=∇

−ρ=⋅∇

−−∂∂∇

r

rrr

r

rr

t B - = E x

(2.1)

Între mårimile B,H,D,Errrr

existå relaÆiile de material:

MHBPED oo

rrrrrr+µ=⋅+ε= (2.2)

88888 Capitolul 2 Lumina

în care εo µo sunt permitivitatea electricå, respectiv permeabilitatea magneticå avidului, P

r este polarizarea iar M

r – magnetizarea localå a mediului.

În mediile liniare omogene çi izotrope se pot scrie urmåtoarele relaÆii:

HM,EP meo

rrrr⋅χ=χε= (2.3)

în care mårimile scalare me , χχ sunt susceptibilitatea electricå respectivmagneticå. Vom avea deci:

HB,ED roro

rrrrµµ=εε= (2.4)

unde mårimile adimensionale mrer , χ+=µχ+=ε 11 , poartå denumirea depermitivitate electricå, respectiv permeabilitate magneticå pentru mediulconsiderat. Dacå notåm roro , µµ=µεε=ε avem:

HB,EDrrrr

µ=ε= (2.5)

Pentru mediile izotrope ε çi µ sunt mårimi scalare. Dacå mediile consideratesunt omogene çi staÆionare ecuaÆiile lui Maxwell devin:

=⋅∇ρε

=⋅∇

∂∂ε+=∇

∂∂µ−=∇

0 1H,E

tE

jHx,tH

Ex

rr

rrr

rr

(2.6)

În mediile conductoare, între jr çi E

r avem relaÆia: Ej

rrσ= , σ – numindu-se

conductivitate electricå.Legea conservårii sarcinii electrice sub formå localå se scrie:

0=∂ρ∂+⋅∇t

jr

(2.7)

2.2 EcuaÆiile lui Maxwell în domeniul opticPentru un mediu neconductor ( 0=j

r) în care nu existå distribuÆii de sarcini libere

(ρ = 0) ecuaÆiile lui Maxwell se scriu:

=⋅∇=⋅∇

∂∂ε=∇

∂∂µ−=∇

0 0 H,E

tE

Hx,tH

Ex

rr

rr

rr

(2.8)

Se aratå cå undele electromagnetice satisfac ecuaÆii diferenÆiale de forma:

.0t

HHçi0

t

EE

2

2

2

2=

∂∂εµ−∆=

∂∂εµ−∆

rr

rr

(2.9)


Analiza dimensionalå a ecuaÆiilor de acest tip duc la concluzia cå produsul εµreprezintå inversul påtratului unei viteze, deci:

.1

vεµ

= (2.10)

În vid oo

1c

µε= çi se defineçte indicele de refracÆie absolut al unui mediu ca

raportul dintre viteza de propagare a undelor electromagnetice (luminoase) învid çi viteza corespunzåtoare în acel mediu:

rroov

cn µε=

µεµε

== (2.11)

În medii nemagnetice µ ≈µ0, µr = 1, n ≈ rε .Fluxul de energie electromagneticå este descris de vectorul lui Poyting:

.HxESrrr

= (2.12)

InteracÆiunea câmpului electromagnetic cu un mediu material este descrisåde densitatea volumicå de energie electromagneticå WEB. Pentru mediinedisipative:

0St

WEB =⋅∇+∂

∂ r(2.13)

Între vectorul vitezå de propagare vr çi vectorul Poynting existå relaÆia:

vWS EBrr

⋅= . (2.14)

Media în timp a vectorului Sr este mårimea fizicå numitå intensitatea energeticå

a undei I definitå prin relaÆia:

,HxE21

SI 00

rrrr=><= (2.15)

unde E0 çi H0 sunt amplitudinile vectorului Er çi H

r. Tinând cont de relaÆiile dintre

E0 çi H0 intensitatea energeticå poate fi scriså:2

02

0 E2v

Ev2

1II ⋅ε=

µ==

r(2.16)

Vectorii H,D,B,Errrr

satisfac ecuaÆiile undelor, soluÆiile pentru unde plane suntde forma:

)trK(i0

ee)t,r( ϕ−ω−⋅ψ=ψrrrr (2.17)

unde eKr

este vectorul de undå în mediul dielectric de modul ,2

Ke λπ= iar )t,r(

rrψ

reprezintå oricare din cei patru vectori. Ei reprezintå perturbaÆia electromagneticå

1010101010 Capitolul 2 Lumina

ce se propagå în mediu. EcuaÆia frontului de undå este datå de .cttrKe =ϕ−ω−⋅rr

rezultând viteza de propagare a undei eK

1nc

vω=

εµ== care se numeçte çi vitezå

de fazå.Calculul vitezei de fazå este corect dacå ω çi Ke au valori constante, adicå în

cazul undelor monocromatice. În practicå undele luminoase sunt constituitedintr-un ansamblu de unde care au diferite valori pentru ω çi Ke. În timpulpropagårii unor astfel de unde prin medii reale, dispersive, diferitele componentemonocromatice se propagå cu viteze (de fazå) diferite, ceea ce face ca unda înansamblu så se deformeze.

Viteza de grup u, este viteza cu care se propagå unda ca întreg, ca grup sau

pachet de unde çi se aratå cå: dKd

uω= , iar legåtura cu viteza de fazå a fost stabilitå

de cåtre Rayleigh (relaÆiile lui Rayleigh):

)ddn

n1(

nc

)dKdn

nK

1(nc

dKdv

Kvuλ

⋅λ+=⋅+=+= (2.18)

Distingem mai multe cazuri:

a) când dn/dλ < 0 dispersia este normalå u < v;b) când dn/dλ > 0 dispersia este anomalå u > v;c) când dn/dλ = 0 medii pentru care u = v, medii care se numesc nedispersive

(singurul mediu nedispersiv este vidul pentru care u = v = c ≈ 3×108 m/s).În medii ca apa, aerul, dispersia este micå încât se poate neglija.

2.3 Spectrul undelor electromagneticeSpectrul poate fi definit ca o ordonare a undelor electromagnetice dupå frecvenÆesau dupå lungimile de undå (figura 2.1) în vid λ0 =c/n. O primå împårÆire aspectrului,figura 2.1, se face în 3 regiuni:

Figura 2.1 Spectrul undelor electromagnetice în funcÆie de lungimea de undå

Spectrul undelor electromagnetice 1111111111

a) regiunea „undelor“,b) regiunea „opticå“,c) regiunea „razelor“.

În prima regiune sunt cuprinse undele radio (pânå la 109 Hz) çi microundele(între 109 Hz çi 1012 Hz). În aceastå regiune în domeniul frecvenÆelor joase, includemcurenÆii alternativi (industriali) çi undele de frecvenÆå acusticå (telefonie –telegrafie).

În regiunea „opticå“, domeniul de interes pentru opticå, optoelectronicå, suntcuprinse radiaÆiile infraroçii (între 1012 Hz çi 4,3x1014 Hz) radiaÆiile vizibile (între4,3x1012 Hz çi 5,7 x1014 Hz) çi radiaÆiile ultraviolete (între 5,7x1014 Hz çi 1016 Hz).

În cea de-a treia regiune, cea a „razelor“ sunt razele X (între 1016 Hz çi 1019 Hz)çi radiaÆiile γ (peste 1019 Hz). În subdomeniul radiaÆiilor γ sunt incluse çi radiaÆiileprovenite de la materialele radioactive çi razele cosmice. Undele din diferiteleregiuni ale spectrului electromagnetic, se genereazå çi se investigheazå prinmetode specifice, deoarece ele se manifestå de asemenea specific pentru fiecaredomeniu în parte. Pentru acest curs domeniul de interes este cel optic, deçi,existå efecte optice care apar çi la undele electromagnetice care nu aparÆin însens strict domeniului optic (de exemplu interferenÆa çi difracÆia microundelor,difracÆia razelor X pe reÆele cristaline, efectul Compton etc.).

1212121212 Capitolul 3 Propagarea luminii prin medii anizotrope

Capitolul 3 PrPrPrPrPropagaropagaropagaropagaropagarea luminii prinea luminii prinea luminii prinea luminii prinea luminii prinmmmmmedii anizedii anizedii anizedii anizedii anizoooootrtrtrtrtropeopeopeopeope

În mediile anizotrope, o serie de proprietåÆi de material, cum ar fi dilatarea,polarizarea, magnetizarea etc. depind de direcÆia de-a lungul cåreia suntconsiderate. Anizotropia efecteazå çi proprietåÆile optice ale corpului, astfel cå

viteza de fazå a luminii v çi indicele de refracÆie, vc

n = , au valori care depind de

direcÆia consideratå. Aceasta aratå cå orientarea çi deplasarea purtåtorilor desarcinå ai mediului anizotrop, sub acÆiunea componentei electrice E

r a câmpului

electromagnetic incident, depind de direcÆie. Deçi viteza de propagare a luminiiîn medii anizotrope depinde de orientarea vectorului E

r, s-a observat cå existå

totuçi pentru fiecare cristal anizotrop, una sau douå direcÆii, de-a lungul cåroraviteza luminii nu depinde de orientarea lui E

r. Aceste direcÆii sunt denumite axe

optice ale cristalului.Cristalele care au o singurå axå opticå sunt denumite uniaxe çi din aceastå

categorie fac parte cristalele care cristalizeazå în sistemele: påtratic, hexagonalsau romboedric. Cristalele care prezintå douå axe optice, cum sunt cele carecristalizeazå în sistemele: monoclinic, triclinic sau orotorombic sunt denumitebiaxe. Una din caracteristicile de bazå ale cristalelor anizotrope constå înproducerea a douå unde refractate pentru fiecare undå incidentå. Dacå undaincidentå se descompune în mediul anizotrop în douå unde polarizate liniar înplane reciproc perpendiculare, se vorbeçte despre fenomenul de birefringenÆå.Desigur cå birefringenÆa nu se observå pe direcÆiile axelor optice. Dacå undaincidentå polarizatå liniar, se descompune în douå unde polarizate circular însensuri opuse, se vorbeçte de activitatea opticå sau rotirea planului de polarizare.

3.1. BirefringenÆaBirefringenÆa naturalå, a fost observatå în anul 1669 de cåtre Bartholinus, pentruspatul de Islanda. Fenomenul este specific cristalelor cu excepÆia celor carecristalizeazå în sistemul cubic. Referirile în continuare se vor face numai pentrucristale uniaxe.

BirefringenÆa 1313131313

Dacå într-un cristal uniax se taie olamå subÆire ale cårei feÆe plan paralele

fac un unghi diferit de 2π

cu axa opticåAA’ a cristalului (figura 3.1), pentruorice undå sub incidenÆå normalå, vorrezulta douå unde refractate O çi E,polarizate diferit: una trece prin lamåparalel cu direcÆia undei incidente res-pectând deci legile obiçnuite ale refrac-Æiei în medii izotrope çi este numitåundå ordinarå, O, iar cea de a doua trece deviatå, nerespectând legile refracÆieistabilite pentru corpuri izotrope, numitå undå extraordinarå E. Planul careconÆine axa opticå çi normala la faÆa lamei se numeçte plan principal.

Pentru a studia birefringenÆa se considerå un mediu dielectric plasat întreplåcile unui condensator plan cåruia i se aplicå o tensiune. În mediu apar dipolielectrici aliniaÆi pe direcÆia câmpului electric.

Între vectorul polarizare Pr çi vectorul inducÆie electricå D

r avem relaÆia:

PED 0

rrr+= ε dar ED r0

rrεε= , adicå PEE 0r0

rrr=− εεε sau ( ) P1E r0

rr=−εε .

Mårimea

EP

0e r

r

ε=χ (3.1)

se numeçte susceptibilitate electricå. În mediile izotrope (cristale cubice) vectoriiEr, D

r çi P

r sunt paraleli çi rε ,n çi eχ sunt scalari, viteza de propagare este constantå

çi nu depinde de direcÆia de propagare.În materialele birefringente, polarizarea care apare ca råspuns la aplicarea

unui câmp electric depinde de mårimea çi direcÆia câmpului, iar polarizareainduså poate fi orientatå pe o direcÆie diferitå de cea a câmpului electric. PedirecÆiile x,y,z vom scrie:

( )z13y12x110x EEEPrrr

χ+χ+χ= ε

( )z23y22x210y EEEPrrr

χ+χ+χ= ε (3.2)

( )z33y32x310z EEEPrrr

χ+χ+χ= εsau

EP ij0

rrχ= ε (3.3)

unde ijχ se numeçte tensorul susceptibilitåÆii electrice. Se poate folosi çitensorul permitivitåÆii electrice ijε legat prin relaÆia ED iji

rrε= pentru a descrie

råspunsul dielectric al cristalului la câmpul aplicat. Tensorul ijε este de asemeneao matrice 3x3.

Fig. 3.1 BirefringenÆa în cristalul uniax


Mårimea componentelor ijχ (respectiv ijε ) depinde de alegerea axelor de coor-donate x,y,z faÆå de structura cristalului. Acestea se pot alege astfel ca så avemnumai elemente diagonale:

z330zy220yx110x EP;EP;EP χ=χ=χ= εεε (3.4)

çi similar:

,ED;ED;ED z33zy22yx11x εεε === (3.5)

unde:

( ) ( ) ( )330332202211011 1;1;1 χ+=χ+=χ+= εεεεεε . (3.6)

Aceste direcÆii sunt numite axe principale ale cristalului, iar termenii diagonali11ε , 22ε , 33ε se numesc permitivitåÆi principale.

Un câmp electric paralel cu axa principalå va produce o polarizare electricåparalelå dar în general cele trei permitivitåÆi sunt diferite. Ceea ce då naçterebirefringenÆei, este variaÆia permitivitåÆii, respectiv a indicelui de refracÆie çi decia vitezei undei. În general cristalele anizotrope sunt caracterizate prin trei indicide referacÆie principali xn , yn çi zn , unde subindicii x,y,z sunt corespunzåtori direcÆieide polarizare a undelor çi nu sunt legaÆi de direcÆiile de propagare (x,y,z), iar:

( ) ( )21

1121

011x 1/n χ+== εε

( ) ( )21

2221

022y 1/n χ+== εε (3.7)

( ) ( )21

3321

033z 1/n χ+== εε

Astfel, fie de exemplu o undå care se propagå pe direcÆia z. Dacå câmpulelectric are planul de polarizare paralel cu direcÆia x, va induce numai polarizarea

xP çi va fi caracterizat experimental de valoarea 11ε respectiv xn . De asemeneapentru yP vom avea 22ε çi deci yn .

Orice undå nepolarizatå ce se propagå pe direcÆia z va fi descompuså în douåcomponente cu polarizårile paralele cu direcÆiile x çi y. Aceste douå componente sevor propaga prin cristal cu viteze diferite, iar rezultanta lor în acelaçi punct va fipolarizatå eliptic, dependentå de diferenÆa de fazå çi de amplitudinile componentelor.

În cristalele uniaxe, cu axa principalå (prin convenÆie) axa z, avempermitivitatea 33ε çi 2211 ε=ε , respectiv zn çi yx nn = .

O måsurå a birefringenÆei este diferenÆa zx nnB −= çi este negativå dacåzx nn < cum apare în calcit (CaCO3) çi pozitivå dacå zx nn > aça cum este în

cuarÆ (SiO2).În mediile anizotrope ca rezultat al birefrigenÆei numai douå ståri de polarizare

se pot propaga pentru oricare direcÆie a cristalului. Aceste plane suntperpendiculare reciproc, cu excepÆia cazului când propagarea este paralelå cuaxa opticå, cele douå componente au indici de refracÆie diferiÆi çi viteze diferite.


Pentru o direcÆie de propagare particularå, valorile indicilor de refracÆie pot fideterminate prin reprezentarea elipsoidului indicilor.

EcuaÆia acestuia se deduce din densitatea de energie:

ED21

wrr

⋅= (3.8)

care capåtå forma:

ε+

ε+

ε=

33

2z

22

2y

11

2x DDD

21

w (3.9)

împårÆind cu w obÆinem:

1nz

ny

nx

2z

2

2y

2

2x

2=++ (3.10)

unde 0

332z

0

222y

0

112x n;n;n ε

εεε

εε === .

EcuaÆia reprezintå un elipsoid cu semiaxelexn , yn çi zn . Pentru un cristal uniaxial (fig. 3.2)

zyx nnn ≠= elipsoidul având simetrie circularåpe direcÆia axei z. În mod obiçnuit oyx nnn == çise numeçte indice de refracÆie ordinar, iar

ez nn = indice de refracÆie extraordinar çi sepoate scrie:

1nz

ny

nx

2e

2

2o

2

2o

2=++ . (3.11)

Planul normal pe rr, intersecteazå elipsoidul

dupå o elipså. Cele douå direcÆii de polarizare suntparalele cu axele elipsei çi corespund lui 0P çiOQ. Ele au indicii de refracÆie on çi respectiv en .

În cazul undei extraordinare, planul depolarizare se modificå în funcÆie de θ la fel caçi indicele de refracÆie. Se poate determinarelaÆia de legåturå dintre )(ne θ çi on . Din figura3.3. se vede cå:

( ) +=θ yzn 222e

θθ= sin)(nz e

Se înlocuiesc aceste relaÆii în ecuaÆia elipsei:

1nz

ny

2e

2

2o

2=+

Fig. 3.2 Cristal uniaxial. Elipsoidulavând simetrie circularåpe direcÆia axei z

Fig. 3.3 SecÆiune în elipsoidulindicilor


rezultå:

2e

2

2o

2

2e n

sinn

cos)(n

1 θ+θ=θ

Pentru ( ) 0e n0n,0 ==θ iar pentru ( ) ee n90n,90 ==θ oo .În cazul propagårii paralele cu axa opticå (de exemplu axa z), nu existå

birefringenÆå, secÆiunea de intersecÆie este un cerc.Pentru propagarea pe o direcÆie perpendicularå pe axa opticå, de exemplu

axa x, birefringenÆa va fi maximå, polarizårile permise vor fi paralele cu axa y cu

indicele on çi cu axa z cu indicele en .

3.1.1. BirefringenÆa indusåÎn anumite cristale, birefringenÆa este naturalå, pe când în altele, cele anizotrope,un exemplu este KDP- ul (difosfat de potasiu), când se aplicå un câmp electric,pot apare axe principale noi. Câmpul electric schimbå forma elipsoidului indicilorde refracÆie ca rezultat al schimbårii tensorului permitivitate ijε . Dupå deformaÆie,axele elipsoidului nu mai sunt de-a lungul axelor principale originale çi elipsoidultrebuie så fie reprezentat de o ecuaÆie de forma:

1xyn1

xzn1

2yzn1

2zn1

yn1

xn1

2222

32

2

22

2

12 =

+

+

+

+

+

(3.12)

Câmpul electric aplicat produce schimbarea indicilor de refracÆie. AceaståvariaÆie poate fi scriså ca:

∑=

=

∆

3

1jjji

i2 Er

n1 (3.13)

unde i = 1,2,...,6, j = 1,2,3 iar ijr este tensorul electro-optic cu 6x3 elemente.Pentru majoritatea materialelor din considerente de simetrie acest tensor se

reduce semnificativ. Ca exemplu så consideråm cristalul KDP. În aceastå claså demateriale singurele elemente diferite de zero în tensorul electrooptic sunt 41r , 52rçi 63r , în cele mai multe cazuri 4152 rr = . Într-un câmp electric arbitrar, elipsoidulindicilor devine:

1xyEr2xzEr2yzEr2nz

ny

nx

z63y41x412e

2

20

2

20

2=+++++ (3.14)

De notat cå primii trei termeni sunt independenÆi de câmp çi includ pe on çien iar câmpul induce termenii yz, xz, xy, astfel cå axele elipsoidului nu mai sunt

paralele cu x,y çi z ca mai înainte. Trebuie så gåsim amplitudinile çi direcÆiilenoilor axe, în prezenÆa câmpului, ca så putem determina propagarea câmpuluipe direcÆia z ( 0EE yx == ) astfel cå avem:

1xyEr2nz

ny

nx

z632e

2

2o

2

2o

2=+++ (3.15)


Problema este de a determina unnou sistem de coordonate x’, y’, z’ încare ecuaÆia de mai sus så nu conÆinåtermenul xy, så fie deci de forma:

1n'z

n'y

n'x

2'z

2

2'y

2

2'x

2=++ (3.16)

Mårimea axelor elipsoidului indicilor va fi ''' zyxn2;n2;n2 çi vor depinde de

câmpul aplicat. Dacå z este paralel cu z’, eznn ' = , ecuaÆia este simetricå în x çi y,

astfel cå, noile axe x’, y’ se comportå similar cu x çi y çi în realitate ele sunt rotitecu 45o:

π+π=

π+π=

4cos'y

4sin'xy

4sin'y

4cos'xx

înlocuind x çi y obÆinem:

1nz

Ern1

'yErn1

'x 2e

2

z632o

2z632

o

2 =+

++

− . (3.17)

RelaÆia aratå cå x’, y’, z’ sunt noile axe principale çi câmpul electric a rotitelipsa çi a schimbat axele principale. Se observå cå:

z632o

2'x

Ern1

n1 −= (3.18)

Modificarea indicelui de refracÆie poate fi evaluatå notând cå:

( )( ) ( )3o

'xo2

'x

'xo'xo2o

2'x n

nn2n

nnnnn1

n1 −=

⋅+−=−

presupunând cå modificarea este micå astfel cå oxnn ' ≈ çi de aceea:

z63

3o

o'x Er2

nnn +=

(3.19)

z63

3o

o'y Er2

nnn −=

e'z nn =

RelaÆii de acest tip pot fi obÆinute çi pentru alte clase de cristale çi în general

rEn21

'n 3o±= , iar elementele matricii r se modificå în acord cu clasa cristalului.

Fig. 3.4 Noile axe introduse de câmpul electric


3.2. Efectul electro-opticCând se aplicå un câmp electric în mediu optic, distribuÆia de electroni în interioreste distorsionatå astfel cå polarizarea çi indicele de refracÆie ale mediului semodificå anizotropic. Ca råspuns se introduc noi axe optice în cristale cu bire-fringenÆå naturalå ca de exemplu KDP, sau cristalele izotrope natural ca GaAs,devin birefringente.

Modificarea indicelui de refracÆie în funcÆie de câmpul aplicat poate fi dedusådin:

22 EPEr

n1 +=

∆ (3.20)

unde r este coeficientul electro-optic liniar iar P coeficientul electro-optic påtratric.În cazul corpurilor solide, variaÆia liniarå a indicelui de refracÆie cu câmpul

electric, este cunoscutå ca efect POCKELS, în timp ce variaÆia ce apare din terme-nul påtratic se numeçte efect KERR (a nu se confunda cu efectul magneto-opticde asemenea denumit dupå KERR).

În cazul efectului POCKELS, acÆiunea câmpului electric depinde de structuracristalului çi de simetria materialului. Pentru KDP – câmpul electric roteçte axelecu 45o çi deci:

z63

3o

oyz63

3o

ox Er2

nnn,Er

2n

nn −=+= ′′

çi presupunând cå, avem valori mici pentru constanta Kerr:

z6332 Ern

n2n1 =∆−=

∆ (3.21)

unde r63 este coeficientul electro-optic Kerr pentru KDP.

AplicaÆia 3.1Så calculåm schimbarea indicelui de refracÆie pentru un cristal KDP dopat cu deuteriu

(KD*P) pentru o tensiune de 4000 V, dacå n=1,51:

( ) 12363

3o 104,2651,1

21

dv

rn21

nnn −⋅⋅±=⋅⋅±=∆=−

5o 108,1nn −⋅=−

Fie un fascicol de luminå plan polarizat în direcÆia z ce trece printr-un cristalKDP çi cu axele x’, y’ induse la 45o faÆå de planul de polarizare.

Dacå fascicolul incident este dat de:

( )kztcosEE 0 −ω=

Efectul electro-optic 1919191919

atunci componentele pe direcÆiile x’ çi y’ vor fi:

( )

( )

−ω=

+ω=

kztcos2

EE

kztcos2

EE

0'y

0'x

iar indicii de refracÆie vor fi 'xn çi 'yn çi vordetermina creçterea fazei când cele douåcomponente 'xE çi 'yE se propagå prin cristal.Dacå L este grosimea cristalului, schimbarea de fazå pentru cele douå componenteva fi:

Ln2

,Ln2

'y'y'x'x λπ=φ

λπ=φ

înlocuind 'xn çi 'yn avem:

φ∆−φ=φ

−

λπ=φ

φ∆+φ=φ

+

λπ=φ

0'yz2oo'y

0'xz2oo'x

sauEnr21

1nL2

sauEnr21

1nL2

deci:

.VnrEnrL 3oz

3o λ

π=λπ=φ∆ (3.22)

unde V este tensiunea aplicatå pe feÆele cristalului.Modificarea de fazå netå, sau întârzierea dintre cele douå unde ca urmare a

aplicårii tensiunii V este:

Vnr2

2 3o'y'x ⋅

λπ=φ∆=φ−φ=φ (3.23)

çi în general lumina emergentå va fi polarizatå eliptic.Componentele 'xE çi 'yE ale undei emergente din cristal (omiÆând factorii de

fazå comuni) vor fi:

( )

( ).tcos2

EE

tcos2

EE

0'y

0'x

φ∆−ω=

φ∆+ω=(3.24)

DiferenÆa de fazå ∆φ pentru fiecare componentå depinde direct de tensiuneaaplicatå V astfel cå putem modifica faza modificând tensiunea aplicatå pe cristal.

Fig. 3.5 Trecerea luminii liniarpolarizate prin cristalul KDP


Fig. 3.7 Curba de transmisie în funcÆiede tensiunea aplicatå

Så presupunem cå inseråmdouå elemente de polarizare planåorientate perpendicular çi între ele,cristalul, pe care se aplicå tensiu-nea V (fig. 3.6).

Lumina transmiså va avea

componentele 2

E 'x−,

2

E 'y , astfel cå:

( ) ( )( )φ∆−ω−φ∆+ω= tcostcos2E

E 0 (3.25)

sau:

.tsinsinEE 0 ωφ∆−= (3.26)

Intensitatea fascicolului transmis, media în timp pe perioada ωπ= 2

T , va fi:

2sinIsinII

sau

dtE2

I

20

20

T

0

2

φ=φ∆=

πω= ∫

(3.27)

unde I0 este intensitatea luminii incidente pe cristalul electro-optic. Dacå faza deîntârziere în efectul Pockels este proporÆionalå cu tensiunea, se observå cåtransmitanta este o funcÆie de tensiune aplicatå:

⋅λπ= Vnrsin

II 3

o2

0(3.28)

care poate fi scriså:

⋅π=

πVV

2sin

II 2

0(3.29)

unde 3onr2

Vλ=π este tensiunea necesarå

pentru ca transmisia så fie maximå I = I0.

πV este adesea numitå tensiunea desemi-undå, deoarece introduce o deplasarede λ/2, echivalentå cu o diferenÆå de fazåde π radiani între douå unde polarizateparalele cu axele principale.

Fig. 3.6 Schema unui modulator electrooptic


AplicaÆia 3.2Pentru KDP cu λ = 1,06 10-6 m çi n=1,51 iar coeficientul electro-optic, 126,10r −=

tensiunea de semiundå este:

( )kV5,14

51,1106,1021006,1

nr2V 312

6

3o

=⋅⋅

⋅=λ= −

−

π

Se observå cå transmitanÆa poate fi modificatå prin aplicarea unei tensiunide-a lungul direcÆiei de propagare. Astfel de sisteme se numesc modulatoriPockels – electro-optici.

Se observå vå modularea nu este liniarå pentru tensiuni V mici, luminatransmiså este proporÆionalå cu V2. Pentru liniarizare se introduce o lamå sfert deundå între polarizorul iniÆial çi modulator. Aceasta introduce o diferenÆå de fazå de

2π

între cele douå componente polarizate înainte de a intra modulator (figura 3.8 a).

Adicå se introduce o polarizare suplimentarå, astfel cå transmisia se modificå înjurul lui Q (figura 3.8 b). Modificarea transmisiei în jurul lui Q este aproape liniarå.Prin introducerea lamei λ/4, diferenÆa de fazå dintre componente este:

ππ+π=φ∆+π=φ

VV

22

2çi deci:

π+π=πV

V24

sinII 2

0(3.30)

Fig. 3.8 Transmisia pe porÆiunea liniarå a caracteristicii


Pentru valori ale tensiunii V mici (~ 5% din Vπ) modificarea transmisiei esteaproximativ liniarå. Dacå se aplicå o tensiune de amplitudine m çi frecvenÆå f,

factorul de transmisie 0II

t = se va modifica cu frecvenÆa:

ft2sin2m

5,0II

0ππ+= (3.31)

unde 1VV

ft2sinm <<=ππ

pentru cå altfel apar deformåri ale lui t care va avea

multe armonici de ordin impar.Acest tip de modulator este numit cu efect longitudinal (câmpul electric este

aplicat pe direcÆia de propagare a fascicolului). Aceasta poate fi realizatå, folosindelectrozi cu mici aperturi (deschideri) pe fiecare faÆå a cristalului sau prinevaporarea unui strat subÆire semitransparent pe suprafeÆele cristalului. Pentrua înlåtura aceste dezavantaje sau dezvoltat modulatori electro-optici cu cristalecilindrice çi electrozi cu geometrie de tip inel (fig. 3.9).

Fig. 3.9 Modulatori electro-optici cu cristale cilindrice çi electrozi cu geometrie de tip inel

Se poate folosi çi modul de operare transversal în care câmpul este aplicatperpendicular pe direcÆia de propagare. În acest caz câmpul electrozilor nu sesuprapune cu fascicolul luminos çi întârzierea (sau diferenÆa de fazå) care esteproporÆionalå cu E çi L, lungimea cristalului, poate fi måritå prin mårirea lui L.

Så presupunem ca çi înainte cå, E este aplicat pe direcÆia z dar cå direcÆia depropagare este de-a lungul axei y’ (axa principalå induså) (fig. 3.10). Dacå luminaincidentå este polarizatå în planul x’-z’ la 45o faÆå de axa x’ diferenÆa de fazå va fi:

Er2

n)nn(L

2)nn(L

2z

3o

eo'z'x'z'x =⋅+−λπ=−

λπ=φ−φ=φ∆

(3.31)

DLV

nr)nn(L2 3

oeo λπ+−

λπ=

unde L este lungimea cristalului, D grosimea pe direcÆia tensiunii aplicate eo n,nsunt indicii de refracÆie pentru lungimea polarizatå paralel faÆå de direcÆiile principale.


Termenul independent de tensiuni va polariza curba de transmisie. Tensiuneasemi-undå poate fi reduså, având o celulå, un cristal lung çi subÆire.

În multe situaÆii, modularea semnalului se face la frecvenÆe foarte înalte çipoate ocupa lårgimi de undå mari astfel cå avem un spectru de frecvenÆe întins.Capacitatea modulatorului çi timpul de tranzit finit limiteazå lårgimea de bandåçi frecvenÆa maximå de modulare. Fie C capacitatea cristalului electro-optic cuelectrozi çi RS rezistenÆa internå a sursei modulatoare.

Dacå Cf2

1R

0s π> unde f0 este

frecvenÆa de modulare medie,tensiunea de modulare cade perezistenÆa RS çi nu va contribui laîntârzierea electro-opticå.

Problema se rezolvå conectândcristalul într-un circuit rezonant

(fig. 3.11). InductanÆa L este astfel aleaså încât så fie îndeplinitå relaÆia LC1

f4 20

2 =π

iar la rezonanÆå f = f0 impedanÆa circuitului devine Rf, care este mult mai mare decâtRS ceea ce înseamnå cå tensiunea de modulare cade în cea mai mare parte pe cristal.

Circuitul rezonant are lårgimea de bandå finitå CR2

1f

fπ=∆ centratå pe f0. De aceea

lårgimea de bandå modulatå maximå, trebuie så fie mai micå decât ∆f, pentru casemnalul modulat så fie o reprezentare fidelå a tensiunii de modulare aplicatå.

În practicå ∆f depinde de aplicaÆie, iar ordinul de mårime pentru lårgimea debandå este 108- 109 Hz. Dacå este necesarå obÆinerea unei diferenÆe de fazå sau oîntârziere, se poate calcula puterea, de care este nevoie pentru a fi aplicatå cristalului.

Întârzierea,

λπ=φ Vnr

2 3om corespunde unei tensiuni modulare ( ) LEV mzm = .

Puterea f

2m

R2V

P = necesarå pentru a obÆine o întârziere, va fi legatå de lårgimea

de bandå modulatå prin:

Fig. 3.11 Conectarea cristalului într-un circuitrezonant

Fig. 3.10


( )6o

22

22m

nr42f2C

Pπ

∆πλφ= (3.32)

sau

( )6o

220n

22m

nr42fA

Pπ

∆λφ=

εε(3.33)

unde s-a Æinut cont cå la frecvenÆa de modulare f0, capacitatea cristalului este

LA

C r0εε= , A fiind suprafaÆa transversalå iar L lungimea cristalului.

AplicaÆia 3.3Så calculåm puterea necesarå într-un cristal KD*P, pentru a obÆine o întârziere de

fazå de 30π=φ rad, într-o celulå Pockels circularå cu diametrul de 25 mm çi lungimea

L=30 mm dacå n=1,51 iar lungimea de undå este nm633=λ .Înlocuim în relaÆia (3.33) valorile çi obÆinem P=31W.

FrecvenÆa maximå de modulare fm trebuie så fie astfel aleaså încât, aplicândcâmpul electric pe cristal, acesta så nu schimbe substanÆial timpul de tranzit t1,adicå:

m

1 f1

cnL

t ⟨⟨= (34)

Pentru un cristal KDP pentru care

5,1n ≈ çi L=10 mm, Hz102f 10m ⋅<< .

Pentru a înlåtura aceast neajuns,semnalul de modulare poate fi aplicattransversal ca o undå ce se deplaseazåde-a lungul electrozilor cu o vitezå egalåcu cea a semnalului optic, ce se propagåprin cristalul modulator.

Deçi în principiu, pare uçor så realizåm sincronizarea dintre undele electriceçi cele optice, în practicå este chiar dificilå sincronizarea, limitaÆi fiind datoritåmaterialelor optice ce le avem la dispoziÆie. Pentru cå în teorie, rn ε= , în practicåmaterialele au rn ε< . Sincronizarea dintre cele douå unde se obÆine, reducând

rε prin includerea de bule de aer (goluri) în secÆiunea transversalå a ghidului deundå electric.

Modulatorul cu undå cålåtoare, poate fi realizat încetinind unda opticå prinpropagarea ei pe un drum în zig-zag.

Fig. 3.12 Modulator cu undå cålåtoare

InjecÆia çi recombinarea purtåtorilor de sarcinå 2525252525

Capitolul 4 SisteSisteSisteSisteSistemmmmme de de de de de afiçare afiçare afiçare afiçare afiçareeeee

Sistemele de afiçare se pot împårÆi în douå categorii:

active, care emit propria lor radiaÆie; pasive, cele care moduleazå radiaÆia incidentå pentru a afiça informaÆia.

Înainte de a se discuta despre aceste sisteme, vom aråta circumstanÆele încare se poate emite radiaÆie.

4.1. LuminescenÆaEste un termen general pentru a descrie emisia de radiaÆie de la un solid atuncicând asupra lui acÆioneazå o anumitå formå de energie.

În funcÆie de metoda de excitaÆie avem:

fotoluminescenÆa, excitaÆia apare din absorbÆia de fotoni; catodoluminescenÆa, excitaÆia apare ca urmare a bombardårii cu un fascicol

de electroni; electroluminescenÆa, excitaÆia rezultå la aplicarea unui câmp electric

(alternativ sau continuu).

Oricare ar fi forma de energie ce cade pe materialul luminescent, în stadiulfinal al procesului, apare de fapt o tranziÆie între douå nivele de energie E1 çi E2

(E2 > E1) cu emisia de radiaÆie de lungime de undå λ:

12 EEhc −=λ

(4.1)

E1 çi E2 sunt nivele care aparÆin la douå grupuri de nivele de energie, astfel cå laemisie, în locul unei singure lungimi de undå, în mod obiçnuit apare o bandå delungimi de undå.

Dacå mecanismul de excitaÆie înceteazå, luminescenÆa persistå un interval detimp egal cu timpul de viaÆå a tranziÆiei între cele douå nivele E1 çi E2, este, ceeace se numeçte fluorescenÆa. FosforescenÆa apare atunci când luminescenÆapersistå un timp mult mai lung. Adeseori fosforescenÆa este atribuitå prezenÆeiunei ståri metastabile (sau cu timp de viaÆå foarte lung) cu energie mai micådecât E2. Electronii pot cådea în aceste ståri çi pot råmâne în capcanå pânå cândvor fi eliberaÆi ca urmare a excitaÆiilor termice. Materialele care prezintåfosforescenÆa sunt cunoscute sub denumirea de fosfori. Materialele de tip fosfor,

2626262626 Capitolul 4 Sisteme de afiçare

au în interiorul lor, ioni de impuritate numiÆi activatori ce înlocuiesc anumiÆi ionigazdå în reÆeaua cristalinå. Atât timp cât sarcina ionului activator este identicåcu cea a ionului gazdå pe care îl înlocuieçte, sarcina cristalului va fi echilibratå çipuÆini vor fi ionii activatori ce vor intra în reÆea. Prin introducerea coactivatorilor(atomi de impuritate cu sarcinå ionicå diferitå), se va îmbunåtåÆi solubilitateaactivatorilor. Existå douå tipuri de sisteme cu nivele de energie. În primul tipnivelele de energie sunt cele ale însåçi ionului activator çi materialele prezintåluminescenÆå caracteristicå, în timp ce în al doilea tip, ele sunt ale reÆeleigazdå modificate de prezenÆa ionilor activatori caz în care materialele prezintåluminescenÆå necaracteristicå.

În cazul luminescenÆei caracterisitice, energia de excitaÆie este de obicei transferatårapid (<< 10-8 s) ionului activator. LuminescenÆa este în întregime, datoratå timpuluide viaÆå a nivelului stårii excitate a activatorului. În materialele cu luminescenÆåcaracteristicå sunt prezenÆi atât activatorii cât çi coactivatorii. Aceçtia creeazå nivelede energie acceptoare çi în fosfori aceste nivele sunt numite goluri sau capcane.AbsorbÆia energiei în interiorul solidului creeazå perechi: electron – gol în exces,deoarece probabilitatea golurilor este mai mare decât cea a electronilor, majoritateagolurilor în exces devin repede capcanå. Orice electron care se va gåsi în vecinåtateaunui gol capcanå, se poate recombina cu el çi poate genera luminescenÆa. Cândelectronii migreazå prin cristal, ei însåçi sunt supuçi capcanelor.

În figura 4.1 este prezen-tatå generarea electron-golçi procedeul de recombi-nare în materialele lumines-cente necaracteristice. Pere-chile electron-gol sunt ge-nerate prin absorbÆia de fo-toni (fig. 4.1a), iar golurilesunt rapid atrase de niveleleacceptoare (fig. 4.1b). Elec-tronii se pot recombina cuaceste capcane dând naçtere emisiei luminescente (fig. 4.1d). Înainte ca så aparåaceastå recombinare electronul poate sta câtva timp în capcana de pe nivelulacceptor (fig.4.1c). Timpul pe care un electron îl petrece în capcanå depinde dediferenÆa EC – ED, (adâncimea capcanei sub banda de conducÆie) çi de asemeneade temperatura T. În anumite condiÆii çi la temperaturi joase timpul în care seaflå în capcane poate fi mare, ceea ce va produce persistenÆa mare a luminescenÆeidupå încetarea excitaÆiei. Durata ei poate fi de la câteva ore pânå la câteva zile.

4.2. FotoluminescenÆaÎn cazul fotoluminescenÆei, energia este transferatå cristalului prin absorbÆiaunui foton. Pentru materialele caracteristice ionul activator este cel care absoarbefotonul în mod direct. Se poate presupune cå, deoarece nivelele de energie sunt

Fig. 4.1 Generarea e-gol çi procedeul de recombinareîn materialele luminescente necaracteristice

FotoluminescenÆa 2727272727

implicate în absorbÆie çi în emisie sunt aceleaçi, atunci lungimile de undå laabsorbÆie cât çi la emisie ar trebui så fie identice. Se aratå cå lungimea de undåla emisia radiaÆiei, este deplasatå spre roçu în comparaÆie cu lungimea de undåla absorbÆia radiaÆiei. Aceste fenomen este cunoscut ca deplasarea Stokes. Elpoate fi explicat luând în considerare efectul vibraÆiilor reÆelei cristalului gazdåasupra nivelelor de energie ale ionilor activatori. Aceçtia din urmå sunt adeseaîncårcaÆi pozitiv, exemple tipice fiind Cr3+ çi Mn2+, deçi starea exactå a sarciniidepinde de gazdå.

Så presupunem cå fiecare ion acti-vator este încårcat pozitiv çi cå este în-conjurat echidistant de 6 ioni negativila distanÆa R faÆå de activator aça cumeste redat în figura 4.2.

Vom presupune cå în modul de vi-braÆie fundamental, ionul activator (I)råmâne în repaus în timp ce ceilalÆi 6ioni vibreazå radial çi în fazå. DatoritåinteracÆiunilor electrostatice poziÆiilenivelelor de energie ale ionului activator (I) vor depinde de R. În figura 4.3diagrama ilustreazå variaÆia de energie pentru cele douå nivele. S-au reprezentatnivelele de energie între care apare tranziÆia de luminescenÆå. Ceea ce este impor-tant este cå, cele douå minime ale curbelor nu apar la aceiaçi valoare a lui R.Aceasta apare çi datoritå faptului cå distribuÆia de echilibru a sarcinii din jurulionului activator va fi diferitå când el este în cele douå ståri. Så consideråmabsorbÆia unui foton când activatorul este în starea de bazå, cea mai probabilåvaloare a lui R este R0 (poziÆia de energie minimå). AbsorbÆia fotonului este unproces foarte rapid care apare instantaneu faÆå de vibraÆiile ionilor înconjuråtori.Pe diagrama nivelelor de energie, procesul poate fi reprezentat printr-o tranziÆieverticalå la R constant. Imediat dupå tranziÆie stårile excitate ale ionilor înconju-råtori nu vor fi în poziÆiile lor de echilibru çi se vor relaxa spre noile lor poziÆii deechilibru (R = R1), figura 4.3. Când apare o tranziÆie de pe nivelul superior pecel inferior, R råmâne constant çi deci fotonul emis va avea a energie mai micådecât a celui absorbit. Ionii din jurul activa-torului vor fi întotdeauna într-o stare deoscilaÆie çi deci în momentul tranziÆiei Rpoate avea valori în jurul lui R0.

Acest lucru este valabil çi pentru stareaexcitatå. Astfel în locul unei singure lungimide undå de absorbÆie sau emisie apare obandå de absorbÆie sau de emisie.

Deoarece amplitudinea oscilaÆiilor creçtecu temperatura, va creçte de asemenea çilårgimea benzilor de absorbÆie sau emisie.

Fig. 4.2 Efectul vibraÆiilor reÆelei

Fig. 4.3 VariaÆia de energie pe douånivele


În figura 4.4 este aråtatå curba deabsorbÆie çi emisie pentru KCl:Tl, în carese observå deplasarea Stokes în acestmaterial la temperatura camerei. Depla-sarea Stokes îçi gåseçte aplicaÆie comer-cialå în cazul låmpilor fluorescente încare descårcarea electricå se face într-unamestec de argon cu vapori de mercur.RadiaÆia emiså are o culoare albåstruie,iar energia radiantå este în principal îndomeniul ultraviolet. Dacå pereÆii tubu-lui de descårcare sunt acoperiÆi cu material luminescent convenabil, radiaÆiaultravioletå poate fi convertitå în radiaÆie vizibilå, ceea ce creçte eficienÆaluminoaså a låmpii.

4.3. CatodoluminescenÆaÎn cazul catodoluminescenÆei, procesele de emisie sunt aceleaçi cu cele din cazulfotoluminiscenÆei, dar mecanismele de excitare sunt diferite. Când un fascicolde electroni cu energie mai mare de 1 keV cade pe un solid, o fracÆiune dinacesta de aproximativ 10% este retroîmpråçtiat, restul intrå în solid unde îçipierde rapid energia, în principal, cedând-o electronilor legaÆi ceea ce permite încele mai multe cazuri ca aceçtia så fie eliberaÆi din ionii pårinte. Aceçti, electronisecundari pot la rândul lor så genereze alÆi electroni secundari, dacå au suficientåenergie. În final procesul de generare de electroni secundari constå în excitareaelectronilor din stårile superioare benzii de valenÆå EV spre cei din banda deconducÆie EC. Din considerente de conservare de energie, electronii excitaÆi trebuieså aibå o energie Eg = Ec – Ev, çi vor crea perechi electron-gol råmânând în bandade conducÆie. Legea conservårii momentului, impune pentru minimul de energie

necesar ca gc E23

E = . Când electronii au energii între Eg çi Ec ei vor pierde doar,

energie prin excitarea reÆelei (vibraÆii sau fononi), deçi sunt cazuri când chiar

dacå energia este mai mare decât gc EE23= , energia se poate pierde în generarea

de fononi (sau energie de vibraÆie).S-a gåsit experimental cå într-o serie de materiale semiconductoare numårul

de electroni-gol generat poate fi scris ca g

B

EE

β unde EB este energia totalå a

fasciculului de electroni iar 3≈β . Din aceastå cauzå catodoluminescenÆa estemai puÆin eficientå decât fotoluminiscenÆa.

În materialele necaracteristice, recombinarea electron-gol çi emisialuminescentå se face în acelaçi mod ca çi în cazul fotoluminescenÆei.

Fig. 4.4 Curba de absorbÆie çi emisiepentru KCl:Tl

CatodoluminescenÆa 2929292929

În materialele caracteristice, se presupune cå urmåtorul pas este formareaexcitonilor (legåturi pereche electron-gol). Aceçtia migreazå prin reÆea çi pottransfera energia lor de recombinare a ionilor activatori.

Electronii primari îçi pierd rapid energia çi se aratå cå adâncimea de påtrundereRc a unui fascicul de energie EB este datå de:

bBc KER = (4.2)

unde K çi b sunt constante ce depind de material. De exemplu pentruZnS, 4102,1K −⋅= , b = 1,75; dacå EB = 10 keV, Rc = 0,7 µm. Se aratå cå eficienÆacatodoluminescenÆei creçte odatå cu mårirea tensiunii de accelerare a fascicululuiincident. Aceasta se poate atribui faptului cå la tensiuni joase majoritateaperechilor electron-gol sunt generate în apropierea suprafeÆei materialuluiluminiscent, unde de obicei existå o concentraÆie relativ mare de centrii derecombinare neluminescenÆi.

4.3.1 Tubul catodicUçurinÆa relativå cu care un fascicol de electroni poate fi direcÆionat çi focalizata dus la dezvoltarea tubului catodic, ca un important mijloc de analizå asemnalelor electrice ce se modificå rapid. Folosirea tubului catodic pentrumåsuråtori a fost sugeratå încå din 1897 de Braun. CâÆiva ani mai târziu Wehnelt(1904) inventeazå filamentul de platinå acoperit çi apoi introduce în tub electrodulde comandå care îi poartå numele. Abia în 1926 se produce un salt în dezvoltareatubului modern, când Bush aratå cå fasciculul electronic poate fi focalizatmagnetic sau electrostatic, în mod analog sistemelor de lentile din opticå.

La început au predominat focalizarea çi deflexia magneticå, dupå 1939 înså, sedezvoltå tubul cu focalizare electrostaticå solicitat mai ales în sistemele de radar.

În figura 4.5 este prezentatåschema de principiu a tubuluicatodic. Un fascicul de electronicreat de un catod încålzit estefocalizat, accelerat çi apoi deflec-tat de un sistem de electrozi.Dupå o accelerare finalå, elec-tronii bombardeazå un ecran fluo-rescent producând o patå lumi-noaså – spotul. Deplasarea spotu-lui pe ecran formeazå imagineacorespunzåtoare semnaluluiinvestigat. Aça cum se vede çi dinfigurå, tubul catodic are trei pårÆi esenÆiale: tunul electronic, sistemul de deflexieçi ecranul.

Tunul electronic produce un fascicul îngust de electroni. Sursa de electronieste constituitå de un catod cu încålzire indirectå. Catodul se construieçte sub

Fig. 4.5 Schema de principiu a tubului catodic.


forma unui cilindru închis la un capåt. Pe suprafaÆa bazei cilindrului se depoziteazåo substanÆå care îmbunåtåÆeçte emisia electronicå. SuprafaÆa emisivå are dimen-siuni mici, comparativ cu un tub electronic obiçnuit. Cu cât catodul are dimensiunimai mici, cu atât, spotul este mai îngust. În acest fel scade înså intensitateafasciculului electronic çi din punct de vedere constructiv, se urmåreçte realizareaunui compromis între aceste cerinÆe. În interiorul catodului se aflå plasat un filamentcare asigurå încålzirea. Filamentul se realizeazå sub forma a douå fire råsucite.Acest mod de construcÆie determinå eliminarea influenÆei câmpului magnetic produsde alimentarea de la reÆea a filamentului. În scopul obÆinerii unui fascicul electroniccît mai îngust, catodul se introduce în interiorul unui alt cilindru închis la uncapåt. În capacul care închide cilindrul se practicå un orificiu îngust, care så permitåtrecerea electronilor. Acest electrod se numeçte cilindru Wehnelt, grilå sau modu-lator çi serveçte la comanda intensitåÆii fasciculului. Cu ajutorul grilei se poatemodifica strålucirea spotului luminos. Comandând intensitatea fasciculului grila,acÆioneazå çi ca o „lentilå“ electronicå producând focalizarea fasciculului. Aceaståfocalizare este înså insuficientå deoarece se petrece în apropierea grilei, iar fascicululdiverge la distanÆe la distanÆe mai mari, astfel încât este necesarå o focalizaresuplimentarå care se realizeazå cu ajutorul primului anod. Pentru a micçoradependenÆa dintre reglajul strålucirii çi reglajul focalizårii, se plaseazå între grilåçi anod un alt electrod, de formå cilindricå çi cu douå diafragme. Anodul al doileaserveçte pentru accelerarea fasciculului.

Sistemul de deflexie care se foloseçte aproape exculsiv este cel electrostatic.Fasciculul electronic creat de tunul electronic intrå între douå perechi de plåciaçezate ca în figurå. Sistemul de deflexie pe verticalå este realizat de primapereche de plåci, a doua pereche servind la devierea fasciculului în plan orizontal.Pentru mårirea sensibilitåÆii generale a tubului catodic se foloseçte postaccelerareafasciculului, prin introducerea unui al treilea anod situat între sistemul de deflexieçi ecran. Tensiunile continue care se aplicå pe electrozii tubului catodic suntgenerate de la un bloc de alimentare separat. Pe anodul al doilea se aplicå tensiunide ordinul a 800 – 3000 V, iar pe primul anod se aplicå tensiuni de ordinul0,2-0,5 din valoarea tensiunii de pe cel de-al doilea anod. PotenÆialul depostaccelerare poate atinge 10-30 kV.

Ecranul tubului catodic folosit în aplicaÆii de înregistrare a semnalelor, serealizeazå dintr-o substanÆå fluorescentå, care împreunå cu un activator, pentrumårirea eficienÆei luminoase este depuså pe suprafaÆa interioarå a tubului catodic.Pentru ecranul cu luminå verde se foloseçte de obicei willemit (ZnO+SiO2) cumagneziu drept activator. Pentru observarea imaginii de pe tubul catodic prinfotografiere se foloseçte lumina albastrå. Ecranul este acoperit în acest caz cusulfurå de zinc activatå cu argint sau cu wolframat de calciu. O caracteristicåimportantå a ecranului este persistenÆa, definitå ca perioada de timp în careecranul continuå så lumineze deçi fasciculul electronic nu îl mai bombardeazå.Pentru observarea fenomenelor lente sau care nu se repetå, este utilå o persistenÆåmare. Ecranele cu fluorurå de magneziu dau o luminå portocalie çi asigurå o

CatodoluminescenÆa 3131313131

persistenÆå de câteva secunde. Un alt mijloc pentru obÆinerea unei persistenÆeridicate este folosirea unui ecran cu douå straturi. SuprafaÆa sticlei este acoperitåcu un strat de sulfurå de cadmiu çi zinc activat cu cupru care då o luminå portocalieçi apoi cu un al doilea strat din sulfurå de zinc activat cu argint.

Ecranul, pentru aplicaÆii ale tubului catodic pentru afiçare monocromå, înmonitoare de calculator, sau televiziune, constå dintr-un strat subÆire (≅ 5 nm)de granule de fosfor çi un strat de aluminiu (≅ 1 nm grosime) evaporat pe parteacu tubul catodic. Acest strat are douå întrebuinÆåri:

previne încårcarea electrostaticå a granulelor de fosfor (care au conduc-tivitate micå)

reflectå lumina emiså pe direcÆia observatorului.

Grosimile atât ale stratului de Al cât çi de fosfor au valori critice. Dacå stratulde aluminiu este prea gros, radiaÆia va fi absorbitå, iar dacå este prea subÆirereflectivitatea va fi foarte micå. Un strat gros de fosfor reduce fluxul de la ieçiredatoritå împråçtierii çi absorbÆiei, în timp ce un strat subÆire de fosfor poate faceca suprafaÆa ecranului så fie incomplet acoperitå.

4.3.2 Tubul catodic pentru afiçare în culoriTubul catodic pentru afiçare în culori trebuie så aibå trei tipuri diferite de fosfori,corespunzåtori culorilor primare, roçu R, verde G çi albastru A. Ei trebuie så fieseparaÆi fizic unul de altul çi pe fiecare så cadå un fascicul de electroni cuintensitatea proporÆionalå cu conÆinutul de informaÆie despre culoare cu scopulde a compune imaginea coloratå din cele primare RGB. Observat de la distanÆåochiul omenesc vede amestecul aditiv de culoare çi în ansamblu imaginea înculori. Fosforii pot fi açezaÆi sub formå de puncte (delta) ca de exemplu în tuburilecatodice cu mascå, în benzi orizontale ca în tuburile cromatrom (Lawrence) sauîn benzi verticale ca în tuburile trinitron.

ExcitaÆia fosforilor poate fi realizatå cu ajutorul:

a) a trei tunuri separate, unul pentru fiecare tip de fosfor, metodå folositå întuburile cu mascå;

b) modulårii unui singur fascicul care este comutat secvenÆial cu tensiunile cores-punzåtoare celor trei culori, fasciculul fiind deplasat de la un fosfor la altul;

c) un singur tun care då naçtere simultan la trei fascicule fiecare modulat çi carecade fiecare pe câte un fosfor. Acest principiu este folosit în cazul tubuluitrinitron dar tunul electronic poate fi utilizat çi la tubul catodic cu mascå.

În cazul normal fascicolul este scanat linie cu linie pe întreaga suprafaÆå; înaplicaÆiile video afiçajul pe tub are standardul de 625 linii în Europa çi 525 înAmerica. În Europa scanarea întreÆesutå pe cadre, se face 1/25 s iar în Americastandardul este de 1/30s.

Modificarea iradierii luminoase se face prin modificarea curentului de fascicol.Fosforul trebuie så aibå timpul de timpul de luminescenÆå mai mic decât timpul încare este întreÆesut un cadru, altfel apar efecte supåråtoare datoritå persistenÆei imaginii.


Fiecare din cele trei grupe de fosfor emite una din culorile primare (R,G,B)astfel cå se obÆine culoarea doritå prin modificarea intensitåÆilor de excitaÆie relative.

Fosforii cei mai uzuali sunt:

Tabelul 4.1

tip material compoziÆie culoare

Necaracteristic AgZnS : albastru

Caracteristic TbEuSOY ,:22 roçu

Necaracteristic CuSCdZn xx :1− verde

FaÆå de un ecran monocrom, în cel color, rezoluÆia este mai micå, de asemeneaaliniamentul måçtii faÆå de tunurile electronice este criticå çi este influenÆatå deprezenÆa câmpurilor magnetice.

S-au dezvoltat tuburi ce folosesc aça numiÆii „fosfori cu penetrare“ când seutilizeazå faptul cå, adâncimea de påtrundere a fasciculului depinde de tensiuneaaplicatå fasciculului. De exemplu un afiçaj bicolor, se poate obÆine dintr-unamestec de doi fosfori, unul roçu çi altul verde. Cel roçu este un material uzual,în timp ce, verdele este un material neluminescent. La tensiuni mici, va aparedoar culoarea roçu, deoarece electronii nu au suficientå energie ca så activezestratul neluminescent verde. La tensiuni mari de accelerare, påtrundereaelectronilor în stratul verde va da naçtere atât emisiei de culoare verde cât çiemisiei de culoare roçu. Dacå fosforul roçu este mai puÆin eficient ca cel verde,culoarea verde va fi cea dominantå. Desigur cå este dificil så se obÆinå culoriintermediare. În aplicaÆiile unde sunt necesare doar douå culori, metoda esteutilå, obÆinându-se çi o rezoluÆie bunå a imaginii.

4.4. ElectroluminescenÆaÎn acest paragraf ne ocupåm de electroluminescenÆa clasicå spre deosebire deelectroluminescenÆa de injecÆie care se utilizeazå în cazul joncÆiunii p-n.

Se pot distinge patru tipuri de sisteme ce folosesc electroluminescenÆa, înfuncÆie de tipul alimentårii (curent continuu sau curent alternativ) çi de caracterulstratului activ (pudrå sau film subÆire).

Primul dispozitiv electroluminescent a fost unul cu pudrå în curent alternativ,propus în 1936. S-a folosit pudrå de (ZnS: Cu) incluså într-un mediu transparentizolator cu constantå dielectricå mare çi plasatå între doi electrozi, unul din eifiind transparent, figura 4.6.

În mod obiçnuit nu existå conducÆie între electrozi, astfel cå nu este posibilaexcitaÆia în curent continuu. Când se aplicå o tensiune alternativå )ft2cos(V0 π ,lumina este emiså în salve scurte ce dureazå cam 10-3s çi apar la fiecare semiciclu.S-a gåsit cå puterea de ieçire P a luminii integrate poate fi scriså ca:

ElectroluminescenÆa 3333333333

( )

−=

21

0

10 exp

VV

fPP (4.3)

unde V1 este o constantå iar P0(f) este o funcÆie de frecvenÆå.Au fost propuse câteva mecanisme de emisie posibile.În general s-a stabilit cå existå un câmp electric intens în interiorul particulelor

de fosfor. Este posibil ca acest câmp så fie suficient de puternic så permitåelectronilor din nivelele acceptoare ocupate, så „tuneleze“ spre ståri cu aceeaçienergie în banda de conducÆie, figura 4.7. AlÆi electroni din banda de conducÆievor fi deci capabili så ocupe aceste nivele çi så emitå radiaÆie.

Fig. 4.6 Schema de principiu a unui dispozitiv electroluminescent

Fig. 4.7 Emisia electroluminescenta prin tunelare

O altå posibilitate, figura 4.8, este ca un electron ce se miçcå în câmp electricså poatå avea suficientå energie pentru a putea excita un electron din banda devalenta BV, în banda de conductie BC (figura 4.8a).


Sarcina pozitivå ce rezultå, golul, este captat de o impuritate acceptoare,figura 4.8b). Un electron din BC, poate avea o tranziÆie radiativå prin captarealui de nivelul acceptor liber, figura 4.8 c). În fosforii ce conÆin mangan, ionii deMn2+ pot fi direct excitaÆi de electronii de energie mare, radiaÆia fiind emisåcând ionul suferå dezexcitarea. Dispozitivele cu pulberi necesitå câteva sute devolÆi pentru alimentare. Ele prezintå luminescenÆå de ≅40 nit çi au o putereeficientå de ≈1% (raportul dintre puterea opticå çi puterea electricå) cu un timpde viaÆå de aproximativ 1000 h. Folosind diverse pulberi pot fi posibile diverseculori: roçu, verde, galben çi albastru.

Exista dispozitive cu pudrå çi cu alimentare în curent continuu. Particulele defosfor (ZnS : Cu,Mn) sunt acoperite cu un strat conductor de CuxS. Dacåparticulele de fosfor nu sunt prea dispersate va putea apare o conducÆie de laanod la catod. Înainte de a opera normal celula trebuie så fie „formatå“ prinaplicarea unei tensiuni înalte pentru un timp scurt. Aceasta face ca ionii de Cu såmigreze de la suprafaÆa fosforului spre anod. Se formeazå un strat de ZnS curezistenÆå mare în apropierea anodului de-a lungul cåruia apare aproape întotalitate tensiunea aplicatå çi de la care are loc emisia de luminå apårând latensiuni de operare joase. La aproximativ 100 V tensiune continuå, apare lumines-cenÆa de ≈300 nit cu un coeficient de conversie de aproximativ 0,1%.

Atât dispozitivele în curent continuu cât çi cele în curent alternativ au untimp de viaÆå scurt, ceea ce a fåcut ca ele så nu aibå un impact comercial. Elesunt utile în aplicaÆiile de afiçare unde se cere o suprafaÆå mare de afiçare într-unvolum relativ mic.

4.5. Afiçarea cu cristale lichide4.5.1 Cristalele lichide

În ultimul timp s-au impus în optoelectronicå substanÆele mezomorfecunoscute sub numele de cristale lichide. Deçi existå o mare varietate de substanÆemezomorfe, ele pot fi încadrate în douå clase:

Fig. 4.8 Emisia electroluminescentå prin multiplicare în avalançå

Afiçarea cu cristale lichide 3535353535

termotrope, pentru care faza de mezomorfism se aflå între douå temperaturiT1 (punctul de topire sau solidificare) çi T2 (punctul de limpezire), adicåtemperatura de tranziÆie a substanÆei mezomorfe de la starea de cristallichid la starea de lichid izotrop;

liotrope, substante pentru care faza de mezomorfism este limitatå de douåconcentraÆii c1 çi c2 ale substanÆei.

Spre deosebire de un cristal solid obiçnuit, cristalul lichid anizotrop se aflå într-ostare intermediarå (mezofazå) situatå între starea solidå, caracteristicå unui cristalsolid çi cea lichidå, caracteristicå unui lichid normal izotrop, figura 4.9.

Fig. 4.9 Domeniile de existenta ale unui cristal lichid

Cristalele lichide sunt formate din molecule organice, aparÆinând unor compuçiaromatici uçor de sintetizat pe cale chimicå. O clasificare a cristalelor lichide sepoate face în funcÆie de procedeele de obÆinere sau în funcÆie de structura lormolecularå.

Principalele procedee cunoscute de obÆinere a stårii de mezofazå se referå latermotropie, adicå la obÆinerea cristalelor lichide prin încålzire (denumitetermotrope) çi la liotropie (adicå la folosirea unor solvenÆi cu molecule polarepentru cristale lichide, denumite liotrope). Cele douå mari clase de cristale lichidese pot diviza în funcÆie de ordonarea molecularå.

Cristalele lichide liotrope pot fi cu structurå:

lamelarå; cubicå; hexagonalå; hexagonal-compactå; tetragonalå.

Cristalele lichide termotrope pot exista în una sau mai multe ståri fizice:

nematicå – cu structurå nestratificatå çi açezare molecularå paralelå,figura 4.10a);

smecticå – cu structurå stratificatå de formå planå (s-au gåsit opt tipuridiferite de mezofaze, A(I), B(II), C, D, E, F, G, H);

colestericå – cu structurå stratificatå de formå elicoidalå, figura 4.10b).

În continuare ne vom referi numai la cristalele lichide termotrope. Cristalelelichide, nematice çi colesterice prezintå importanÆå din punctul de vedere aldispozitivelor de afiçare.


4.5.2 Structura generalå a unei molecule de cristal lichidStarea de cristal lichid este întâlnitå numai la anumite substanÆe organice datoritåspecificitåÆii structurale a moleculei, care cuprinde cel puÆin douå nuclee sauinele de benzen, legate printr-o grupare intermediarå rigidå X, çi douå grupårilaterale flexibile R çi R’ figura 4.11a). ObÆinerea prin sintezå chimicå a uneianumite ståri mezomorfe este garantatå de tipul çi lungimea grupårilor lateraleflexibile R çi R’, în timp ce comportarea fizicå anizotropå este asiguratå degruparea centralå X.

Din punct de vedere geometric astfel de molecule au o formå alungitå çi undipol electric permanent situat în lungul axei moleculare (L) sau diferit de axamolecularå, figura 4.11 b). Din punct de vedere al structurii cristalografice,moleculele de cristal lichid nu sunt legate de o poziÆie medie fixå în spaÆiu, açacum se întâmplå în cazul cristalelor solide, ci doar de anumite planuri sau straturice poartå denumirea tipului respectiv de mezofazå.

Fig. 4.10 a) ordonare nematicå; b) ordonare colestericå

Fig. 4.11 a) Structura chimicå a unui cristal lichid,b) dipolul electric permanent al unui cristal lichid

Moleculele cu axele longitudinale sau de simetrie paralelå sunt dispuse înstraturi plane care pot aluneca unele faÆå de altele doar în totalitatea lor.Moleculele respectå principiul general de orientare paralelå a axelor longitudinale.DirecÆia preferenÆialå în lungul acestor axe poate fi indicatå printr-un vectorunitate n

r denumit director. Ca rezultat al acestei ordonåri, cristalele lichide

prezintå o puternicå anizotropie în majoritatea proprietåÆilor fizice.Texturile optice ale cristalelor lichide sunt imaginile obÆinute la microscop,

în luminå polarizatå, pentru straturile subÆiri de substanÆe mezomorfå aflate îndiferite condiÆii. Unei anumite texturi îi va corespunde o anumitå açezare ordonatåa moleculelor în straturile subÆiri de 5 – 50 µm denumirea de texturå fiind atribuitå


aranjamentului molecular. O anumitå texturå poate fi uçor influenÆatå, atât pecale chimicå, cât çi pe cale electricå, în sensul cå pot så aparå imagini texturalecaracteristice:

textura sferuliticå întâlnitå la cristale lichide nematice dopate cu compuçicolesterici în prezenÆa câmpului electric;

domeniile Wiliams, pentru cristale lichide nematice în prezenÆa câmpurilorelectrice continue sau alternative la frecvenÆå joaså;

striaÆiile paralele, observate la cristalele lichide nematice în prezenÆacâmpurilor alternative de înaltå frecvenÆå;

textura matricialå, observatå la cristalele lichide nematice cu texturåomogenå torsionatå în prezenÆa câmpului electric continuu sau alternativde joaså frecvenÆå.

Moleculele colesterice cu o structurå chiralå, nesimetricå, sub forma esterilorde colesteril, de unde provine numele acestei mezofaze. Faza colestericå poate ficonsideratå ca având un numår mare de plane, fiecare cu o structura nematicå,dar fiecare plan are un vector director care se schimbå progresiv de la un plan laaltul, vârful vectorului urmårind o forma elicoidalå.

Una din metodele folosite în sinteza compuçilor chimici cu proprietåÆi decristal lichid colesteric este legatå de introducerea unor substituenÆi activi dinpunct de vedere optic în moleculele nematice, care constitue centrii de asimetrieçi oferå o aranjare molecularå elicoidalå necesarå formårii unei mezofazecolesterice. În câmp electric cristalele lichide colesterice îçi gåsesc aplicaÆii prinfaptul cå se pot realiza fie transformåri de fazå colesteric-nematic, fie transfor-måri de texturå transparentå (planarå) într-o texturå care împråçtie puterniclumina (conic-focalå).

Cristalele lichide colesterice au din punct de vedere optic un comportamentde cristal uniax negativ, în timp ce cristalele lichide smectice çi nematice au uncomportament de cristal uniax pozitiv.

La cristalele lichide smectice, structura molecularå se caracterizeazå printr-oconstrucÆie bidimensionalå stratificatå cu un paralelism accentuat în ceea cepriveçte açezarea molecularå ceea ce face ca så aparå valori cu mult mai mari alevâscozitåÆii çi tensiunii superficiale, decât la lichide izotrope sau la substanÆenematice.

Pentru cristalele lichide nematice, orientarea paralelå se poate aprecia cuajutorul parametrului de ordonare:

1cos321

S 2 −θ= (4.4)

în care θ este unghiul dintre axa longitudinalå a unei molecule çi nr. Pentru S=1

avem orientarea paralelå completå (starea nematicå idealå) iar pentru S=0,dezordinea molecularå completå (starea lichidå izotropå).

În tabelul 4.2 sunt date câteva exemple de substanÆele mezomorfe ce au fazenematice.


Tabelul 4.2 Tipuri de substante mezomorfe, în stare fizicå nematicå

Tipul leg. Denumire Exemplerigide X

−=− CHCH Trans-stilben 9452 HCOCHCHOOHC −⟩⟨−=−⟩⟨−

−≡− CC Tolan 9452 HOCOCCOOHC −⟩⟨−≡−⟩⟨−

−=− NN Azobenzen 1133 HCCOOONNOOCH −−⟩⟨−=−⟩⟨−

−=− 321O

NN Azoxi-benzen 94O

94 HCONNOHC −⟩⟨−=−⟩⟨− 321

−=− NCH baze-Schiff 943 HCONCHOOCH −⟩⟨−=−⟩⟨−

( )−=− ONCH Nitronå ( ) 9494 HOCOONCHOOHC −⟩⟨−=−⟩⟨−

−−− COO fenil – benzoot 33 OCHOOCOOCOOOOCH −⟩⟨−−−⟩⟨−−−⟩⟨−

4.5.3 ProprietåÆi fizice generale ale cristalelor lichideUtilizarea cristalelor lichide pe scarå tot mai largå a fost impuså çi de cunoaçtereaçi ståpânirea proprietåÆilor fizice precum çi de cercetarea influenÆei diferiÆilor factoriprecum temperatura ambiantå çi a câmpurilor electrice, magnetice çi acustice. Nevom referi în special la proprietåÆile electro-optice al cristalelor lichide.

Pentru studiul proprietåÆilor fizice ale cristalelor lichide se foloseçte undispozitiv cu configuraÆia geometricå din figura 4.12 la care se ataçeazå aparaturaauxiliarå când de exemplu se urmåreçte variaÆia unei proprietåÆi cu temperatura.

Fig. 4.12 Dispozitiv pentru studiul proprietåÆilor fizice ale unui cristal lichid

Stratul subÆire de cristal lichid se depune între doi pereÆi delimitatori, pe carese efectueazå cel puÆin o depunere conductivå transparentå. Folosirea acesteiconfiguraÆii permite controlul precis al aranjamentului molecular iniÆial, printr-untratament fizic sau chimic prealabil al suprafeÆelor suporÆilor, respectiv alelectrozilor. În aceste condiÆii, moleculele cristalelor lichide pot fi aliniate îndirecÆia definitå den

r, fie uniform perpendicular pe suprafaÆa electrozilor, adicå


în strat orientat homeotrop, fie uniform paralel cu suprafeÆele acestora adicå unstrat orientat omogen.

Un strat de cristal lichid nematic cu orientare molecularå omogenå poate fitransformat într-un strat cu alinierea molecularå deformatå prin torsiune, adicåprin rotirea unui perete faÆå de celålalt cu un unghi de 900. În acest mod se obÆineo aliniere molecularå de tip elicoidal la care orientarea axei spiralei faÆå de suprafaÆapereÆilor, respectiv a electrozilor, are o importanÆå deosebitå; pentru cristalele lichidecolesterice axa poate fi paralelå, poate forma un anumit unghi, obÆinându-se otexturå conic-concavå sau poate fi perpendicularå, rezultând o texturå planå.

Studiul proprietåÆilor hidrodinamice este necesar datoritå faptului cå structuramolecularå specificå, cu anizotropie pronunÆatå, pune în evidenÆå diferenÆerelative la, fluiditatea, vâscozitatea çi tensiunea superficialå a cristalelor lichideceea ce face ca ele så se comporte diferit faÆå de un lichid izotrop obiçnuit.

ProprietåÆile termodinamice, la cristalele lichide, sunt legate de studiultransformårilor de fazå. Acesta poate fi efectuat în mediul cel mai uçor cu ajutorultermografiei, folosindu-se o substanÆå etalon la care nu se produc transformåride fazå în intervalul de temperaturå cercetat. Pentru interpretarea completå acaracterului transformårilor de fazå care au loc la cristalele lichide termotrope,prin modificarea temperaturii se utilizeazå microscopia polarizantå, termografiaçi transmisia opticå caracteristicå. Se cunosc pânå în prezent douå moduri detransformare. Unul este acela în care o anumitå stare fizicå de cristal lichidapare atât la scåderea temperaturii cât çi la creçterea ei çi se numeçte transformaresau fazå enantiotropå, figura 4.13, de exemplu:

Fig. 4.13 Transformarea enantiotropå

Al doilea mod se referå la obÆinerea stårii fizice de cristal lichid doar prin råci-rea lichidului izotrop çi se numeçte transformare sau fazå monotropå, figura 4.14:

Fig. 4.14 Transformarea monotropå

Din punctul de vedere al proprietåÆilor termo-optice, comportarea cristalelorlichide prezintå o anumitå evoluÆie a aranjamentului molecular specific pentrufiecare tip de substanÆå mezomorfå. Temperatura modificå proprietåÆile optice


çi influenÆa pe care o are aceasta se traduce fie printr-o açezare mai mult sau maipuÆin ordonatå a moleculelor, fie printr-o perturbare completå a ordinii moleculare.

Cantitativ, puterea opticå rotatorie )T(Ψ poate fi determinatå direct sau indirect,prin intermediul intensitåÆii It a luminii monocromatice transmise de dispozitivulcu substanÆa de studiat, açezat între polarizori optic încruciçaÆi, conform relaÆiei:

( )ϕ+Ψ= )T(cosII 2tt max

(4.5)

în care ϕ este unghiul de rotaÆie dintre polarizori.ProprietåÆile elastice ale cristalelor lichide, intereseazå din punctul de vedere

al efectelor energetice asociate cu un anumit tip de deformare continuå a uneisubstanÆe mezomorfe, provocatå de diferiÆi factori de influenÆå. Deformårilemecanice în cristale lichide sunt de naturå elasticå çi ele pot fi obÆinute:

indirect, cu ajutorul unor factori exteriori (de naturå mecanicå, electricåsau magneticå);

direct, datoritå influnÆei pe care o au materialele ce servesc drept pereÆidelimitatori (cu sau fårå electrozi depuçi);

prin modul de prelucrare anterioarå a pereÆilor.

Existå trei tipuri de deformåri fundamentale:

de despicare, caracterizatå prin raza de curburå R1,

ndivR1

1= (4.6)

de råsucire, caracterizatå prin raza de curburå R2,

nrotnR1

2⋅−= ; (4.7)

de îndoire, caracterizatå prin raza de curburå R3,

nrotnR1

3×= . (4.8)

O deformare oarecare a açezårii ordonate a moleculelor, la cristalele lichidenematice, poate fi descompuså într-o sumå ponderatå de mårimi corespunzåtoarecelor trei tipuri de deformåri fundamentale. Energia liberå de deformare poatefi exprimatå prin relaÆia:

( ) ( ) ( )∫

×+⋅+= dvnrotnKnrotnKndivK

21

F2

332

222

11 (4.9)

în care K11, K22, K33 reprezintå constantele elastice ale substanÆelor mezomorfe.Constantele elastice au acelaçi ordin de mårime cu cel al energiilor intermoleculareraportate la distanÆa medie dintre douå molecule vecine. În prezenÆa câmpurilorelectrice çi magnetice se adaugå un termen energetic suplimentar în care intervineanizotropia permitivitåÆii respectiv a susceptibiliÆåÆii diamagnetice.

Efectele câmpului acustic asupra proprietåÆilor optice a unui strat subÆire decristal lichid nematic, orientat uniform çi cu texturå homeotropå (care este cea


mai sensibilå la factori perturbatori) pot fi deduse din studiul luminii transmisepentru dispozitivul respectiv açezat între polarizorii optic încruciçaÆi.

Intensitatea luminii transmise este datå de expresia:

λ∆⋅⋅π⋅ϕ= n

dsin2sinII 22it (4.10)

în care ϕ este unghiul dintre direcÆia de polarizare a luminii incidente cu lungimeade undå λ çi direcÆia axei optice.

Câmpul acustic de intensitate A çi de frecvenÆå f, induce o birefringenÆådeterminatå de:

( ) ( )f,Asinnnn 2oe θ−=∆ , (4.11)

unde θ este unghiul dintre axa opticå çi normala la suprafaÆå. În prezenÆa unui câmpacustic de amplitudine çi frecvenÆå variabile între anumite limite, θ poate så variezede la 0 la 2π adicå poate så se modifice birefringenÆa stratului respectiv. Folosindluminå albå, în locul radiaÆiei monocromatice, se pot obÆine culorile lui Newtonîntr-o ordine corelatå cu variaÆia câmpului acustic aplicat. Måsurarea câmpului acusticse face cu un traductor piezoelectric calibrat, printr-un strat de glicerinå.

În prezenÆa câmpurilor magnetice apare o puternicå anizotropie diamagneticåa cristalelor lichide termotrope, condiÆionatå în mod esenÆial de existenÆa înmolecule a nucleelor benzenice. Cei çase atomi de carbon dintr-un nucleu benzenicfac ca acesta så se comporte într-un câmp magnetic similar cu o spirå conducå-toare. Dacå planul hexagonal al ciclului benzenic respectiv este perpendicular pecâmpul magnetic aplicat H, se induce un curent antagonist care în final conducela distorsionarea liniilor de câmp. În cazul în care planul hexagonal este paralel cucâmpul H, nu se mai induce curent în spira conducåtoare fictivå çi deci liniile decâmp magnetic råmân neperturbate, situaÆie ce corespunde unui aranjamentmolecular stabil. AcÆiunea câmpului magnetic este puså în evidenÆå mai ales cândel acÆioneazå asupra cristalelor lichide colesterice care are ca rezultat derulareaspiralei; la o valoare criticå, Hc, se obÆine o configuraÆie molecularå de tip nematic.

4.5.3.1 ProprietåÆi electro-optice ale cristalelor lichideCristalele lichide prezintå o comportare specificå în câmpuri electrice ca urmare aanizotropiei pronunÆate a proprietåÆilor dielectrice.

Principalele efecte fizice induse de câmpulelectric în cristalele lichide se referå pe de oparte, la fenomenele de conducÆie ionicå çide orientare molecularå çi pe de altå parte.la modificårile de culoare.

Una din cele mai importante caracteristicidin punct de vedere electric a cristalelor lichideeste aceea cå, permitivitatea electricå estediferitå la aplicarea unui câmp electric. Prinaplicarea unui câmp electric, figura 4.15,

Fig. 4.15 Orientarea moleculelor înraport cu direcÆia çi amplitu-dinea câmpului electric


moleculele tind spre minimizareaenergiei lor çi se vor alinia pe di-recÆia câmpului electric, aliniereaproducându-se de la o anumitå va-loare Ec, a câmpului electric. În ma-joritatea cazurilor se folosesc celulecu cristale lichide cu structurå ne-maticå „råsucitå“, când moleculelepot avea orientarea din figura4.16a) în absenÆa câmpului, dar înprezenÆa lui, la valori mai maridecât Ec, moleculele se aliniazå astfel cå o razå de luminå va trece prin celulå.

În raport cu vectorul director nr

al moleculei de cristal lichid, avemdouå componente ale permitivitåÆii

||ε çi ⊥ε , figura 4.17. DiferenÆa:

⊥ε−ε=ε∆ || , (4.12)

reprezintå anizotropia permitivitåÆiiunde ||ε este permitivitatea måsuratåîn situaÆia în care câmpul E

r este pa-

ralel cu directorul nr iar ⊥ε cea måsu-ratå când E

r este perpendicular pe nr.

La materialele care au 0>ε∆ moleculele se vor alinia paralel cu câmpul Er, iar

cele cu 0<ε∆ se vor alinia perpendicular pe câmp. Aceste moduri de ordonarepot fi obÆinute practic atât prin aplicarea unei tensiuni continue cât çi a uneitensiuni alternative de valoare micå, într-o gamå preciså de frecvenÆe.

Prin aplicarea tensiunii electrice, pe electrozii dispozitivului, se produce re-orientarea directorului nr, rezultând totodatå modificåri esenÆiale ale proprie-tåÆilor optice la substanÆele respective ca:

împråçtierea dinamicå a luminii; modificarea de culoare; fenomene de modulare a transmisiei optice.

Aceste modificåri induse de câmpul electric se obÆin la tensiuni mici, de circa2-8 V, pentru grosimi tipice de 5-50 µm, ale straturilor de cristale lichide. (pânåla aceste grosimi straturile de cristale lichide sunt considerate subÆiri)

Fenomenul de împråçtiere dinamicå a luminii, se explicå astfel: în absenÆacâmpului electric, axele lungi ale moleculelor prezintå fluctuaÆii în jurul uneidirecÆii medii de orientare care este unicå. Dupå aplicarea câmpului electric,fluctuaÆiile de orientare se amplificå çi moleculele încep så se deplaseze în toatedirecÆiile. Aceastå amplificare a fluctuaÆiilor de orientare este puså pe seamaionilor antrenaÆi de câmpul electric, în direcÆia axelor lungi ale moleculelor, cåtre

Fig. 4.16 Celulå cu cristal lichida) E > 0; b) E >> Ec

Fig. 4.17 Ordonarea molecularå în câmpulelectric


electrozii dispozitivului. Ca urmarea anizotropiei conductivitåÆiielectrice: ionii pozitivi se deplaseazåspre catod iar cei negativi spreanod. În acest fel, moleculele decristal lichid sunt antrenate într-omiçcare de rotaÆie, producându-securenÆi electro-hidrodinamici cedescriu traiectorii închise. În absenÆa câmpului electric, lumina va fi dirijatå dupådirecÆia unicå de orientare a moleculelor çi stratul subÆire de cristal lichid nematicva apare transparent. Dupå conectarea câmpului electric, lumina va fi difuzatå întoate direcÆiile posibile, dupå axele lungi ale moleculelor, adicå este împråçtiatådinamic. De fapt împråçtierea dinamicå a luminii este provocatå de variaÆiile localemicroscopice ale indicilor de refracÆie, ca urmare a distrugerii ordinii moleculareiniÆiale de cåtre câmpul electric de excitaÆie.

Principalele efecte electro-optice, în cristalele lichide nematice, care permitobÆinerea de culori, sunt:

a) depolarizarea luminii ambiente împråçtiate dinamic;

Lumina incidentå polarizatå liniar va fi depolarizatå de dispozitivul optoelec-tronic cu cristal lichid care funcÆioneazå pe baza efectului electro-optic deîmpråçtiere dinamicå a luminii ambiente, figura 4.18.

Prin folosirea unui polarizor optic selectiv care polarizeazå liniar numai radiaÆieluminoaså de o anumitå lungime de undå, dispozitivul optoelectronic cu împråçtieredinamicå a luminii va depolariza radiaÆia luminoaså polarizatå liniar, de o anumitålungime de undå sau culoare. În funcÆie de valoarea tensiunii electrice aplicate,culoarea iniÆialå poate fi comutatå în alta, roçu spre verde, galben spre albastru.

b) modificarea birefringenÆei induse la textura homeotropå çi cea omogenå;

Transmisia opticå a dispozitivelor în luminå albå sau monocromaticå, ca urmarea efectelor de deformare electro-elastice a texturilor homeotrope çi omogene,prezintå mai multe maxime çi minime de interferenÆå. Defazajul optic are valoarea:

dn2 ⋅

λ∆π=δ , (4.13)

unde ∆n este birefringenÆa induså de câmpul electric.Se pot obÆine culori de interferenÆå variabile în funcÆie de tensiunea electricå

aplicatå, cu contrastul puternic dependent de calitatea polarizorilor optici.NuanÆele de culoare, cât çi cele de gri, pot fi uçor obÆinute cu aceeaçi puritate

spectralå prin utilizarea metodei modulaÆiei de impulsuri, alegând convenabildurata çi factorul de umplere.

c) modificarea birefringenÆei induse la textura omogenå torsionatå;

Se foloseçte dispozitivul optoelectronic din figura 4.19, în care stratul subÆiretransparent din plastic (B) posedå proprietatea de a fi puternic birefringent.

Fig. 4.18 Împråçtierea dinamicå


Fig. 4.19 ConfiguraÆie pentru producerea a douå culori: P – polarizor, A – analizor,B – strat birefringent plastic, D – dispozitiv cu cristal lichid

Când lumina polarizatå trece prin stratul birefringent de plastic, se obÆin douåcomponente cu viteze de deplasare diferite depinzând de orientarea planului lorde polarizare în raport cu axa opticå a stratului birefringent. Rezultå o diferenÆåde fazå sau defazaj optic între cele douå componente:

ln2 ⋅∆λπ=ϕ , (4.14)

unde l este grosimea stratului de material plastic. Mårimea birefringenÆei stratuluisubÆire de cristal lichid este calculatå cu relaÆia:

−=−=∆

veE vv

cnnn 110

. (4.15)

Analiza luminii cu un filtru optic de polarizare va evidenÆia culori de mare puritatespectralå. Prin aceastå metodå se realizeazå panouri de afiçare cu suprafeÆe mari, lacare culorile pot fi variate pe cale electricå cu ajutorul unor tensiuni mai mici de 10 V.Pentru o grosime de 10 µm, se aplicå o tensiune electricå de 10 V, adicå un câmpsuficient de puternic, 106 V/m, pentru a deforma aranjamentul nematic iniÆial, cutexturå omogenå torsio-natå, moleculele se reo-rienteazå în direcÆia câm-pului electric aplicat çipermit luminii så treacå cuplanul de polarizare ne-schimbat. Prin înglobareaîn serie, figura 4.20, a maimultor sisteme optice deacest tip, decalate unghiu-lar unele faÆå de altele, seva putea observa în finalo gamå variatå de culoridistincte care sunt selec-tate convenabil.

Fig. 4.20 Producerea a patru culori prin înserierea a douådispozitive cu strat torsionat


d) modificarea controlatå a låÆimii domeniilor Williams;

Când tensiunile alternative sunt mici, 5-10 V, în funcÆie de conductivitatea σ çigrosimea d, la o anumitå substanÆå mezomorfå de tip nematic, indiferent detensiunea iniÆialå (omogenå sau homeotropå), se observå prin microscopie opticåîn lumina polarizatå, o structurå de benzi sau de linii paralele ca urmare adeformårii statice a aranjamentului molecular. Aceste structuri de benzi suntcunoscute sub numele de domeniul Williams. De exemplu pentru mixtura NLC-N4de la Merck, cu rezistivitate electricå mai mare de 1012Ωm çi cu anizotropiedielectricå negativå çi în straturi de 3-6 µm, se poate obÆine textura opticå dedomenii Williams a cåror låÆime se comandå pe cale electricå.

Prin creçterea tensiunii de la 10 V la 100V, låÆimea domeniilor Williams semicçoreazå de la 10 µm la 1 µm simultan cu modificarea tensiunii electrice decomandå.

În aceste condiÆii, straturile subÆiri de cristale lichide se comportå ca reÆeleoptice de difracÆie care sunt foarte eficiente, deoarece ele acÆioneazå ca reÆele defazå cu randament mare.

Prin plasarea unor astfel de reÆele în lumina albå, se pot obÆine culorilespectrale dorite cu ajutorul filtrelor optice de direcÆie (polarizoare sau analizoare)care laså så treacå doar lumina difractatå sub un anumit unghi stabilit iniÆial,când tensiunea electricå aplicatå pe dispozitivul aflat între polarizorii opticiîncruciçaÆi se modificå controlat.

e) modificarea orientaÆionalå a moleculelor unor coloranÆi dicroici în solvenÆinematici;

ColoranÆii dicroici formeazå o categorie specialå de substanÆe organice, carese bucurå de proprietatea cå moleculele lor absorb diferenÆiat lumina polarizatåîn direcÆia axelor optice caracteristice. Prin dizolvarea unor astfel de substanÆe,cunoscute sub numele de coloranÆi dicroici (albastru de indofenol) în solvenÆinematici cu anizotropie dielectricå negativå çi texturå omogenå, moleculelecolorantului respectiv cu rol de oaspete, prezintå aceeaçi orientare preferenÆialåca çi moleculele nematice cu rol de gazdå çi împreunå pot fi reorientate cu ajutorulcâmpului electric. Pe baza acestui efect electro-optic de reorientare a moleculelordicroice, stratul subÆire de cristal lichid prezintå o culoare caracteristicå în luminåpolarizatå liniar çi în absenÆa tensiunii electrice de excitaÆie, dupå care culoarease comutå în alb-låptos în prezenÆa câmpului electric aplicat, figura 4.21.

Moleculele colorantului dicroic absorb numai lumina care este polarizatå liniardupå direcÆiile preferenÆiale caracteristice, ale moleculelor respective (roçu demetil, albastru de indofenol). Din interacÆiunea specificå a luminii incidente cumoleculele dicroice, prin absorbÆie selectivå, rezultå o culoare corespunzåtoarepentru o anumitå açezare ordonatå a moleculelor de tip gazdå, respectiv de tipoaspete. În prezenÆa câmpului electric continuu sau alternativ de o anumitåfrecvenÆå f interacÆiunea respectivå înceteazå çi dispozitivul utilizat comutå dela starea colorat la starea incolorå.


Pentru o texturå homeotropå, dispozitivul apare incolor în absenÆa câmpuluielectric, iar în prezenÆa lui moleculele gazdå se reorienteazå çi apare colorat. Unastfel de dispozitiv îl reprezintå un comutator de culoare care poate lucra çi înluminå nepolarizatå.

Deoarece tensiunile electrice de comandå, necesare sunt de acelaçi ordin demårime cu cele folosite pentru stimularea împråçtierii dinamice a luminiiambiente, este indicat så se lucreze cu câmpuri electrice alternative cu frecvenÆecare så evite efecte de natura turbulenÆei electrohidrodinamice.

4.5.3.2 Efecte electro-optice în amestecuri de cristale lichide colestericeçi nematice

Prin adåugarea controlatå a unei legåturi chimice chirale la unele substanÆe nema-tice în strânså corelaÆie cu anizotropia dielectricå a acestora, se pot obÆine noi compuçichimici cu comportare de cristal lichid çi proprietåÆi electro-optice specifice, care seutilizeazå în practicå. Pentru aceste materiale sunt caracteristice efecte de memorareçi de comutare electro-opticå. Ambele efecte se bazeazå pe împråçtierea dinamicå aluminii ambiante, deoarece substanÆele obÆinute prin amestecarea controlatå decristale lichide nematice çi colesterice prezintå texturi optice çi moleculare stabile.

Aceste texturi sunt fundamental diferite de cele ce caracterizeazå, sau careapar odatå cu împråçtierea dinamicå a luminii çi ca urmare, ele nu se obÆin prinfenomenul de turbulenÆå electrohidrodinamicå în interiorul domeniilormoleculare mici de cristale lichide termotrope.

Efectul de memorare electro-opticå se poate realiza cu ajutorul amestecurilorde cristale lichide nematice çi colesterice (1-10%) prin modificarea texturii plane(care este caracteristicå stårii colesterice) într-o texturå conic-focalå puternicdispersivå sub acÆiunea directå a câmpului electric aplicat. Dupå deconectareacâmpului electric de excitaÆie, revenirea la starea molecularå iniÆialå se facetreptat, în timp de minute, ore, zile, luni în funcÆie de concentraÆia de substanÆåcolestericå folositå între 1% çi 10%.

Fig. 4.21 Producerea culorii prin interacÆiunea dintre moleculele dicroiceçi cele de cristal lichid


Pentru accelerarea procesului de revenire se poate folosi o tensiune alternativåcu amplitudine de 50-100 V, a cårei frecvenÆå trebuie så fie mai mare decât frecvenÆade tåiere fc, de regulå peste 700 Hz, cu care se poate modifica sau transformatextura conic-focalå (neordonatå) în câteva milisecunde. Este deci posibilå realizareade memorii optice cu comandå electronicå, la care înscrierea se face cu tensiuneelectricå continuå çi çtergerea cu tensiune electricå alternativå cu f > fc.

Dacå proporÆia de lichid colesteric creçte peste 10% pânå la70% iar 0>ε∆ , seobÆine o aranjare molecularå stabilå cu texturå conic-focalå. În prezenÆa câmpuluielectric alternativ textura conic-focalå obÆinutå se transformå într-o texturåhomeotropå care este transparentå pentru luminå, de unde çi denumirea de efectelectrooptic de transparenÆå. Timpii de conectare sau comutare directå, suntdependenÆi de grosimea stratului subÆire de cristal lichid, de gradul de anizotropiedielectricå çi de raportul de amestecare lichid nematic, lichid colesteric, avândvalori sub 10 ms, iar tensiunile alternative sunt în domeniul 30-100V.

Pe baza acestui efect se pot realiza comutatoare electro-optice.

4.5.4 Dispozitive optoelectronice cu cristale lichidePentru dispozitivele optoelectronice cu cristale lichide clasificarea se poate facedupå urmåtoarele criterii:

a) dupå timpul çi natura substanÆei mezomorfe utilizate;b) dupå mecanismul fizic de interacÆiune a substanÆei mezomorfe cu

câmpul electric çi efectul electro-optic corespunzåtor;c) dupå modul de lucru sau funcÆionare.

Modul de funcÆionare al dispozitivelor optoelectronice cu cristale lichidetermotrope trebuie luat în consideraÆie atât din punctul de vedere al mecanismuluifizic de interacÆiune cu câmpul electric specific fiecårei substanÆe mezomorfe,cât çi din cel a configuraÆiei geometrice adoptate pentru un anumit scop. Pentrumecanismul fizic de interacÆiune un rol important îl are gradul de puritate saudopare controlatå cu impuritåÆi, ce are efect în modificarea rezistivitåÆii çi înanizotropia dielectricå iniÆialå. Prin configuraÆia geometricå a dispozitivelorsuntem obligaÆi la un mod de lucru fie prin transmisie, fie prin reflexie, excepÆiefåcând efectele de culoare pentru care este nevoie de un mod de lucru prinreflexie sau absorbÆie.

4.5.4.1 Caracteristici funcÆionaleExistå mai multe moduri de lucru ce pot fi utilizate pentru exploatarea în condiÆiioptime a dispozitivelor cu cristale lichide termotrope care funcÆioneazå pe bazaefectelor descrise pânå acum.

PerformanÆele electrice ale dispozitivelor optoelectronice cu cristale lichide,în special puterea consumatå de ele, sunt puternic influenÆate de distanÆa dintreelectrozi, de rezistivitatea electricå a substanÆelor mezomorfe utilizate, detensiunea çi frecvenÆa de lucru, de temperatura ambiantå precum çi deconfiguraÆia geometricå.


La aplicarea excitaÆiei electrice, comportamentul electro-optic tranzitoriu çipermanent este specific fiecårui tip de dispozitiv çi poate fi influenÆat de directde factori climatici dar çi fizici.

Caracteristicile de råspuns electro-opticeRåspunsul tranzitoriu aldispozitivelor optoelectro-nice cu cristale lichide termo-trope, la excitaÆiile electricesub formå de impulsuridreptunghiulare cu duratå çifrecvenÆa bine determinatese poate aprecia din carac-teristica tipicå de contrast,figura 4.22, reprezentatå înfuncÆie de timp, atât la conec-tarea câmpului electric cât çila deconectarea acestuia.

SemnificaÆia timpilor fiind:

timpul de întârziere la conectare tic, delimitat între t0 çi t1 în care contrastulatinge nivelul de 10%;

timpul de conectare tc, delimitat între t1 çi t2, în care contrastul atinge 90%; timpul de întârziere la deconectare tid delimitat între t3 çi t4 în care nivelul

contrastului scade la 90%; timpul de deconectare td delimitat de intervalul t4 çi t5 în care nivelul

contrastului atinge valoarea de 10%.

Între timpii de råspuns, definiÆi mai sus, se pot stabili relaÆii de tipul:

tic + tc = ttc – timpul total de conectare (4.16)tid + td = ttd – timpul total de deconectare (4.17)

Valorile timpilor de råspuns depind sensibil atât de temperatura ambiantå çide tensiunea aplicatå cât çi de grosimea stratului de cristal lichid nematic.

ContrastulPentru evaluarea performanÆelor care se pot atinge la dispozitivele optoelectronicecare funcÆioneazå pe baza efectului de împråçtiere dinamicå a luminii ambiante,se folosesc parametrii fizici de control, atât atenuarea intensitåÆii luminii transmiseIt cât çi contrastul obÆinut prin intermediul intensitåÆii luminii împråçtiate Id, înfuncÆie de tensiunea electricå de excitaÆie, continuå sau alternativå, de frecvenÆåfixå sau variabilå. Se defineçte atenuarea intensitåÆii luminii transmise:

( )UII

At

i= (4.18)

çi contrastul:

Fig. 4.22 VariaÆia tipicå a contrastului în funcÆie de timp


( )( )0IUI

Kd

dd = . (4.19)

Aceçti parametrii sunt puternic influenÆaÆi de unghiul de observare cât çi degrosimea stratului activ de cristal lichid nematic.

Tensiunea de pragÎn ceea ce priveçte valoarea tensiunilor de prag pentru anumite efecte electro-opticeau fost stabilite douå regimuri de lucru posibile pentru substanÆele mezomorfeîn care se pot produce instabilitåÆi electrohidrodinamice, condiÆionate în principalde rezistivitatea electricå a materialelor utilizate.

La tensiuni çi frecvenÆe mici se stabileçte un regim de conducÆie cåruia îicorespunde o texturå de domenii moleculare de tip Williams. La tensiuni çifrecvenÆe mari se obÆine regimul dielectric cåruia, din punct de vedere optic îicorespunde o texturå de domenii moleculare de tip „striaÆii paralele“.

FrecvenÆa limitå de lucruFrecvenÆa limitå de funcÆionare pentru dispozitivele optoelectronice cu cristalelichide termotrope este cunoscutå ca „frecvenÆå de tåiere“.

Pentru minimizarea energiei capacitive, adicå a pierderilor asociate la conec-tarea tensiunii electrice de excitaÆie çi pentru mårirea duratei de viatå çi a sigu-ranÆei de funcÆionare, se recomandå ca tensiunile de comandå så aibå frecvenÆecuprinse între 30 çi 60 Hz.

Transmisia opticåUnui anumit dispozitiv optoelectronic cu cristale lichide trebuie så i se stabileascåcondiÆiile concrete de lucru: sursa de luminå cu o lungime de undå convenabilå,unghiul de incidenÆå corespunzåtor, amplitudinea çi frecvenÆa semnalului electricde excitaÆie.

Durata de viaÆåPentru evaluarea cât mai realå a duratei de viaÆå çi a siguranÆei de funcÆionare serecurge atât la aprecieri calitative asupra aspectului general cât çi la examinåricantitative privind variaÆiile timpilor de råspuns a temperaturii de tranziÆie çi aputerii disipate.

Excitarea în curent continuu limiteazå buna funcÆionare la 1000-2000 de ore întimp ce la cele în curent alternativ ea poate depåçi 50000 de ore. Una din cauzeleprincipale ale abaterilor de la valorile nominale o constituie interacÆiunea chimicådintre suprafaÆa plåcii suport çi stratul de cristal lichid, care poate fi sensibilinfluenÆatå de variaÆiile în timp ale curentului prin dispozitivul optoelectronic, caurmare a unor procese electrochimice ireversibile în curent continuu.

Alte cauze ale defecÆiunilor pot fi nerespectarea tehnologiei de fabricaÆie sauermetizarea care nu este fåcutå corect.

Modificårile chimice ale cristalelor lichide cristalelor lichide termotropeutilizate pot fi produse prin urmåtoarele procese: hidrolizå, fotolizå çi electrolizå.


4.5.4.2 Tehnologia de fabricaÆieRealizarea tehnologicå a dispozitivelor optoelectronice cu cristale lichidepresupune ståpânirea în bune condiÆii a mai multor procedee de lucru cum ar fi:

depunerea pe straturi conductoare transparente çi reflexive; tehnica serigraficå çi a fotogravurii; obÆinerea substanÆelor mezomorfe cu dopare controlatå çi de înaltå puritate; asamblarea, umplerea çi ermetizarea dispozitivelor finale.

Principalele tehnologii deja elaborate au fost adaptate la urmåtoarele operaÆii:

pregåtirea çi prelucrarea mecanicå a plåcilor izolante cu rol de suporturiportante;

depunerea electrozilor conductori çi transparenÆi sau reflexivi; mascarea, protejarea, încapsularea çi ermetizarea structurii finale obÆinute.

CerinÆele care se pot formula în legåturå cu cristalele lichide termotrope,utilizate pentru fabricarea dispozitivelor optoelectronice sunt:

punct de topire scåzut; intervalul stårii de mezofazå mare; stabilitate ridicatå a structurii chimice în timp; sensibilitate ridicatå la anumiÆi factori de influenÆå; så fie incolore çi transparente în straturi subÆiri; prepararea çi purificarea så se facå uçor çi în condiÆii tehnologice reproductibile; preÆul de cost så fie scåzut.

4.5.5. AplicaÆii ale dispozitivelor optoelectronice cu cristale lichideO arie largå de råspândire o au aplicaÆiile dispozitivelor optoelectronice bazate înprincipiu pe împråçtierea dinamicå a luminii ambiante în stratul de cristal lichidnematic çi pe schimbarea culorilor la cristalele lichide (în special cele colesterice).

Dispozitive optoelectronice de afiçare cu cristale lichideFuncÆia de traductor a dispozitivelor optoelectronice de afiçare, este legatå detransformarea semnalelor electrice în semnale luminoase (la dispozitiveleoptoelectronice active-cu generare de luminå) sau de modularea luminii ambiante(la dispozitive optoelectronice pasive – care nu genereazå lumina).

Caracteristica principalå, care se ia în considerare la aprecierea calitativå a dispo-zitivelor optoelectronice este datå de contrastul imaginii obÆinute çi implicit de posibili-tatea de a distinge informaÆia de la diferite distanÆe çi din diferite unghiuri de obser-vare. Pentru dispozitivele optoelectronice active de afiçare, existå dezavantajul cå lise micçoreazå contrastul pe måsurå ce intensitatea luminii ambiante creçte. Pentrucele pasive, contrastul nu variazå cu intensitatea luminoaså din încåperea de lucru.

De asemenea se ia în considerare stabilitatea çi durata de funcÆionare,dimensiuni posibile, domeniul de temperaturå în care pot funcÆiona, timpul deråspuns, posibilitatea de memorare a informaÆiei afiçate fårå alte circuite auxiliareçi posibilitatea de afiçare în diferite culori.


Dispozitive optoelectronice de afiçare alfanumericåDispozitivele optoelectronice de afiçare prin transmisie sunt realizate din douåplåci de sticlå, cu rol de suporÆi, pe care se depun electrozi peliculari transparenÆi,ce delimiteazå un strat subÆire de cristal lichid nematic cu grosimea cuprinsåîntre 6-25 µm. Placa suport frontalå are electrozi sub formå de 7 sau 16 segmentecu terminale individuale amplasate la unul sau ambele capete ale plåcuÆeirespective. Placa suport posterioarå are un singur electrod comun al cårui conturcorespunde cu figura formatå de cele 7 sau 16 segmente.

Terminalul acestui electrod urmeazå un traseu care trebuie så nu se suprapunåpeste celelalte terminale. Pentru ca toate terminalele så fie amplasate pe aceeaçiplacå suport, de exemplu pe cea frontalå, se foloseçte un fir metalic fin care facelegåtura între electrodul comun çi o bandå conductivå transparentå dispuså peplaca frontalå. DistanÆa dinte plåci este menÆinutå constantå cu ajutorul uneifolii de poliester plasate în afara conturului descris de segmente. Una din plåcilesuport este prevåzutå cu douå orificii sau douå çanÆuri de umplere, care se închiddupå introducerea substanÆei mezomorfe respective. Legåtura mecanicå dintreplåcile–suport çi etançeizarea dispozitivului optoelectronic realizat se pot faceprin lipire cu råçini epoxidice sau prin sudare cu sticlå, cu un punct de topire maicoborât decât cel al sticlei din care sunt confecÆionate plåcile-suport.

Varianta care funcÆioneazå prin reflexie, se deosebeçte de cea prin transmisie prinaceea cå electrozii care formeazå segmentele sunt transparenÆi, în timp ce electrodulcomun este format de o depunere metalizatå care reflectå lumina. Acest sistem sefoloseçte la ceasurile de mânå cu afiçaj digital çi la calculatoarele electronice de buzunar.

Unul din cele mai simple moduri de aforma numere de la 0 la 9 este aranja-mentul cu 7 segmente, figura 4.23 a)fiecare segment putând fi el însuçi formatdin mai multe elemente. Caractere multmai complexe pot fi afiçate cu o matricede 7x5 elemente, figura 4.23 b).

Valve de luminåS-a aråtat cå, sub acÆiunea câmpului elec-tric, un strat de cristal lichid nematic, pla-sat între doi electrozi, disperseazå puter-nic lumina polarizatå. Pentru ca efectulde valvå de luminå, un comutator optic,så aibå un factor de contrast mare se utilizeazå dispozitive cu efect de câmp, adicåcele care folosesc deformarea electro-elasticå a texturii homeotrope. În absenÆacâmpului electric, lumina polarizatå liniar trece aproape integral. Dupå aplicareacâmpului electric, planul de polarizare este rotit cu 90°, astfel încât prin acelaçi dis-pozitiv lumina nu mai poate trece. Raportul de contrast poate ajunge pânå la 500:1.

Efectul se poate aplica pentru diafragme de luminå în cazurile în care estenevoie de timpi scurÆi, fotografie ultrarapidå sau protejarea tuburilor vidicon încazul apariÆiei bruçte a unor surse luminoase puternice.

Fig. 4.23 a) afiçor cu 7 segmente;b) matrice 7x5


Un alt domeniu este cel al ochelarilor de protecÆie împotriva fluxurilorluminoase puternice cu intensitate variabilå în timp.

Proiectoare de imaginiO aplicaÆie importantå este proiectarea pe ecrane de diferite mårimi, a imaginilorstatice sau în miçcare, prin folosirea metodei de baleiere cu un fascicul de electroni,sau cu un fascicul luminos, care se poate completa cu amplificarea luminii (o ima-gine cu intensitate opticå reduså este transformatå într-o imagine mai luminoaså,folosindu-se o surså puternicå de luminå) çi cu memorarea imaginilor obÆinute.

Majoritatea sistemelor care utilizeazå fasciculul luminos au la bazå un dispozitivoptoelectronic realizat cu un strat subÆire de cristal lichid nematic çi un stratfotoconductor, ambele amplasate între douå plåci de sticlå cu electrozi transparenÆi.La întuneric, stratul fotoconductor are o rezistenÆå electricå mult mai mare decâtcea a stratului de cristal lichid nematic. Dacå înså pe stratul fotoconductor seproiecteazå o imagine, porÆiunile iluminate prezintå o conductivitate convenabilde mare, astfel încât, tensiunea electricå aplicatå între electrozii conductoritransparenÆi se regåseçte pe stratul de cristal lichid, ceea ce face ca lumina provenitåde la o altå surså så fie dispersatå sau împråçtiatå dinamic. Dacå se foloseçte camaterial fotoconductor sulfura de zinc, care are o sensibilitate mare la radiaÆiiultraviolete, se poate realiza çi un convertor de imagini din ultraviolet în vizibil. Înfigura 4.24 este prezentatå o structurå care funcÆioneazå prin reflexie çi care poatefolosi surse luminoase cu aceeaçi compoziÆie spectralå, atât pentru activareastratului fotoconductor cât çi pentru proiecÆie.

Fig. 4.24 Sistem de proiecÆie a imaginilor


Avantajele unui amplificator de imagine cu dispozitive optoelectronice cucristale lichide sunt:

construcÆie simplå; duratå mare de funcÆionare; imagine cu strålucire mare; circuite electronice simple de comandå; preÆ de cost scåzut.

Memorii opticeEfectul electro-optic de memorie este prezent la mixturile realizate pe bazå decristale lichide nematice çi colesterice. Efectul poate fi aplicat la dispozitivelepentru afiçarea informaÆiei sau la proiectoarele de imagini. Pentru memoriileoptice amestecul este format din circa 90% cristal lichid nematic çi 10% cristallichid colesteric. Când amestecul nematic-colesteric, este plasat într-un câmpelectric continuu sau alternativ de joaså frecvenÆå, el devine translucid çidisperseazå puternic lumina care îl parcurge. Starea aceasta se påstreazå chiardacå nu se mai aplicå tensiunea electricå între cei doi electrozi; dispozitivulredevine transparent doar dacå este plasat din nou într-un câmp electricalternativ cu frecvenÆa de cel puÆin 4-5 kHz çi intensitatea ceva mai mare decâtcea care a provocat fenomenul electro-optic util (împråçtierea dinamicå a luminiiambiante).

O altå posibilitate de memorare a imagini este oferitå de cristalele lichidecolesterice çi smectice. Înscrierea informaÆiilor sau a imaginilor se poate face cuo luminå laser în spectrul infraroçu.

În figura 4.25 a) este prezentat un dispozitiv optoelectronic de memorare opticåformat din douå plåci de sticlå pe care s-au depus electrozi transparenÆi din oxid destaniu çi indiu çi între care se aflå un strat de cristal lichid smectic cu grosimea decirca 10 µm. Când electrozii sunt conectaÆi la o surså de tensiune continuå saualternativå de câteva zeci de volÆi, aspectul cristalului nu se modificå. Dacå pe placåse proiecteazå un fascicul laser în spectrul infraroçu, electrozii din oxid de staniu çide indiu absorb puternic aceastå radiaÆie, încålzindu-se în punctul de impact cu

Fig. 4.25 Dispozitiv optoelectronic de memorare opticå


fascicolul laser care determinå trecerea cristalului lichid smectic din starea anizotropåîn starea izotropå, figura 4.25 b). Dupå råcire, în câteva zeci de milisecunde, peporÆiunea respectivå se produce dispersia razelor de luminå care o traverseazå, figura4.25 c) chiar dacå acum sursa de tensiune este deconectatå. Çtergerea se poate facefie printr-o nouå încålzire localå sau generalå peste limita superioarå de temperaturåa mezofazei fårå aplicarea unei tensiuni pe electrozi, fie cu o tensiune alternativå decirca 50 V çi frecvenÆa de câÆiva KHz aplicatå pe electrozi, fårå a mai fi necesaråîncålzirea. Înregistrarea çi çtergerea se pot face de un numår nelimitat de ori.

Filtre opticeRedarea opticå a informaÆiilor se poate face în condiÆii mult mai bune dacå înloc de o singurå culoare se foloseçte o combinaÆie de douå sau mai multe culoricomandate pe cale electronicå.

În figura 4.26 este reprezentatå structura unui dispozitiv bicolor.

Fig. 4.26 Filtru optic

El se compune dintr-un filtru colorat F, un polarizor optic P, un dispozitivoptoelectronic obiçnuit cu cristal lichid nematic având o texturå molecularåhomeotropå CL, o folie de plastic birefringentå B, un analizor A, çi un difuzor deluminå M. Folia de plastic birefringentå are proprietatea de a refracta luminapolarizatå diferit, în funcÆie de direcÆia de polarizare. Dispozitivul optoelectronicCL, plasat între cei doi polarizori optic încruciçaÆi, P çi A, va låsa så treacå doar oanumitå culoare în funcÆie de poziÆia axelor optice principale faÆå de planul depolarizare a luminii. Lumina albå provenitå de la sursa S, trece prin filtrul de culoareF, este polarizatå de polarizorul optic P, apoi traverseazå nemodificatå dispozitivulCL, care nu este sub tensiune çi îçi modificå culoarea dupå parcurgerea foliei deplastic birefringente. Dacå se aplicå tensiunea electricå pe stratul subÆire de cristallichid, acesta depolarizeazå lumina incidentå, anulând efectul pe care l-ar avea foliade plastic birefringentå. În final, apare culoarea determinatå de filtrul F. Difuzoruloptic M are rolul de a måri unghiul de observaÆie. Pentru o tensiune electricå aplicatåpe CL de ordinul 10-20 V, timpul de comutare directå este de ordinul 1-10 ms, iar celde comutare inverså între 20-100 ms. Puterea consumatå este sub 100 µW / cm2.

Pentru afiçarea unor simboluri este nevoie fie de o mascå fie de un dispozitivcare så lucreze prin transmisie.


Capitolul 5 DiodDiodDiodDiodDiode ee ee ee ee elllllectrectrectrectrectroluminoluminoluminoluminoluminescescescescescenenenenentetetetete

În paragraful 4.4 din capitolul anterior s-a tratat problema electroluminescenÆeiclasice. În acest capitol se va prezenta mecanismul prin care se transformåenergia electricå în energie a radiaÆiei luminoase în joncÆiuni sau heterojoncÆiuni,p-n polarizate direct, referindu-ne aici la dispozitivele optoelectronice numitediode electroluminescente. O heterojoncÆiune tipicå se obÆine prin alåturareaa douå semiconductoare cu benzi energetice interzise diferite. FormareaheterojoncÆiunii duce la egalarea nivelelor Fermi în cele douå materiale çi estefavorizatå injecÆia de purtåtori în joncÆiune.

În 1923 pentru prima oarå, cercetåtorul rus O.W. Lossev, a observat emisia deluminå a unei joncÆiuni p-n (carbura de siliciu). K. Lehovec, cercetåtor ceh, çicolaboratorii, au dat explicaÆia fenomenului în anii 1951-1952, punându-se bazaexplicårii modului de funcÆionare a ceea ce numim aståzi dioda electrolu-minescentå sau LED — ul, acronimul de la “Light Emitting Diode”. Cercetårileulterioare au gåsit noi materiale (ca de ex. arseniurå de galiu) pentru a obÆineniveluri relativ mari de energie luminoaså.

Procesele de emisie a radiaÆiei electromagnetice sunt favorizate dacå se creeazåståri de neechilibru în care concentraÆia purtåtorilor de sarcinå minoritari så fiemult mai mare decât concentraÆia lor la echilibru.

Cazul diodei laser va fi prezentat într-un capitol separat.

5.1 InjecÆia çi recombinarea purtåtorilor de sarcinåÎn joncÆiunea p-n, polarizatådirect, figura 5.1, bariera depotenÆial din regiunea de sarcinåspaÆialå se micçoreazå çi purtå-torii de sarcinå majoritari (elec-troni, e– din regiunea n, golurile,p+ din p) pot trece uçor în regiu-nile adiacente devenind purtåtoride sarcinå minoritari de neechilibru.

Fenomenul poartå numele de injecÆie electricå de purtåtori de sarcinå.Procesele fizice care însoÆesc injecÆia sunt identice atât pentru goluri cât çi

pentru electroni, e .

Fig. 5.1 JoncÆiune p-n polarizatå direct

5656565656 Capitolul 5 Diode electroluminescente

Aplicarea tensiunii directe pe joncÆiunea sau heterojoncÆiunea p-n, duce la mic-çorarea barierei de potenÆial çi la creçterea exponenÆialå a concentraÆiei purtåtorilorminoritari. Purtåtorii injectaÆi vor participa la douå mecanisme de recombinareconcurente: radiantå cu emisia fotonilor çi neradiantå cu emisia fononilor, energiadisipându-se sub formå termicå. Recombinarea neradiantå este cea preponderentå.

În cazul recombinårii radiante, principalele mecanisme sunt:

a) recombinåri bandå-bandå (energia emiså fiind de ordinul lårgimii benziiinterzise). Fenomenul apare în semiconductorii cu benzi energetice directe,GaAs, InP, GaSb, AlGaAs, GaAsP.

b) recombinåri pe centre de recombinare ale impuritåÆilor izoelectronice (energiaemiså fiind aproximativ, Eg – Ei, unde Ei este energia de ionizare a impuritåÆii)când fenomenul apare la semiconductorii cu structurå de benzi indirecte,GaP sau GaAsxP1+x (pentru x>0.5) .

PreponderenÆa mecanismelor de recombinare este condiÆionatå de factori ca,temperatura, concentraÆia purtåtorilor injectaÆi, concentraÆia impuritåÆilor dinsemiconductor, prezenÆa diverselor imperfecÆiuni.

În diodele electroluminescente çi în cele laser, procesele fizice fundamentalesunt injecÆia de purtåtori minoritari çi recombinarea lor radiantå. La curenÆimici, joncÆiunea se comportå ca o surså spontanå de radiaÆie necoerentå, pesteun curent numit de prag, apare emisia stimulatå.

Diodele electroluminescente se pot realiza din orice material semiconductorîn care reconbinarea radiantå permite emisia radiaÆiei.

În tabelul 5.1 sunt prezentate valorile benzii interzise çi lungimea de undå aradiaÆiei emise pentru unele materiale folosite în electronica corpului solid:

Tabelul 5.1

Materiale LåÆimea benzii Lungimea de undåInterzise a radiaÆiei emiseEG[eV] λλλλλ[nm]

CdS 2,4 516

GaP 2,2 560

GaAs60P40 1,9 650

CdSe 1,7 730

GaAs 1,4 900

Si 1,1 1140

Ge 0,7 1880

PbS 0,37 3350

PbTe 0,29 4275

PbSe 0,26 4770

EficienÆa cuanticå a diodelor luminescente 5757575757

Materialele cu lungimile de undå în afara spectrului vizibil (sau) çi chiar alcelui optic nu s-au dovedit utile în optoelectronicå.

În tabelul 5.2 date sunt principalele caracteristici ale materialelor electrolu-miniscente folosite în fabricarea LED-urilor: lårgimea benzii interzise Eg, lungimeade undå dominantå λ0, låÆimea de bandå a luminii emise ∆λ, culoarea emiså çitipul tranziÆiei în semiconductori.

Tabelul 5.2.

Eg[eV] λλλλλ0[nm] ∆λ∆λ∆λ∆λ∆λ[nm] Culoare Tip tranziÆie

GaAs 1,4 900 IR Directå

GaAsP 1,9 650 Roçu Directå610 640...700 galben

GaP 2,2 690 630...790 Roçu Indirectå560 520...570 Verde

GaAlAs >2 670 650...700 Roçu Indirectå

AlGaAs >2 840 838...844 IR Indirectå

5.2 EficienÆa cuanticå a diodelor luminescenteÎn procesele de recombinare, radiaÆia care rezutå se propagå în toate direcÆiileiar o micå parte se propagå în exterior prin suprafaÆa frontalå (perpendicular peplanul joncÆiunii) sau lateralå (paralel pe planul joncÆiunii).

EficienÆa cuanticå externå, ηext, a unei diode luminescente reprezintånumårul de fotoni rezultaÆi în procesul de recombinare raportat la numårul depurtåtori injectaÆi çi este datå de:

ogiext η⋅η⋅η=η (5.1)unde

ηi este eficienÆa injecÆiei purtåtorilor çi exprimå cât din curentul injectatprin diodå contribuie la emisia fotonilor;

ηg este eficienÆa generårii radiaÆiei în cristal çi exprimå cât din radiaÆiaemiså poate fi generatå în semiconductor;

ηo este eficienÆa opticå sau eficienÆa extracÆiei radiaÆiei, care aratå câtdin numårul de fotoni rezultaÆi din procesul de recombinare vor putea fiextraçi în afara joncÆiunii.

Produsul intgi η=η⋅η se numeçte eficienÆå cuanticå internå.De cele mai multe ori eficienÆa cuanticå externå este mult mai micå decât cea

internå, ea fiind puternic influenÆatå atât de curentul direct cât çi de temperaturå.EficienÆa opticå este limitatå de fenomene cum ar fi:

autoabsorbÆia; pierderi prin reflexie normalå, Fresnel; pierderi prin reflexie totalå.


5.3 Caracteristicile de bazå ale diodelor electroluminescente5.3.1 Caracteristica curent –tensiunePentru dioda electroluminescentå caracteristica, curent-tensiune are douåcomponente una datoratå difuziei purtåtorilor çi alta datoratå generårii-recom-binårii în regiunea de sarcinå spaÆialå. Pentru cazurile de interes practic curentulde difuzie este componenta principalå acurentului direct produs prin injecÆiapurtåtorilor minoritari.

Componenta datoratå recombinårii înregiunea de sarcinå spaÆialå contribuiela procesele de recombinare neradiantå.

Rezultatele experimentale sunt repre-zentate prin formula empiricå:

γ=

kTqV

expII SF (5.2)

în care coeficientul γ = 1 când curentulde difuzie este predominant çi γ = 2 cândcurentul de recombinare este predomi-nant. În figura 5.2 este prezentatå carac-teristica curent-tensiune a unei diodeelectroluminescente.

5.3.2 Caracteristica spectralåReprezintå distribuÆia spectralå a

intensitåÆii emisiei (luminoase sauradiante) diodelor luminescente. Prinintermediul acestei caracteristici se punîn evidenÆå lungimea de undå domi-nantå, maximå, çi lårgimea de bandå.

LED-urile emit radiaÆie luminoasåîntr-un spectru de lungimi de undå înjurul unei valori centrale λmax (figura5.3). LåÆimea benzii spectrale ∆λ aLED-urilor este de ordinul zecilor de nm(tipic 5% din lungimea de undå cen-tralå, λmax), ceea ce este un dezavantaj în unele aplicaÆii, de exemplu în comu-nicaÆiile optice.

5.3.3 Caracteristica de directivitateCaracteristica de directivitate a LED-ului indicå, variaÆia intensitåÆii de emisie aradiaÆiei în funcÆie de devierea unghiularå de la axa opticå, adicå graficul dependenÆeistrålucirii B în funcÆie de unghiul θ faÆå de axul optic al LED-ului, figura 5.4.

Fig. 5.2 Caracteristica LED-ului

Fig. 5.3 DistribuÆia spectralå a LED-ului

AplicaÆii pentru diodele electroluminescente 5959595959

Strålucirea B a LEDului este o mårime ce caracterizeazå intensitatea radiaÆieiemise de LED çi se defineçte, în mod asemånåtor intensitåÆii luminoase a uneisurse punctiforme, ca fiind fluxul luminos emis de LED în unitatea de unghi solid:

ΩΦ=

srW

,B . (5.3)

Caracteristica de directivitate se exprimå atât în coordonate polare cât çi liniare.Unghiul de radiaÆie al LED-ului se defineçte ca fiind unghiul la care strålucireascade la jumåtate din valoarea maximå (scade cu 3 dB). Forma caracteristicii dedirectivitate mai este influenÆatå de forma capsulei precum çi de materialul dincare este ea fåcutå.

Capsula LED-ului este fabricatå din råçinå epoxidicå. Capsula sfericå permiteobÆinerea unei caracteristici de directivitate alungite de-a lungul axului optic,utilå în aplicaÆii care necesitå o surså de luminå concentratå. Prin introducereaunui material difuzant (particule de colorant cu diametrul mai mic de 10 µmcare difuzeazå razele de luminå emise de chipul electroluminiscent) se obÆinLED-uri cu unghiuri de radiaÆie mari (mai mari de 300) care sunt folosite înaplicaÆiile de semnalizare luminoaså, afiçajele cu LED-uri etc.

Caracteristica strålucirii B în funcÆie de curentul direct IF este una liniarå pânåla o anumitå valoare dupå care apare o saturare a ei. SaturaÆia depinde de tipulLED-ului çi este datå în catalogul fabricantului, împreunå cu valoarea curentuluinominal. Acesta corespunde valorii pentru care strålucirea este maximå.

Timpul de viaÆå pentru al diodelor electroluminescente este foarte mare. Eleste afectat de curentul nominal IF, çi anume, scade odatå cu creçterea acestuia.

5.4 AplicaÆii pentru diodele electroluminescenteDiodele electroluminescente au un domeniu foarte larg de aplicaÆii, de la cele încare sunt folosite în semnalizare çi sesizare luminoaså pânå utilizarea lor încomunicaÆiile optice.

În schemele electronice simbolul diodeielectroluminiscente poate fi unul din figura5.5. Terminalele unui LED se numesc anod(A) çi catod (K). Ele sunt reprezentate înfigura 5.5. Picioruçul mai scurt este catodul.

Fig. 5.4 DependenÆa strålucirii de unghiul θ

Fig. 5.5 Simboluri grafice pentru LED-uri


Structura fotoemisivå a unei diode electroluminescente are dimensiuni reduse( 2mm5,0x5,0≈ ) çi în multe situaÆii se procedeazå la mårirea pe cale opticå adimensiunii aparente a acestei surse. Capsula unui LED trebuie så îndeplineascåpe lângå funcÆiile de protecÆie faÆå de acÆiunea mediului, fixare mecanicå,conectare electricå çi o serie de funcÆii optice, trebuie så asigure:

ieçirea luminii într-o cantitate cât mai mare, cu o distribuÆie spaÆialå convena-bilå. Plasarea cipului aproape de focarul lentilei convergente formate decapsulå conduce la o caracteristicå unghiularå de emisie îngustå. O uçoarådefocalizare çi adåugarea unui material difuzant în compoziÆia plasticuluiconduc la mårirea curbei caracteristice de emisie, chiar dacå strålucireaare o micå scådere;

så producå un contrast satisfåcåtor între stårile „aprins“ çi „stins“. Se defi-neçte raportul de contrast, CR, al unui LED ca fiind raportul între strålucireaLED-ului çi strålucirea fondului datoritå luminii ambiante. Raportul poatelua valori în intervalul (1, ∞). Valoarea tipicå CR=10 este minimå pentruun LED. O metodå de mårire a raportului de contrast este colorarea capsuleiîn culoarea luminii emise de dispozitiv, materialul capsulei fiind astfel unfiltru optic.

Capsulele din plastic ale LED-urilor trebuie så fie ferite de zgârieturi, çi dedizolvare prin contact cu acetona, tetraclorura de carbon, tricloeetilena. Pentruspålare se foloseçte apa cu detergent urmatå de clåtire cu apå.

Lipirea în montaj a terminalelor LED-ului trebuie fåcutå astfel încât så nudegradeze capsula sau dispozitivul prin încålzire excesivå.

Alimentarea LED-urilor în curent continuu se face dupå schema din figura 5.6 .

Fig. 5.6 Semnalizare cu: a) comutator, b) tranzistor


Dacå pentru curentul nominal IF prin LED avem valori în intervalul (1...20 mA),iar VF = 1,2...3,5 V atunci se poate calcula valoarea rezistenÆei R:

pentru montajul din figura 5.6 a) F

FCC

IVV

R−= ;

pentru montajul din figura 5.6 b) nom

sat

F

CEFCC

I

VVVR

−−= .

Alimentarea în curent alternativ se face conectând o diodå redresoareantiparalel cu LED-ul, precauÆie necesarå datoritå tensiunii inverse mici (3-5 V)de stråpungere a diodei electroluminescente.

Pentru semnalizarea a trei ståri cu un singur dispozitiv, se monteazå într-osingurå capsulå douå structuri LED, de culori diferite.

O grupare de 10 LED-uri încapsulate în linie çi prezentând un numår identic desectoare luminoase constituie un „dispozitiv de afiçare cu barete“ cu aplicaÆii laindicatoare de nivel a unui semnal electric, pentru temperaturå, poziÆie, nivel delichid, etc. Existå circuite integrate speciale pentru comanda afiçajelor cu barete.

AplicaÆiile cele mai råspândite pentru LED-uri sunt cele legate de afiçareanumericå cu çapte segmente. Dispozitivul pentru afiçarea unei cifre numit „digit“are aspectul din figura 5.7 a). Într-o carcaså paralelipipedicåprevåzutå cuterminale „dual in line“ sunt montate LED-urile care configureazå cifra 8.

Oricare ar fi variantele de încapsulare a LED-urilor, se aprind acele segmentecare dau cifra doritå.

Pentru afiçarea literelor sau a altor simboluri se folosesc matrici cu 5x7 puncte,figura 5.7 b), sau afiçaje cu 16 segmente sau cu 22 segmente.

Afiçajul cu matrice de 5x7 puncte, alfanumeric, necesitå electronicå specializatåcu circuite de memorie, circuite de multiplexare, generator de caractere çi drivereîncorporate într-o singurå capsulå.

Fig. 5.7 a) afiçare cu 7 segmente, b) afiçare matricialå


În figura 5.8 este prezentatå diagrama bloc a unui circuit de afiçare pentru omatrice 5x7. Unitatea constå dintr-o matrice de 35 de LED-uri aranjate într-unçablon 5x7 çi un singur circuit integrat CMOS. Circuitul integrat CMOS conÆinedrivere de coloanå, drivere de linie, o memorie ROM generatoare de 96 decaractere, circuite de multiplexare çi circuite de suprimare.

Fig. 5.8 Schema bloc a unui circuit inteligent de afiçare

În sistemul de afiçaj cu matrice de puncte, este avantajos a se folosi un modulde multiplexare cu 12 drivere (5 cifre plus 7 segmente), în locul celor 35 dedrivere pentru fiecare segment. Aceasta reduce numårul de drivere çiinterconectåri necesare. Sistemul multiplexat trebuie så fie un sistem sincron,altfel cifrele çi elementele ar fi diferite ca luminozitate în timp.

Multiplexarea este internå, iar intrarea de date este asincronå. Încårcareadatelor este similarå cu scrierea într-un RAM. Pentru un sistem cu mai mulÆidigiÆi, fiecare cifrå are propria çi unica sa locaÆie de adreså çi va afiça conÆinutulsåu pânå la înlocuirea cu un alt cod.

Afiçajul inteligent are capacitatea de a lumina pe trei nivele plus cea de stingerea afiçajului. Tabelul 5.3 prezintå combinaÆia dintre semnale BL0 çi BL1 pentrunivele diferite de luminozitate. Intrårile BL0 çi BL1 sunt independente de scriereçi CE (Chip Enable) çi nu afecteazå conÆinutul memoriei interne.


Tabelul 5.3 CominaÆia semnalelor BL0 çi BL1 pentru diferite nivele de luminozitate

Nivelul de luminozitate BL1 BL0

Stins 0 0

¼ din luminozitate 0 1

½ din luminozitate 1 0

Luminozitate maximå 1 1

Din multitudinea de aplicaÆii mai amintim:

cititoare de cartele sau benzi magnetice; tahometre optice (pentru controlul vitezei motoarelor); linii de asamblare (numerotare, orientare discriminatorie de sens); cititoare/scannere de coduri cu bare; sincronizare opto-mecanicå (sincronizarea momentului de pornire); senzori de poziÆionare a capetelor de imprimantå/plottere; izolare galvanicå la circuitele de înaltå tensiune; detectoare de fum; densimetre (pentru analize chimice); detectoare de proximitate (de muchie sau cu aperturå çi sistem de lentile

confocale); iluminat (LEDuri cu strålucire 25...30 lm), semafoare; panouri de afiçare de la cele mai mici dimensiuni, folosite în scop

publicitar, la cele gigantice (ecrane de proiecÆie) etc.


Capitolul 6 FFFFFoooootttttodododododeeeeetecttecttecttecttectoriioriioriioriiorii

6.1 ConsideraÆii generaleOrice dispozitiv care transformå semnalele luminoase din domeniul spectrului deradiaÆie opticå în semnale electrice se numeçte detector fotoelectronic sau maisimplu, fotodetector. Principiul de funcÆionare al fotodetectorilor constå în absorbÆiaradiaÆiei luminoase çi transformarea ei în alte forme de energie. Din acest punct devedere fotodetectorii se împart în douå grupe mari: fotodetectorii termici în careabsorbÆia radiaÆiei luminoase este însoÆitå de creçterea temperaturii sistemului reÆeacristalinå-electroni çi fotodetectori electronici (fotonici) în care absorbÆia radiaÆieioptice determinå excitarea electronilor pe nivele energetice superioare.

În detectorii termici, absorbÆia luminii ridicå temperatura dispozitivului iaraceasta modificå un parametru dependent de temperaturå (de exempluconductivitatea electricå). Ca o consecinÆå, ieçirea unui detector termic esteproporÆionalå cu cantitatea de energie absorbitå în unitatea de timp de detectoriar eficienÆa absorbÆiei este aceeaçi la toate lungimile de undå çi este independentåde lungimea de undå a luminii. Fotodetectorii termici nu sunt selectivi deoareceenergia absorbitå este transformatå în energie termicå.

În cazul detectorilor fotonici, procesul de absorbÆie rezultå direct dinevenimente cuantice specifice (ca de exemplu emisia fotoelectricå de la suprafaÆå),care este apoi „numårat“ de un sistem de detecÆie. Astfel ieçirea unui detectorfotonic este legatå de viteza de absorbÆie çi nu de energia lor. Toate proceselefotonice necesitå o anumitå cantitate de energie pentru a fi iniÆiate. Deoarece

energia unui foton esteλ

ν hchE == , detectorii fotonici au o lungime de undå de

prag mare çi aceasta este lungimea de undå maximå sub care ei nu funcÆioneazå.Detectorii fotonici care lucreazå în infraroçu, au energii comparabile cu energia

termicå medie ≈ kT a atomilor din detectorul însuçi. Un numår relativ mare deemisii de cuante pot fi generate mai degrabå de agitaÆia termicå, decât deabsorbÆia luminii çi va constitui astfel o surså de zgomot. Pentru a micçorazgomotul se reduce temperatura detectorului. De exemplu majoritateadetectorilor fotonici ce opereazå deasupra lungimii de undå de 3 µm, trebuie såfie råciÆi la temperatura azotului lichid (77 K) sau sub ea.

Dispozitive termice 6565656565

6.2 Dispozitive termicePentru a descrie comportarea unui detector termic, så consideråm modelul

din figura 6.1. RadiaÆia incidentå este absorbitå de senzorul termic cu capacitateacaloricå H. Acesta este conectat la detectorul termic, ce are temperatura constantåTS, printr-o legåturå termicå caracterizatå de conductanÆa termicå G. Dacå vitezade absorbÆie instantanee a cåldurii este W, atunci într-un interval de timp δt,cåldura absorbitå este tW δ⋅ . Fie temperatura senzorului Ts + ∆T, atunci cantitateade cåldurå pierdutå în acelaçi interval de timp este G⋅ ∆T ⋅ δt. DiferenÆa dintrecele douå cantitåÆi de cåldurå reprezintå, cantitatea de cåldurå necesarå så ridicetemperatura elementului. Deci:

( )THtTGtW ∆⋅=⋅∆⋅−⋅ δδδ (6.1)

dacå luåm la limitå δt → 0 obÆinem:

( )TG

dtTd

HW ∆+∆=

Fig. 6.1 Modelul unui detector termic

Så presupunem cå W are o dependenÆå de timp datå de )2cos(0 ftWWW f π+= ,unde fWW <0 astfel cå ∆T poate fi scriså ca )2cos(0 ff ftTTT φπ +∆+∆=∆ .Înlocuind aceste relaÆii, rezultå pentru ∆Tf:

( ) 2/1222f

fHf4G

WT

π+=∆ . (6.2)

Pentru ca sensibilitatea så fie bunå este necesar ca så avem o valoare mare alui ∆Tf. Aceasta înseamnå så avem valori mici atât pentru G cât çi pentru H,condiÆii îndeplinite dacå se folosesc elemente absorbante subÆiri de arie micå(pentru a reduce H) care så aibå un suport minim (pentru a reduce G).

Pentru a discuta caracteristicile în frecvenÆå, vom rescrie relaÆia (6.2), ca:

( ) 2/12H

2f

ff41G

WT

τπ+=∆ (6.3)

6666666666 Capitolul 6 Fotodetectorii

unde GH

H =τ este constanta de timp termicå.

Pentru a avea råspuns bun la o frecvenÆå f, este necesar ca f2

1H π

⟨⟨τ . Dacå H

este fixat (din considerente de mårime) atunci G nu poate fi fåcut foarte mic,astfel cå timpul de råspuns devine foarte lung. Valori tipice pentru τH sunt de10-3 s, deçi pot fi realizate çi valori mai mici. Limitarea sensibilitåÆii detectoruluitermic este datå de fluctuaÆiile de temperaturå din interiorul acestuia. FluctuaÆiide temperaturå pot apare çi datoritå fluctuaÆiilor aleatoare ale vitezei fluxuluide energie din afara elementului. Se poate aråta cå rådåcina påtraticå medie afluctuaÆiei de putere (∆Wf), ce trece prin legåtura termicå, cu frecvenÆele înintervalul ),( fff ∆+ , poate fi scriså ca:

( ) fGKT4W2/12

f ∆⋅=∆ (6.4)

Cea mai micå valoare a lui G ce poate fi obÆinutå atunci când schimbul deenergie se face numai radiativ. În acest caz, puterea minimå detectabilå la tempe-ratura camerei, pentru un detector cu suprafaÆa de 100 mm2 este de ≈ 5 ⋅ 10-11Wdar prin råcire se pot îmbunåtåÆi performanÆele.

Elementul receptor este adesea de forma unei benzi metalice subÆiri cu o suprafaÆåabsorbantå acoperitå cu aur (un strat de Au evaporat, este uniform absorbant pentrutoate lungimile de undå din UV pânå în IR). Montarea lui într-o capsulå vidatåcreçte stabilitatea datoritå izolårii de aer, dar în acest caz trebuie Æinut cont de domeniulde lungimi de undå la care se face transmisia de radiaÆie, adicå så se aleagå aceeafereastrå care så transmitå un domeniu cât mai larg de lungimi de undå. Deoareceau o importanÆå relativ micå, detectorii termici vor fi trataÆi pe scurt.

6.2.1 Detectorii termoelectriciDetectorii termoelectrici folosesc principiul unui termocuplu (efectul Seebeck),adicå, încålzind una din joncÆiuni la capetele acestuia, apare o tensiune propor-Æionalå cu diferenÆa de temperaturå dintre cele douå suduri ale termocuplului.

În detectorii termici o joncÆiune este folositå pentru a sesiza creçterea detemperaturå în timp ce cealaltå este menÆinutå la temperatura constantå, figura6.2. Prin conectarea în serie se obÆine o baterie de termocuple, termopile, seobÆine un detector mult mai sensibil.Pentru a fi eficienÆi detectorii termicinecesitå materiale cu conductivitateelectricå mare (pentru a minimiza efec-tele Joule) çi cu conductivitate termicåmicå (pentru a minimiza pierderile princonducÆie termicå). Aceste douå cerinÆesunt incompatibile çi se ajunge la uncompromis.

Fig. 6.2 Detectorul termoelectric

Dispozitive termice 6767676767

Cel mai utilizate pentru termocuple sunt metalele, dar pentru anumite domeniide temperaturå se folosesc çi semiconductorii ce au o sensibilitate mult mai bunå.

6.2.2 BolometrulÎn bolometru radiaÆia incidentå încålzeçte un fir subÆire sau o bandå metalicåcauzând o modificare a rezistenÆei electrice. Schimbarea rezistenÆei poate fidetectatå în mai multe feluri; poate fi inseratå în braÆul unei punÆi Wheastone,figura 6.3 sau într-un montaj ohmetric. Trebuie avut grijå ca fluxul de curent cetrece prin element så fie suficient de mic så nu îi ridice temperatura. Parametrulprincipal al unui bolometru este coeficientul de temperaturå α, care este dat de:

dTd1 ρ⋅

ρ=α (6.5)

unde ρ este rezistivitatea materialului çi T este temperatura.Rezistivitatea creçte cu temperatura çi de aceea α va fi pozitiv. Platina çi nichelul

sunt metalele cel mai des folosite çi au valori 1K005.0 −≅α . O sensibilitate maimare se obÆine folosind elemente semiconductoare, çi acestea sunt numitetermistori. Aceçtia sunt oxizi de mangan, cobalt sau nichel çi au pentru α valoride aproximativ –0,06K-1 (pentru aceste materiale α este dependent de temperaturå),semnul minus apare deoarece la creçterea temperaturii peste o anumitå valoarescade rezistenÆa. În detectarea radiaÆiei din infraroçul îndepårtat se folosescbolometre cu rezistenÆå de carbon, råciÆi la temperatura heliului lichid (4,2K).

6.2.3 Detectorii pneumaticiElementul receptor pentru un detector pneumatic este plasat în interiorul uneicamere ermetice. RadiaÆia ce cade pe element produce creçterea temperaturiiaerului çi deci a presiunii din camera ermeticå.

Creçterea presiunii poate fi detectatå în mai multe moduri. Unul din cele maisensibile moduri de detecÆie este folosirea unei celule GOLAY, figura 6.4. Unuldin pereÆii camerei are un orificiu acoperit cu o membranå flexibilå argintatå.Aceasta acÆioneazå ca o oglindå a cårei distanÆå focalå depinde de presiunea dininteriorul camerei.

Fig. 6.4 Schema bloc a celulei Golay


Un fascicul de luminå pleacå de la sursa S, trece prin reÆea, se reflectå peoglinda flexibilå, se întoarce prin reÆea çi e fåcut så cadå pe detectorul P. Cândnu este absorbitå radiaÆia, fascicolul reflectat se întoarce pe partea opacå a reÆelei,astfel cå pe detectorul D nu apare semnal. Dacå oglinda îçi schimbå curbura,lumina va fi transmiså prin reÆea çi înregistratå de detectorul D. Ieçirea de semnala lui D este proporÆionalå cu cantitatea de radiaÆie absorbitå de camerå. CeluleleGolay detecteazå puteri pânå la 10-11W, dar sunt totuçi fragile çi dificil de realizat.

6.2.4 Detectori piroelectriciNu au aceeaçi sensibilitate ca çi celulele Golay, dar au timp de råspuns rapid çisunt mai robuçti.

RadiaÆia incidentå este absorbitå într-unmaterial feroelectric, ce are molecule cumoment de dipol electric permanent. Subtemperatura criticå (punctul Curie), dipoliisunt parÆial aliniaÆi de-a lungul unei axecristalografice specifice, rezultând polari-zarea electricå netå a cristalului ca un în-treg. Când materialul feroelectric este încål-zit, creçterea agitaÆiei termice a dipolilorelectrici face ca polarizarea netå så scadå,ea devine zero peste Tc, aça cum se aratå înfigura 6.5.

Cel mai sensibil material feroelectric este triglicin-sulfatul (TGS), dar aretemperatura Curie joaså în jur de 490C çi ca atare cele mai folosite materialesunt cele ceramice, ca de exemplu zirconatul de Pb, care are temperaturi Curiede câteva sute de grade.

Detectorul constå dintr-un strat subÆire de material fotoelectric tåiat astfel cadirecÆia de polarizare spontanå så fie perpendicularå pe feÆele cu suprafaÆå mare. Seevaporå electrozi transparenÆi pe aceste feÆe çi sunt legate prin intermediul unuirezistor de sarcinå de valoare mare (1011Ω), aça cum este aråtat în figura 6.6 (a).

Fig. 6.5 Polarizarea electricå spontanåpentru un material feroelectricîn funcÆie de temperaturå

Fig. 6.6a) Schema de principiu Fig. 6.6b) Schema echivalentå pentru a unui detector feroelectric detectorul feroelectric

Schimbarea de temperaturå a materialului fotoelectric produce modificareapolarizårii spontane çi deci a cantitåÆii de sarcinå superficialå ce se gåseçte pefeÆele materialului. Aceasta induce modificåri de sarcinå pe electrozi çi duce la

Dispozitive fotonice 6969696969

apariÆia unui curent prin rezistorul de sarcinå RL, ceea ce înseamnå çi modificareasemnalului de tensiune. În ceea ce priveçte råspunsul în frecvenÆå, la frecvenÆejoase, semnalul de ieçire creçte de la zero çi atinge o limitå de saturaÆie cândf > 1/2πτH, unde τH este constanta termicå din relaÆia (6.3). La frecvenÆe înalte,

capacitatea electrozilor C, este în paralel cu RL çi tensiunea la ieçire cade la 21

din valoarea ei maximå la o frecvenÆå de tåiere fc datå de relaÆia:

CR21

fL

c π= (6.6)

Deoarece tensiunea de ieçire este proporÆionalå cu RL, se face un compromisîntre sensibilitate çi råspunsul în frecvenÆå. Un detector cu ∆f = 1 Hz ce lucreazåla f = 100 Hz poate detecta puteri de radiaÆie de 10–8 W. În figura 6.6b) seprezintå schema echivalentå a detectorului; pentru adaptarea de impedanÆe, îninteriorul detectorului se proiecteazå o surså de adaptare cu un tranzistor JFET.

Detectorii piroelectrici pot avea un timp de råspuns de ordinul nanosecundelorçi îçi gåsesc aplicaÆii în detectorii de foc çi alarme.

6.3 Dispozitive fotoniceSunt dispozitive în care absorbÆia radiaÆiei optice determinå excitarea electronilorpe nivele energetice superioare.

La baza funcÆionårii detectorilor electronici de radiaÆie stå efectul fotoelectric,detectorii numindu-se în general fotoelemente.

Dacå radiaÆia incidentå în urma absorbÆiei, determinå ieçirea electronilor dinsolid çi formarea unui flux de electroni între anod çi catod, atunci aceastå formåde transformare a energiei luminoase se numeçte efect fotoelectric extern.

Excitarea internå a reÆelei cristaline sub acÆiunea radiaÆiei absorbite caredeterminå trecerea electronilor din stårile legate în stårile libere poartå denumireade efect fotoelectric intern. Una din formele de manifestare a efectului fotoelectricintern constå în apariÆia purtåtorilor de sarcinå çi deci în creçterea conductivitåÆiielectrice a semiconductorului. Modificarea conductivitåÆii electrice asemiconductorilor sub acÆiunea radiaÆiei optice poartå denumirea de fotoconducÆieiar detectorii de radiaÆie construiÆi pe baza acestui fenomen se numesc fotorezistori.

O altå formå de manifestare a efectului fotoelectric intern în semiconductoriicu diferite tipuri de neomogenitåÆi (contactul metal-semiconductor, joncÆiuneap-n, semiconductori cu gradient de impuritåÆi), constå în separarea purtåtorilorde sarcinå în câmpurile interne çi apariÆia unei tensiuni fotoelectromotoare, efectulfotovoltaic.

Dacå un semiconductor omogen este iluminat neuniform atunci çi generareapurtåtorilor de sarcinå va fi neuniformå çi deci purtåtorii de sarcinå vor difuzape direcÆia descreçterii concentraÆiei. Datoritå faptului cå electronii çi golurileau mobilitåÆi diferite va apare o tensiune fotoelectromotoare. Acest proces deapariÆie a unei fototensiuni se numeçte fotoefect de difuzie sau efect Dember.


Un efect fotovoltaic poate så aparå într-un semiconductor atunci cândperpendicular pe direcÆia de iluminare se aplicå un câmp magnetic sausemiconductorul este deformat uniaxial. În primul caz efectul se numeçte efectfotoelectromagnetic iar în cel de-al doilea caz fotopiezoelectric.

6.3.1. Caracteristicile fundamentale ale fotoelementelorPentru a caracteriza råspunsul fotodetectorilor la radiaÆia optica se utilizeazåsensibilitatea spectrala sau integrala în curent sau tensiune. Se evalueazå reacÆiafotodetectorului conectat intr-un circuit de utilizare în funcÆie de mårimeasemnalului de ieçire cauzat de fluxul luminos incident.

Sensibilitatea spectrala λS se defineçte ca fiind råspunsul fotodetectoruluisub acÆiunea fluxului luminos monocromatic:

λ

λλ Φ

=ddUS (6.7)

unde dUλ reprezintå reacÆia fotodetectorului, determinatå de fluxul luminosmonocromatic dΦλ. Valoarea maximå la care poate ajunge sensibilitatea spectralåeste

MSλ iar lungimea de unda la care apare aceasta se numeçte lungime de

undå a sensibilitåÆii maxime a fotodetectorului, λM. Mai practicå este folosireamårimii numita sensibilitate spectralå relativå definitå de relaÆia:

MSSs

λ

λλ =)( , (6.8)

mårimea s(λ), reprezintå caracteristica spectrala a fotodetectorilor.Sensibilitatea integralå S a fotodetectorilor se defineçte prin relaÆia:

Φ= US (6.9)

unde U reprezintå råspunsul fotodetectorului sub acÆiunea fluxului luminos Φcu o anumitå compoziÆie spectralå. Între sensibilitatea spectralå çi cea integralåse aratå cå existå relaÆia:

( ) ( )

( ) λλϕ

λλλϕ

λ

d

dsSS

M

∫

∫∞

∞

⋅=

0

0 (6.10)

unde ϕ(λ) este densitatea spectralå a sursei de radiaÆie luminoaså.Se observå cå, sensibilitatea integralå depinde atât de proprietåÆile fotodetec-

torului, dar çi de caracterul radiaÆiei emise de surså prin intermediul funcÆiei ϕ(λ).Fluxul luminos efectiv, Φef, este dat de relaÆia:

( ) ( )∫∞

=Φ0

λλλϕ dsef (6.11)


Coeficientul de utilizare K a fluxului luminos de cåtre detector se defineçteca fiind:

( ) ( )

( )∫

∫∞

∞

=

0

0

λλϕ

λλλϕ

d

dsK . (6.12)

Deoarece s(λ) nu are o expresie analiticå ci se då sub formå de grafic, pentrucalculul lui K trebuie så utilizåm metode grafice de calcul. Dacå pentru un anumitfotodetector se cunosc sensibilitatea integralå çi coeficientul de utilizare în raportcu o anumitå radiaÆie opticå atunci se poate determina în unitåÆi absolutesensibilitatea spectralå a fotodetectorului adicå:

( )λλ sKSS = . (6.13)

Fluxul luminos de prag Φp se defineçte ca fiind fluxul luminos minim caredeterminå la ieçirea fotodetectorului un semnal echivalent cu nivelul propriu dezgomot.

Caracterul discret al proceselor care au loc în fotodetector face ca la ieçireafotodetectorului så se detecteze un semnal aleator atât ca amplitudine cât çi cafrecvenÆå. Valorile cele mai probabile, se determinå prin metode statistice careÆin cont de diferitele tipuri de fluctuaÆii çi fenomene care determinå zgomotul.Într-un interval de timp τ care este mult mai mare decât perioada fluctuaÆiilor,mårimea fluctuaÆiei se poate evalua prin dispersia 2~U , adicå prin abaterea mediepåtraticå a mårimii aleatorii U de la valoarea medie U0 în acel interval de timp,care matematic se scrie:

( )∫ −=τ

τ 0

20

2 1~ dtUUU . (6.14)

Nivelul de zgomot este dat de abaterea medie standard a semnalului la ieçirea

fotodetectorului, 2~U , astfel cå pentru fluxul luminos de prag Φp obÆinem:

SU

p

2~=Φ (6.15)

În mod analog se defineçte pragul de flux monocromatic:

λλ S

Up

2

,

~=Φ . (6.16)

În definirea pragului de sensibilitate a fotodetectorilor trebuie Æinut cont atâtde mårimea A a suprafeÆei expuse la iluminare cât çi de banda de frecvenÆå, ∆f,


a amplificatorului utilizat la ieçirea fotodetectorului çi de aceea se definescurmåtoarele mårimi:

pragul specific de sensibilitate a fotodetectorului,

fAfAU

S psp ∆⋅

⋅Φ=∆⋅

=Φ 1~1 2

(6.17)

pragul specific spectral,

fAfAU

S psp ∆⋅

⋅Φ=∆⋅

=Φ 1~1,

2

, λλ

λ . (6.18)

Responsivitatea aratå dependenÆa semnalului de ieçire (curent sau tensiune)funcÆie de fluxul radiaÆiei incidente.

i

URΦ

= (6.19)

Pentru radiaÆia corpului negru modulatå cu frecvenÆa f se defineçte respon-sivitatea de corp negru R(T,f) iar pentru o radiaÆie monocromaticå modulatåcu frecvenÆa f se defineçte responsivitatea spectralå R(λ,f).

Pentru a caracteriza fotodetectorii se utilizeazå mårimea:

2~1

USD

p

=Φ

= (6.20)

numitå detectivitate.Detectivitatea specificå D* este definitå prin relaÆia

fADD ∆⋅⋅=∗ (6.21)

çi se måsoarå în W-1Hz1/2cm sau lm-1Hz1/2cm.În mod similar se defineçte detectivitatea spectralå çi detectivitatea spectralå

specificå prin intermediul relaÆiilor:

2,

~1

USD

p

λ

λλ =

Φ= (6.22)

çi

fAD1

D s,p

∆⋅⋅=Φ

= λλ

∗λ (6.23)

Detectivitatea D** Æine seama de câmpul de vedere al detectorului atuncicând radiaÆia incidentå ajunge la detector sub unghiul θ.

θsin⋅= ∗∗∗ DD θ (6.24)

D* fiind valoarea obÆinutå pentru unghiuri extinse la o emisferå.


Caracteristica tranzitorie a fotodetectorului, St(t), se defineçte ca fiindreacÆia fotodetectorului atunci când asupra lui actioneaxa un flux luminos unitartreaptå. În cazul unei caracteristici liniare a fotodetectorului, dependenÆa detimp a råspunsului este descriså de ecuaÆia diferenÆialå:

( ) ( )tStUdtdU Φ=+ 0τ . (6.25)

Dacå fluxul luminos are forma unei funcÆii treaptå, prin rezolvarea ecuaÆieiobÆinem:

0,1)()( 00,1)(>∀

−==

−

>∀=ΦteStStU

t

tttτ (6.26)

Mårimea τ din relaÆiile de mai sus poarta nu-mele de constanta de timp a fotodetectorului.Procesul tranzitoriu se desfåçoarå într-un inter-val de timp aproximativ egal cu douå sau treiconstante de timp.

În accepÆiunea generalå, constanta de timpa fotodetectorului, se considerå ca fiind egalåcu intervalul de timp în care semnalul la ieçireafotodetectorului atinge 63% din valoarea sastaÆionarå.

Caracteristica în impulsuri, Si(t), se stabileçteatunci când la intrarea fotodetectorului acÆioneazåun impuls de flux luminos, )()( tt δ=Φ , unde )(tδeste funcÆia delta. Rezolvând ecuaÆia (6.25) pentruimpulsul de flux luminos, avem:

0,)()( 00),()(

>∀==−

>∀=ΦteStStU

t

itttτ

δ τ(6.27)

Caracteristica de frecvenÆå a fotodetectorului, înseamnå stabilirea depen-denÆei amplitudinii semnalului de frecventa fluxului luminos incident.

Caracteristica de fazå a fotodetectorului înseamnå stabilirea dependenteidiferenÆei de fazå θ dintre componenta armonicå a semnalului la ieçire çicomponenta armonicå a fluxului luminos incident.

Pentru studiul caracteristicilor de frecvenÆå çi de fazå se considerå cå asuprafotodetectorului acÆioneazå un flux luminos sinusoidal cu pulsaÆia ω când pentrusemnalul de ieçire obÆinem:

( )( )θω

τω+

+

Φ= tieStU2

00

1)( (6.28)

Fig. 6.7 Caracteristica tranzitoriea fotodetectorului


Factorul preexponenÆial stabileçte variaÆia amplitudinii semnalului cu pulsaÆiaω, iar relaÆia

τωθ −=tg (6.29)

ne aratå dependenÆa fazei semnalului de pulsaÆia ω.Coeficientul de temperaturå a fotodetectorului exprimå variaÆia relativå a

fotocurentului sau a sensibilitåÆii atunci când temperatura variazå cu 1°C. Unfotodetector funcÆioneazå normal numai într-un anumit interval de temperaturiîn care caracteristicile lui nu se modificå substanÆial sau nu, determinå modificåriireversibile ale caracteristicilor fotodetectorului. DependenÆa sensibilitåÆii saua fotocurentului în funcÆie de temperaturå este prezentatå de obicei sub formåde grafice.

Regimul de funcÆionare a fotodetectorilor este limitat de puterea de disiparemaxim admiså. Dacå Tf este temperatura fotodetectorului iar Tm este temperaturamediului ambiant atunci puterea disipatå este datå de:

( )mfd TTbP −= (6.30)

unde b este o constantå. În regim staÆionar, puterea primitå de fotodetectorffp VIP = trebuie så fie egalå cu puterea disipatå, adicå:

( )mfff TTbIV −= (6.31)

Calculul regimului termic de funcÆionare se face de cele mai multe ori aproxima-tiv deoarece nu se cunosc cu precizie coeficientul de temperaturå çi constanta b.

Caracteristica energeticå (luminoaså) a fotodetectorului, ( )Φ= fS , exprimåvariaÆia sensibilitåÆii integrale sau spectrale a fotodetectorului în funcÆie demårimea fluxului luminos incident.

Caracteristicile curent-tensiune, I=f(V), atât la întuneric cât çi în prezenÆailuminårii sunt determinate nu numai de procesele fizice care au loc înfotodetectori ci çi de construcÆia çi geometria lor.

Caracteristica în tensiune, exprimå legåtura dintre semnalul la ieçire çitensiunea de alimentare a fotodetectorului.

6.3.2 Detectorii fotoemisiviDetectorii fotoemisivi sunt dispozitive de detecÆie bazate pe emisia electronilorfotoexcitaÆi în interiorul unui material numit fotocatod, atunci când energiaacestora este suficientå pentru a depåçi bariera de potenÆial a materialului. Dupåieçirea din materialul fotoemisiv electronii sunt acceleraÆi spre anod astfel cåsemnalul fotodetectat se regåseçte pe rezistenÆa de sarcinå a circuitului.

Când un foton de energie hν cade pe suprafaÆa unui metal, el poate fi absorbitçi poate ceda energia sa electronilor. Pentru ca electronul så iaså din metal energialui trebuie så fie cel puÆin egalå cu Φ= eLe , unde Le este lucrul de extracÆie, ΦpotenÆialul de extracÆie, e sarcina electronului. (figura6.8). Dacå electronul seaflå pe nivelul Fermi, energie lui cineticå E este datå de:


Φ−ν= ehE (6.32)

Dar electronul poate fi iniÆial sub nivelul Fermi çi poate suferi de asemeneaîmpråçtieri neelastice înainte de emisie, de aceea relaÆia de mai sus reprezintåenergia necesarå pentru ca så fie emiçi electroni. Dacå hν< eΦ, atunci nu va fiemis nici un electron. În cazul în care probabilitatea ciocnirilor neelastice aelectronilor excitaÆi este mare, atunci numai o fracÆiune din ei vor fi capabili såiaså din metal. Raportul dintre numårul de electroni emiçi çi numårul de electroniabsorbiÆi se numeçte eficienÆå cuanticå.

Metalele pure sunt rar utilizate pentru funcÆia de fotocatod, deoarece ele aueficienÆå cuanticå micå (~0.1%) çi lucru de extracÆie mare. Cesiu are cea maimicå valoare pentru lucrul de extracÆie de aproximativ 2,1 eV.

Analiza proceselor fizice de fotoemisie aratåcå existå douå tipuri de suprafeÆe fotoemisive

a) convenÆionaleb) cu afinitate electronicå negativå (AEN).

Acestea din urmå sunt straturi subÆiri evapo-rate ce conÆin de asemenea çi compuçi ai metale-lor alcaline (de obicei Cs) çi unul sau mai multeelemente metalice din grupa V a tabelului perio-dic. În codificarea acestor elemente se utilizeazålitera „S“. Aceste materiale pot fi privite ca çisemiconductori çi deci majoritatea electronilortrebuie så primeascå o energie cel puÆin egalå cu

0χ+gE , (unde Eg, este energia benzii interzise,iar 0χ este afinitatea electronului) pentru aajunge la suprafaÆå. De exemplu pentru compusul NaKCsSb (codificat „S20”)

eVEg 1= iar V4,00 e≅χ çi ca atare energia de prag este de 1,4 eV ceea ce seconfirmå çi în practicå.

În metale, energia pragului de fotoemisie mpE este datå de lucrul de ieçire sau

de energia de ionizare:

Fvidemp EELE −== (6.33)

pe când în semiconductori energia de prag este datå de suma dintre energiabenzii interzise çi afinitatea electronicå X0 definitå prin:

gvid EE −=0χ (6.34)

astfel cå

Fgmp EEE −+= 0χ (6.35)

Dintre metale lucrul de ieçire cel mai scåzut îl are Cesiul (2,1 eV). Utilizareaeficientå a fotocatodelor semiconductoare implicå îndeplinirea condiÆiei

cesiupg EEX ≤+0 . (6.36)

Fig. 6.8 Diagrama energeticåla interfaÆametal-semiconductor


Micçorarea afinitåÆii electronice X0

pentru catodele semiconductoare sepoate realiza prin utilizarea unor straturisuperficiale sau semiconductoare, caredeterminå curbarea benzilor energeticela interfaÆå çi implicit micçorarea bariereide potenÆial. Schematic structura esteprezentatå în figura 6.9.

Depunerea unui strat de Cs pe mate-rialul semiconductor are ca efect scåde-rea afinitåÆii electronice a semiconduc-torului de la valoarea X0 a semiconductorului la valoarea X a suprafeÆei depusecu Cs, iar trecerea prin efect tunel a purtåtorilor prin bariera de potenÆial ainterfeÆei, ca urmare a curbårii benzilor de energie face ca afinitatea electronicåefectivå a fotocatodei complexe så fie XX <<∆ .

Existå posibilitatea realizårii unor fotocatode complexe pentru care afinitateaefectivå ∆X så fie zero sau negativå, adicå nivelul energetic al vidului så fie egalsau sub cel al benzii de conducÆie. De exemplu, oxidul de Cesiu are lucrul deextracÆie, Le, mai scåzut decât cel al Cs, astfel cå aplicat pe un substrat de GaAsde tip p ( eVEg 4,1≈ ) çi un semiconductor de tip n Cs2O ( eVEg 2≈ ) çi rezultå oafinitate electronicå negativå eVX 5,0−=∆ .

6.3.2.1 Fotodioda cu vidÎn fotodioda cu vid, numitå çi celulå fotoelectricå, suprafaÆa emisivå, fotocato-dul este plasatå în interiorul unui tub vidat,împreunå cu un alt electrod numit anod, cese gåseçte la un potenÆial pozitiv faÆå defotocatod, figura 6.10.

La iluminarea fotocatodului, electroniiemiçi vor fi atraçi de cåtre anod, rezultândun curent în circuitul exterior. Dacåtensiunea pe anod este suficient de mare(de ordinul sutelor de volÆi) toÆi electroniivor fi captaÆi, curentul rezultant va fi inde-pendent de tensiunea de pe anod, dar va fiproporÆional cu fluxul de luminå ce cadepe fotocatodå.

În general, cåderea de tensiune pe rezistenÆa de sarcinå RL este micå, necesitândcircuite de amplificare. Existå douå posibilitåÆi pentru a måri câçtigul intern alfotodiodei cu vid:

în interior se introduce un gaz, ca de exemplu argon, la presiune de 1 torrsau chiar mai micå. În drumul lor spre anod, electronii emiçi se vor ciocnicu atomii gazului çi dacå au suficientå energie vor elibera electroni prin

Figura 6.9 Efectul depunerii Cs

Fig. 6.10 Schema unei celulefotoelectrice


ionizare. Deçi se ajunge la o creçtere de 10 ori a câçtigului intern, pentrurealizarea acestei creçteri, tensiunea pe anod are valori critice.

utilizarea unui fotomultiplicator, pe care îl descriem mai jos.

6.3.2.2 FotomultiplicatorulEste un tub electronic, cu fotocatod, în care fotoelectronii sunt obligaÆi prinpotenÆiale acceleratoare ca pe traseul catod-anod så bombardeze mai mulÆi elec-trozi auxiliari numiÆi dinode. Prin fenomenul de emisie secundarå al dinodelorare loc o amplificare importantå a semnalului dat de fotoelectronii primari, deter-minând o eficienÆå cuanticå ridicatå a dispozitivului. Dinodele, sunt Æinute lapotenÆiale pozitive çi crescåtoare progresiv pânå la cel al anodului, figura 6.11.

Fig. 6.11 Schema unui fotomultiplicator

Un electron ce cade pe suprafaÆa dinodei, va da naçtere unor electroni secun-dari care la rândul lor sunt acceleraÆi spre urmåtorul electrod, dinodå çi continuåprocesul de multiplicare.

Dacå N este numårul dinodelor çi M numårul mediu de electroni secundari,atunci factorul total de amplificare în curent, G, este:

NMG = . (6.37)

De exemplu, pentru M=5 çi N=9 se obÆine un câçtig de 2x106.Existå mai multe tipuri de configuraÆii pentru dinode, important fiind ca

potenÆialul dintre prima dinodå çi catod så fie suficient de mare încât så menÆinåproporÆionalitatea între curentul prin catod çi iluminarea lui, fiecare tip defotomultiplicator având specificat tensiunea de lucru. LanÆul de rezistenÆeacÆioneazå ca un divizor de tensiune çi menÆine dinodele la potenÆiale pozitivecrescåtoare faÆå de catod. Când fluxul de electroni amplificat ajunge pe anod, vada naçtere unei tensiuni pe rezistenÆa de sarcinå Rs. Timpul de tranzit a electronilorpentru a ajunge de la catod la anod, nu va fi acelaçi pentru toÆi electronii dindouå motive: primul ar fi acela cå la ieçirea din catod electronii au viteze diferite,iar al doilea cå de-a lungul fotomultiplicatorului ei stråbat drumuri diferite. Timpulde tranzit este o måsurå asupra faptului cât de rapid poate råspunde fotomulti-plicatorul la acÆiunea unui puls optic. Pentru a evita cele douå inconveniente semicçoreazå numårul de dinode ridicând potenÆialul pe ele sau se utilizeazå dinode


cu un coeficient ridicat de emisie de electroni secundari. Timpul de tranzit înfotomultiplicator este de aproximativ 30 ns.

Chiar dacå nu cade luminå pe fotocatod, emisia termoionicå då naçtere unuicurent de „întuneric“ adesea principala surså de zgomot în fotomultiplicatordar çi în detectorii emisivi.

Curentul termoionic iT pentru un catod la temperatura T cu suprafaÆa A çilucrul de extracÆie Le este dat de legea Richardson-Duschmann:

−=kTLaATi e

T exp2 , (6.38)

unde a este constanta lui Duschmann çi pentru metale pure are valoarea226102,1 −− KmAx . Emisia termoionicå poate fi reduså cu mai multe ordine de

mårime prin råcirea dispozitivului, lucru esenÆial, când fotocatodul are lucrul deextracÆie foarte mic.

O altå surså de bruiaj în fotomultiplicator este zgomotul de alice care apareori de câte ori avem un flux de curent çi derivå din natura discretå a sarciniielectronice. Astfel când un curent trece printr-un circuit, viteza de sosire aelectronilor va fi diferitå çi då naçtere fluctuaÆiilor de curent în acel punct. Searatå cå fluctuaÆia de curent ∆if cu frecvenÆele cuprinse în intervalul ),( fff ∆+este datå de:

( ) 2/12 fieiF ∆=∆ , (6.39)

unde i este curentul ce trece prin circuit.PrezenÆa zgomotului de alice çi a curentului de întuneric face ca så existe un

semnal minim detectabil. Valoarea acestui semnal este datå în watt de expresia:

( )λ

∆=

Rfei2

W2/1

Tmin , (6.40)

unde:Rl este responsivitatea pe care o definim pentru fotomultiplicator ca fiind

raportul Wi

,

i, curentul prin fotomultiplicator,W puterea opticå ce cade pe fotomultiplicator iar iT curentul de întunerictermoionic.

AplicaÆie: Så calculåm puterea minimå detectabilå pentru un fotomultiplicatorla care 226102,1 −−= KmAxa , suprafaÆa catodului este 21000mmA = , iar lucrulde extracÆie eVLe 25,1= . Calculåm mai întâi curentul de întuneric:

( ) A102025.025.1exp30010102.1i 14236

T−− ⋅=

−⋅⋅⋅=

Dacå η = 0.25 unde η este eficienÆa cuanticå çi consideråm λ = 0,5 µm atunciresponsivitatea va fi:


834

619

103106.6105.0106.125.0

hceR −

−−

λ =⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅=λη= 0.1 A.W–1

Presupunând lårgimea de bandå ∆f = 1Hz, puterea minimå detectabilå va fi:

( ) W1081.0

1106.11022W 162/11914

min−

−−

⋅=⋅⋅⋅⋅⋅=

6.3.3 Detectorii fotoconductiviEfectul fotoconductiv constå în creçterea conductivitåÆii unui material sub acÆiunearadiaÆiei incidente care creeazå purtåtori de sarcinå în volumul materialului,astfel cå în prezenÆa unui câmp electric apare o densitate de curent determinatåde concentraÆiile de purtåtori în exces çi de mobilitåÆile acestora.

În semiconductorii intrinseci efectul fotoconductiv se datoreazå apariÆieiperechilor electroni-goluri sub acÆiunea fotonilor incidenÆi, a cåror energie trebuieså depåçeascå pe aceea a benzii interzise a semiconductorului.

CondiÆia iEh ≥ν conduce la o lungime de undå limitå

i0 E

hc=λ , (6.41)

astfel cå pentru λ > λ0, efectul fotoconductiv nu se mai produce.În semiconductorii extrinseci

fotonii incidenÆi nu au suficientåenergie pentru a produce perechielectroni-gol, astfel cå fotoexci-tarea se face prin intermediul cen-trilor de impuritåÆi prezenÆi în ma-terialul semiconductor. Pentrusemiconductorii extrinseci lungi-mea de undå limitå λ0 este datå de

ii0 E

hc=λ , (6.42)

unde Eii este energia de ionizare a impuritåÆilor.Fie un material semiconductor paralelipipedic cu dimensiunile: W låÆimea, L

lungimea çi D grosimea (figura 6.13a) çi circuitul de polarizare a acestuia înfigura 6.13b.

Fig. 6.12 CondiÆii de prag pentru semiconductori

Fig. 6.13a Fig. 6.13b Schema polarizårii fotoconductorului


Orice schimbare a conductivitåÆii fotoconductorului duce la modificarea curen-tului din circuit care poate fi detectat cu un voltmetru cu impedanÆå mare. Dacådorim så detectåm doar partea dependentå de timp a radiaÆiei incidente, con-densatorul C va îndepårta componentele de curent continuu.

Mårimea optimå a lui RL într-o anume situaÆie este determinatå de schimbarearezistenÆei fotodetectorului sub acÆiunea iluminårii maxime. Dacå aceasta estemicå (sub 5%), atunci se poate aråta cå sensibilitatea cea mai mare se obÆine cândRL=RD unde RD este rezistenÆa fotodetectorului. Dacå raportul RD iluminat/RD întuneric

este mare, atunci liniaritatea la ieçire poate fi menÆinutå, dacå, diferenÆa depotenÆial pe RL este întotdeauna mai micå decât pe RD, adicå RL << RD .

Presupunem cå radiaÆia ce cade pe fotorezistor este monocromaticå çi areintensitatea I0. Intensitatea radiaÆiei transmise, I, este determinatå de α,coeficientul de absorbÆie, prin ecuaÆia:

( )DexpII 0 α−= (6.43)

Pentru λ >> λg coeficientul de absorbÆie este mic; pentru λ << λg, α creçterapid çi atinge valori de ordinul 106 m-1. Så presupunem cå grosimea D estesuficient de mare pentru ca întreaga radiaÆie ce cade så fie absorbitå D >> α-1.Numårul total de perechi, e-gol generate în interiorul fotodetectorului, pe secundå

este ν

ηhWLI0 , unde η este eficienÆa cuanticå a procesului de absorbÆie.

Viteza de generare medie rg a purtåtorilor în unitatea de volum este datå de:

DhIrg ν

η 0= (6.44)

Rata de recombinare rr depinde de densitåÆile populaÆiei de purtåtori în exces∆n çi ∆p prin ecuaÆia:

ccr

pnrτ∆=

τ∆= , (6.45)

unde τc este timpul de viaÆå al purtåtorilor minoritari.La echilibru viteza de recombinare este egalå cu cea de generare rr = rg çi deci:

Dn = Dp = tc × rg. (6.46)

Pentru conductivitatea σ a semiconductorului avem:

pe pene µ+µ=σ . (6.47)

La iluminare, conductivitatea de întuneric va creçte cu ∆σ, datå de:

( )pecgpe erpene µµτµµσ +=∆+∆=∆ (6.48)

Prin aplicarea unei tensiuni V electrozilor, rezulta un curent fotoindus, ∆i, unde

VLWDi σ∆=∆ (6.49)

astfel ca pentru ∆i obÆinem:


VerLWDi pecg )( µµτ +=∆ (6.50)

Se defineçte câçtigul fotoconductiv G, ca fiind, raportul dintre viteza fluxuluide electroni pe secundå din dispozitivul fotoconductor çi viteza de generare aperechilor de e-gol din interiorul dispozitivului fotoconductor, adicå:

WDLreiG

g

1⋅∆= (6.51)

sau

2

)(L

VG pec µµτ +

= . (6.52)

Câçtigul fotoconductiv G, poate fi crescut, mårind tensiunea V çi micçorândL, deçi valori mari ale câmpul electric tind så aducå la saturaÆie curentul. Valorimari ale câçtigului sunt obÆinute la valori mari ale lui τC dar aceasta va însemnacå timpul de råspuns este mic. În anumite materiale, ca de exemplu CdS, purtåtoriise pot afla pe nivelele de energie a impuritåÆilor care se aflå în banda interziså.Aici ei nu se recombinå dar pot fi eliberaÆi prin excitaÆie termicå. Astfel de nivelese numesc, capcane. În timp ce purtåtorul se aflå într-o astfel de capcanå, un altpurtåtor de sarcinå opuså se aflå în semiconductor, pentru a menÆine neutralitateasarcinii, astfel încât capcanele måresc câçtigul, dar çi de aceastå datå creçtereaînseamnå creçterea timpului de råspuns.

La iluminåri relativ mari çi temperaturi ridicate în majoritatea materialelor,capcanele tind så fie ocupate astfel cå au o micå influenÆå asupra fotosemnalului.

Principala surså de zgomot în detectorii fotoconductivi apare din fluctuaÆiilevitezei de generare çi recombinare a perechilor e-g çi este numit zgomot degenerare-recombinare.

Presupunând cå temperatura de lucru de lucru T, este astfel încât k

ET g

25≤ ,

zgomotul termic poate fi neglijat çi deci variaÆia curentului de zgomot

generare-recombinare în domeniul de frecvenÆå ( )fff ∆+; este:

( )

2/1

2c

22recomgenf f41fieG4i

τπ+

∆=∆ − (6.53)

unde G este câçtigul fotoconductiv, τc timpul de viaÆå al purtåtorilor minoritari.Când ( )Cf τπ21<< , ∆if este independent de frecvenÆå, în timp ce pentru

( )Cf τπ21> curentul de zgomot scade cu creçterea frecvenÆei .La frecvenÆe mai mici de 1 KHz devine predominant zgomotul „1/f“.

2/1

1

∆⋅=∆ffBii f , (6.54)


unde B este o constantå (B = ≈ 10-11).Spectrul de zgomot pentru un fotocon-ductor este prezentat în figura 6.14.

6.3.3.1 FotorezistoriiFotoconducÆia este proprietatea materia-lelor semiconductoare de a îçi modificaconductivitatea electricå sub acÆiunea radiaÆiei electromagnetice, iar dispozitivulfotoelectronic care funcÆioneazå pe baza acestui fenomen fizic se numeçtefotorezistor. Un astfel de dispozitiv constå dintr-o plåcuÆå semiconductoare deformå dreptunghiularå sau dintr-un strat subÆire semiconductor, prevåzute lacapete cu douå contacte ohmice.

Dacå iluminarea se face perpendicular pe direcÆia contactelor atunci avem unfotorezistor cu fotoconducÆie transversalå (figura 6.15a) iar dacå iluminarease face pe direcÆia contactelor avem un fotorezistor cu fotoconducÆie longitudinalå(figura 6.15b).

Fig. 6.14 Diagrama spectrului de zgomotpentru un fotoconductor

Fig. 6.15 Geometria fotorezistorilor: a) fotoconducÆie transversalå;b) fotoconducÆie longitudinalå

Fie )p(q pn 000 µ+µµ=σ , conductivitatea de întuneric, a fotorezistorului la oanumitå temperaturå, iar n0 çi p0, concentraÆiile de echilibru a electronilor respec-tiv golurilor. AbsorbÆia radiaÆiei luminoase incidente determinå generarea depurtåtori de sarcinå de neechilibru, ∆n çi ∆p care vor face så aparå o conductivitatesuplimentarå ∆σ, numitå fotoconductivitate.

Conductivitatea totalå σ a unui fotorezistor se poate scrie ca fiind suma dintreconductivitatea de întuneric σ0 çi fotoconductivitatea ∆σ adicå:

)pp(q)nn(q pn ∆+µ+∆+µ=σ∆+σ=σ 000 (6.55)

unde µn çi µp sunt mobilitåÆile purtåtorilor de sarcinå.În semiconductorii cu bandå interziså largå sau la temperaturi coborâte

concentraÆiile purtåtorilor de sarcinå de neechilibru ∆n çi ∆p pot fi mult maimari decât concentraÆiile de echilibru n0 çi p0. În semiconductorii cu bandåinterziså îngustå sau puternic dopaÆi radiaÆia luminoaså absorbitå va determinanumai o abatere slabå de la conductivitatea de întuneric.


AbsorbÆia intrinsecå a radiaÆiei luminoase va determina generarea perechilorelectron-gol, adicå ∆n = ∆p. O astfel de generare se numeçte bipolarå iar conduc-tivitatea suplimentarå a semiconductorului se numeçte fotoconductivitate bipolaråsau intrinsecå.

În cazul absorbÆiei pe impuritåÆi are loc generarea numai a unui singur tip depurtåtori de sarcinå çi corespunzåtor vom avea o fotoconductivitate pe impuritåÆisau monopolarå. Conductivitatea semiconductorilor cu impuritåÆi este întotdeaunamonopolarå iar purtåtorii de sarcinå de neechilibru pot fi majoritari sau minoritari.Dacå purtåtorii de sarcinå de neechilibru într-un semiconductor sunt minoritariçi dacå concentraÆia lor este mai mare decât concentraÆia purtåtorilor de sarcinåmajoritari, atunci, în prezenÆa iluminårii, poate avea loc o schimbare a tipuluide conducÆie.

AbsorbÆia radiaÆiei luminoase de cåtre purtåtorii de sarcinå liberi nu determinåo modificare a concentraÆiei lor. În acest caz are loc numai o creçtere a energieicinetice a purtåtorilor de sarcinå çi ca urmare se va modifica mobilitatea purtåtorilorde sarcinå obÆinându-se astfel o conductivitate suplimentarå care se numeçtefotoconductivitate µ sau fotoconductivitate de ordinul al doilea. Fotoconductivitateaµ se poate pune în evidenÆå numai la temperaturi foarte joase çi în regiuni alespectrului radiaÆiei luminoase unde nu se observå fotoconducÆia obiçnuitå.

Pragul limitå al fotoconducÆiei coincide cu pragul absorbÆiei intrinseci sau peimpuritåÆi. Pentru fotoconducÆia intrinsecå lungimea de undå λ0 care corespundecelei limitå, este determinatå de lårgimea benzii interzise a semiconductorului.Astfel, dacå exprimåm lårgimea benzii interzise a semiconductorului Eg în eV çilungimea de undå λ0 în µm, atunci putem scrie

gg0 E

24,1Ehc ==λ (6.56)

În tabelul 6.1 sunt date lårgimile benzilor energetice çi pragul limitå alfotoconducÆiei intrinseci pentru câteva materiale semiconductoare la temperaturaT=300K, care sunt frecvent utilizate pentru realizarea fotorezistorilor.

Pragul limitå al fotoconducÆiei pe impuritåÆi este determinat de natura çiconcentraÆia impuritåÆilor. De exemplu, în cazul Ge cu impuritåÆi, acesta poate fisituat în intervalul de la 3,5 la 40 µm în funcÆie de natura çi concentraÆiaimpuritåÆilor.

Mecanismul fotoconducÆiei este destul de complex çi constå din urmåtoarelefenomene:

a) generarea purtåtorilor de sarcinå de neechilibru în urma absorbÆiei luminoase;b) difuzia purtåtorilor de sarcinå de la suprafaÆa iluminatå spre interiorul

semiconductorului datoritå gradientului concentraÆiei purtåtorilor de sarcinåçi driftul purtåtorilor de sarcinå pe direcÆia câmpului electric aplicat din exterior;

c) recombinarea purtåtorilor de sarcinå.


Tabelul 6.1 Lårgimile benzilor energetice çi pragul limitå al fotoconducÆiei intrinseci pentru câteva materiale, T=300K.

Materialul Parametriisemiconductor Eg, eV λλλλλ0, µµµµµm

Ge 0,67 1,85Si 1,11 1,12

CdSe 1,74 0,71CdTe 1,50 0,83CdS 2,42 0,51GaAs 1,43 0,87InP 1,28 0,97

InSb 0,17 7,29PbS 0,29 4,28PbSe 0,15 8,27PbTe 0,19 6,53

Pentru un flux energetic luminos φ0 ce cade pe suprafaÆa semiconductoruluise calculeazå numårul de electroni în unitatea de timp çi pe unitatea de suprafaÆågenerat de acesta ca fiind νhN 00 Φ= . Dacå R este coeficientul de reflexie çi αcoeficientul de absorbÆie atunci numårul fotonilor care ajung în unitatea de timpçi pe unitatea de suprafaÆå a planului care se aflå la adâncimea x în interiorulsemiconductorului va fi dat de relaÆia

xeRNxN α−−= )1()( 0 .

Numårul fotonilor absorbiÆi în stratul de grosime dx çi la adâncimea x este:

xg eRN

dxxdNxN αα −−== )1()()( 0 .

Viteza de generare a purtåtorilor de sarcinå la adâncimea x este:x

g eRNxNxg ααηη −−== )1()()( 0 (6.57)

unde η este randamentul cuantic al efectului fotoelectric intern (numårul pere-chilor electron-gol generate de un foton în cazul absorbÆiei intrinseci sau al purtå-torilor de sarcinå de un anumit tip în cazul generårii extrinseci). Pentru un coefi-cient de absorbÆie a luminii prea mare, adicå αw >> 1, radiaÆia luminoaså va fiabsorbitå în principal la suprafaÆa semiconductorului çi, în plus, dacå lungimeade difuzie a purtåtorilor de sarcinå este mai mare decât grosimea stratuluifotosensibil atunci se poate introduce noÆiunea de vitezå de generare uniformåîn unitatea de volum, definitå prin relaÆia:

∫ω

ω−η

=ω

=0

00

11 )R(Ndx)x(gg (6.58)


ConcentraÆia purtåtorilor de sarcinå creçte proporÆional cu durata iluminårii dardupå un anumit interval de timp se stabilesc concentraÆiile staÆionare ∆nst çi ∆pst aleelectronilor çi respectiv, golurilor. De aici rezultå cå, în afarå de procesul de generareare loc çi un proces invers de recombinare (dispariÆie) a purtåtorilor de sarcinå deneechilibru care se intensificå odatå cu creçterea concentraÆiilor de neechilibru. Cumviteza de generare în cazul unui flux luminos constant råmâne constantå, rezultå cå,dupå un anumit interval de timp, când se atinge regimul staÆionar, viteza de recombi-nare va fi constantå. Intervalul de timp dintre actul generårii çi recombinårii peparcursul cåruia, fiecare purtåtor de sarcinå participå la creçterea conductivitåÆiielectrice a materialului semiconductor poartå denumirea de timp de viaÆå. Evident,aceastå mårime este diferitå pentru fiecare purtåtor de sarcinå iar în practicå seutilizeazå noÆiunea de timp de viaÆå mediu. ConcentraÆia staÆionarå a purtåtorilorde sarcinå suplimentari va fi egalå cu produsul dintre numårul purtåtorilor de sarcinågeneraÆi de radiaÆia luminoaså Ng în unitatea de timp çi de volum çi timpul de viaÆå τcât participå la actul conducÆiei electrice. Astfel pentru electroni çi goluri vom avea:

ngst N τηη =∆ (6.59)

pgst Np τη=∆ (6.60)

unde τn çi τp sunt timpii de viaÆå pentru electroni çi respectiv, goluri. Pentru semi-conductorilor intrinseci, fotoconductivitatea staÆionarå se poate exprima sub forma:

)()(, ppnngstpstnstnst Nqpnq τµτµηµµσσ +=∆+∆=∆=∆ (6.61)

Se observå cå fotoconducÆia staÆionarå este determinatå de cinci parametri:R, α, η, µ çi τ. InteracÆiunea radiaÆiei luminoase cu semiconductorul estecaracterizatå de R, α, η care influenÆeazå procesul de generare a purtåtorilor desarcinå, parametrii care se modificå odatå cu lungimea de undå a radiaÆiei çidefinesc caracteristica spectralå a fotoconducÆiei. Parametrii µ çi τ definescinteracÆia purtåtorilor de sarcinå cu semiconductorul çi caracterizeazå miçcareaçi recombinarea purtåtorilor de sarcinå.

6.3.3.2. Timpul de viaÆå çi relaxarea fotoconducÆieiTimpul de viaÆå mediu este determinat de procesele de recombinare. Existå maimulte procese de recombinare:

a) recombinarea la suprafaÆå. Are loc pe centrii de capturå de suprafaÆå careapar datoritå legåturilor chimice nesatisfåcute ale atomilor sau datoritå defecte-lor structurale çi impuritåÆilor absorbite la suprafaÆå. De regulå recombinareala suprafaÆå este caracterizatå nu de timpul de viaÆå al purtåtorilor de sarcinåci çi de viteza de recombinare la suprafaÆå care se defineçte ca fiind, vitezamedie cu care se deplaseazå purtåtorii de sarcinå spre suprafaÆa unde are locdispariÆia lor continuå prin recombinare;

b) recombinarea bandå-bandå (liniarå sau påtraticå). Este mult mai puÆinprobabilå çi joacå un rol important în semiconductorii intrinseci çi la intensitåÆimari ale radiaÆiei incidente;


c) recombinarea pe nivele locale de capturå sau recombinarea liniarå. Areloc în douå etape: întâi se recombinå un purtåtor de sarcinå de un anumit tipçi apoi un purtåtor de sarcinå de un alt tip. Acest proces de recombinare nupresupune întâlnirea electronului cu golul çi este mult mai probabil.

Energia care rezultå în urma recombinårii poate fi emiså sub formå de fotonisau transmiså reÆelei cristaline sub formå de fononi. Prin introducereaimpuritåÆilor, se pot modifica procesele de recombinare çi deci çi proprietåÆilestraturilor semiconductoare fotoconductoare.

În fotodetectorii reali pot avea loc concomitent mai multe tipuri de procesede recombinare, caracterizate prin timpii de viaÆå τn1, τn2, ….., τnk. Timpul deviaÆå mediu τn în acest caz va fi dat de expresia:

....nknnn τ

++τ

+τ

=τ

1111

21

(6.62)

Pânå la momentul stabilirii regimului staÆionar, fotoconducÆia depinde decaracterul proceselor de recombinare. VariaÆia în timp a concentraÆiei purtåtorilorde sarcinå de neechilibru d(∆n)/dt este egalå cu diferenÆa dintre vitezele degenerare çi recombinare, adicå

rgdt)n(d −=∆

(6.63)

În momentul încetårii iluminårii g = 0 çi deci, în cazul recombinårii liniarecând r = (∆n/τn), din (6.63), obÆinem:

n

ndx)n(d

τ∆−=∆

(6.64)

çi rezolvând aceastå ecuaÆie cu condiÆia iniÆialå ∆n = ∆nst, când t = 0, obÆinem oexpresie care caracterizeazå modificarea în timp a concentraÆiei purtåtorilor desarcinå de neechilibru dupå încetarea iluminårii

τ

−∆=∆n

st expnn 1 (6.65)

În cazul când indicele de absorbÆie çi grosimea stratului fotosensibil sunt miciastfel încât så fie satisfåcutå inegalitatea αw << 1, din (6.57) rezultå cå vitezade generare în volum nu depinde de coordonata x (generare uniformå) çi areexpresia

νφ

−α=−αη= η h)R(N)R(g 0

00 11 (6.66)

Din momentul începerii iluminårii, ecuaÆia va avea forma

n

ngdt)n(d

τ∆−=∆

0 (6.67)


Rezolvând aceastå ecuaÆie cu condiÆia iniÆialå ∆n = 0, când t = 0, rezultå:

−∆=∆ τ

−n

t

st enn 1 (6.68)

unde

νφ

τ−α=τ=∆ η h)R(gn nnst

00 1 (6.69)

Din (6.68) observåm cå dacå t → 0, atunci ∆n → ∆nst. Prin urmare, în cazulrecombinårii liniare, creçterea çi descreçterea fotoconducÆiei are un caracterexponenÆial çi este caracterizatå de aceeaçi constantå de timp – timpul de viaÆåmediu al purtåtorilor de sarcinå de neechilibru.

În cazul recombinårii påtratice, timpul de viaÆå al purtåtorilor de sarcinåscade odatå cu creçterea fluxului luminos incident çi nu se poate vorbi de timpulde viaÆå ca de o mårime constantå. Procesele de relaxare în acest caz sunt multmai complexe. EcuaÆia (6.63) în cazul generårii uniforme çi al recombinårii påtra-tice va avea forma

20 )n(g

dt)n(d

n ∆γ−=∆(6.70)

unde γn este coeficientul de capturå. Coeficientul de capturå depinde de secÆiuneaefectivå de capturå çi de viteza medie termicå a electronului.

Pentru creçterea çi respectiv, descreçterea concentraÆiei purtåtorilor de sarcinåde neechilibru, se obÆin expresiile

00 gthtg

n na

γγ

=∆ (6.71)

1

1

0

0

+γ⋅

γ=∆

gtg

nna

(6.72)

unde concentraÆia staÆionarå este

νφ

⋅γ

−αη=γ

=∆h

)R(gn

nnst

00 1 (6.73)

Cum fotoconductivitatea ∆σ ~ ∆n rezultå cå în cazul recombinårii liniare,∆σ ~ φ0 iar în cazul recombinårii påtratice 0~ φσ∆ . În general se considerå cåfotoconductivitatea depinde de fluxul luminos incident conform relaÆiei

γφ=σ∆ 0Ast (6.74)

unde A este o constantå iar γ este coeficientul de neliniaritate a caracteristiciienergetice a fotoconducÆiei.


6.3.3.3 Fotocurentul çi factorul de amplificareFotoconducÆia este evaluatå prin mårimea fotocurentului care trece prinfotorezistor. Fie cazul unui fotorezistor cu fotoconducÆie transversalå (fig.6.15 a)çi så consideråm numai purtåtorii de sarcinå de un singur tip, de exemplu, elec-tronii. În acest caz, Æinând cont de relaÆia (6.69) fotoconductivitatea staÆionaråse poate exprima prin relaÆia

νφτµ−αη=∆µ=σ∆h

)R(qnq nnstnst01 (6.75)

iar densitatea fotocurentului va fi

lV

hRqEJ nnstL υ

φτµαησ 0)1( −=∆= (6.76)

unde E = V/l este intensitatea câmpului electric. Fotocurentul IL va depinde degeometria fotorezistorului çi de tensiunea aplicatå (fig. 6.15 a). Adicå:

νφ

τµ−αη==hl

vV)R(qSIJ nnLL0

201 (6.77)

unde S = wb este secÆiunea transversalå a fotorezistorului iar V0 = wbl estevolumul fotorezistorului în care are loc generarea purtåtorilor de sarcinå. Mårimea

001 Vh

)R(Nf ⋅ν

φ⋅−αη= (6.78)

reprezintå numårul purtåtorilor de sarcinå generaÆi în volumul fotorezistoruluiîn unitatea de timp iar

qIN L

q = (6.79)

este numårul purtåtorilor de sarcinå care trec în unitatea de timp prin secÆiuneatransversalå a fotorezistorului. Raportul

l)E(

NN

G nn

f

q µτ== (6.80)

se numeçte factor de amplificare a fotocurentului. Dacå notåm intervalul de timpîn care electronul parcurge distanÆa l dintre electrozii fotorezistorului çi cu Ev nn µ=viteza de drift a electronilor, atunci nnEtl µ= , iar relaÆia se poate scrie sub forma:

t

nGττ= (6.81)

de unde se observå cå, factorul de amplificare al fotocurentului este dat de raportuldintre timpul de viaÆå mediu çi intervalul de timp în care purtåtorii de sarcinågeneraÆi parcurg distanÆa dintre electrozii fotorezistorului.


Dacå V este tensiunea aplicatå fotorezistorului atunci relaÆia (6.80) se maipoate scrie sub forma

2lVG nn ⋅τµ= (6.82)

sau, dacå se Æine cont de ambele tipuri de purtåtori de sarcinå, atunci avem

( )2lVG ppnn ⋅τµ+τµ= (6.83)

De exemplu, în cazul fotorezistorilor cu semiconductori din grupa AIIBVI, cuvalorile tipice ale parametrilor ,10,/100 22 ssVcm nn

−=⋅= τµ V=50V, l=0,1cm, din (6.82) se obÆine .G 3105 ⋅=6.3.3.4 Caracteristici ale fotorezistorilorÎn aplicaÆiile practice fotorezistorii suntconectaÆi într-un circuit de curent con-tinuu sau variabil, în serie cu o rezistenÆåde sarcinå RL (figura 6.16).

Din punct de vedere electric ei nu sedeosebesc de rezistenÆele obiçnuite. Princi-palele caracteristici ale fotorezistorilor sunt:

a) Caracteristicile curent-tensiune alefotorezistorilor sunt simetrice în raportcu originea axelor de coordonate deoarece rezistenÆa lor nu depinde de polaritateatensiunii aplicate. De obicei ele se construiesc numai pentru o anumitå polaritatea curentului çi tensiunii, consideratå prin convenÆie pozitivå. Caracteristicacurent-tensiune a fotorezistorului se poate scrie sub forma

VCVCIII fLγφ+=+= 000 (6.84)

unde I, I0, çi IL, sunt curentul total, curentul de întunericçi respectiv, fotocurentul; C0 çi Cf sunt niçte constantecare sunt determinate de proprietåÆile fizice alesemiconductorului la întuneric çi în condiÆii de ilu-minare, cât çi de particularitåÆile constructive alefotorezistorilor; γ este coeficientul de neliniaritate acaracteristicii energetice; V este tensiunea aplicatåfotorezistorului. Din formula (6.84) rezultå cå depen-denÆele curent-tensiune ale fotorezistorilor atât înabsenÆa cât çi în prezenÆa iluminårii sunt liniare. Creç-terea fluxului luminos determinå numai o modificarea pantelor acestor drepte (figura 6.17).

În practicå înså, nu întotdeauna caracteristicile curent-tensiune sunt liniare.Abateri de la liniaritate se observå în special în cazul fotorezistorilor cu structuråpolicristalinå la tensiuni de polarizare mici sau la tensiuni mari. NeliniaritåÆile care

Fig. 6.16 Circuit de conectare a uneifotorezistenÆe

Fig. 6.17 Caracteristica I-Va unui fotorezistor


apar la tensiuni mici de polarizare sunt cauzate de fenomenele care au loc la contactuldintre microcristalite iar caracteristicile curent-tensiune sunt, de regulå, supraliniare.Odatå cu creçterea tensiunii de polarizare rezistenÆa de contact se micçoreazå datoritåcâmpurilor electrice intense sau încålzirii regiunilor de contact dintre microcristalite.În aceste condiÆii rezistenÆa fotorezistorului este determinatå de proprietåÆile devolum, ale microcristalitelor çi din aceste motive råmâne constantå iar caracteristicacurent-tensiune este liniarå. NeliniaritåÆile care apar la tensiuni mari de polarizaresunt cauzate de încålzirea stratului fotosensibil datoritå puterii disipate.

b) Caracteristicile energetice ale fotorezistorilor sunt în general neliniaredatoritå dependenÆei timpului de viaÆå al purtåtorilor de sarcinå de fluxul luminosincident.

æinând cont de (6.84) legea generalå a caracteristicilor energetice pentru V = const.se poate scrie sub forma

γφ= 00kIL (6.85)

unde VCk f=0 . Pentru majoritatea fotorezistorilor caracteristicile energeticeprezintå douå regiuni distincte: regiunea liniarå (γ = 1) la intensitåÆi slabe aleradiaÆiei incidente çi regiunea subliniarå (γ < 1) la intensitåÆi mari. Regiunea cucomportare liniarå a fotorezistorilor depinde atât de construcÆia lor cât çi de pro-prietåÆile fizice ale materialelor semiconductoare din care sunt realizaÆi. În cazulcând caracteristicile energetice ale fotorezistorilor sunt urmårite în funcÆie de ilu-minarea suprafeÆei lor çi nu în funcÆie de densitatea fluxului de fotoni incidenÆiatunci ele se numesc caracteristici lux-amper. În figura 6.18 sunt ilustrate carac-teristicile lux-amper pentru o fotorezistenÆå cu strat subÆire policristalin din CdS.

Fig. 6.18 Caracteristici lux-amper pentru un fotorezistor

c) Caracteristicile spectrale ale fotorezistorilor prezintå un maxim pronunÆatspre lungimi de undå mai mari çi sunt determinate de proprietåÆile fizice alesemiconductorului din care este realizat stratul fotosensibil. Astfel, fotorezistoriirealizaÆi din Se, CdSe, CdS, TI2S, BiS, BiSe, ZnS cât çi din alte materialesemiconductoare sunt sensibili la radiaÆia incidentå cu lungimi de undå cuprinse


între 0,3 çi 0,1 mm adicå în vizibil çi infraroçu apropiat. În figura 6.19 suntprezentate caracteristicile spectrale relative pentru câteva tipuri de fotorezistori.

Caracteristica spectralå a fotorezistorilor este puternic influenÆatå de prezenÆaimpuritåÆilor în stratul semiconductor fotosensibil. ImpuritåÆile care se introduccontrolat au ca scop atât creçterea sensibilitåÆii fotorezistorilor pentru radiaÆiacu aceeaçi lungime de undå cât çi lårgirea, spre lungimi de undå mai mari adomeniului de sensibilitate.

Fig. 6.19 Sensibilitatea spectralå relativå a diferiÆilor fotorezistori

d) DependenÆa sensibilitåÆii de frecvenÆå este o caracteristicå importantå afotorezistorilor.

Dacå fotorezistorul este iluminat cu impulsuri de luminå dreptunghiulareatunci impulsul fotocurentului va avea forma din figura 6.20. Intervalul de timpτi în care fotocurentul creçte pânå la valoarea 00

1 6301 I,I)e(IL =−= − (I0

este valoarea staÆionarå a fotocurentului) poartå denumirea de constantå detimp a creçterii fotocurentului. Intervalul de timp τd, în care fotocurentul scadepânå la valoarea == eIIL /0 036,0 I , se numeçte constanta de timp a descreçteriifotocurentului. Pentru majoritatea fotorezistorilor 0τ=τ=τ di , iar τ0 se numeçteconstantå de timp a fotorezistorului. Dacå radiaÆia incidentå este modulatådupå o lege sinusoidalå atunci funcÆia de generare a purtåtorilor de sarcinå sepoate scrie sub forma

tiegg ω= 0 (6.86)

unde ω este pulsaÆia radiaÆiei incidente. Dacå 0τ=τ=τ pn , atunci componentavariabilå a fotocurentului se poate scrie sub forma:

)t(ieII θ−ωω≈ = (6.87)

unde 0ωτ=θ arctg este defazajul dintre radiaÆia incidentå çi fotoråspuns iaramplitudinea este:


( )2

0

0

1 ωτ+=ω

II (6.88)

RelaÆiile (6.87) çi (6.88) sunt valabilenumai pentru fotorezistorii cu caracte-ristici curent-tensiune liniare. Din (6.88)rezultå cå, odatå cu creçterea frecvenÆeifluxului luminos amplitudinea compo-nentei variabile a fotocurentului scade.Constanta de timp τ0 este o måsurå ainerÆiei fotorezistorilor la acÆiunearadiaÆiei incidente. În practicå seconstatå cå, cu cât sensibilitatea fotore-zistenÆelor este mai mare cu atâtconstanta de timp τ0 este mai micå. Încazul fotorezistenÆelor din CdS çi CdSeconstanta de timp s32

0 1010 −− −≅τ în timp ce, pentru fotorezistenÆele din PbSçi PbSe, s54

0 1010 −− −≅τ .

e) Caracteristicile termice ale fotorezistorilor sunt date de dependenÆele dintreparametrii de funcÆionare (rezistenÆa la întuneric, fotocurentul, constanta detimp, etc.) çi temperatura mediului ambiant. DependenÆa de temperaturå arezistenÆei fotorezistorilor are o formå specificå pentru dependenÆa rezistenÆeisemiconductorilor de temperaturå. Caracterul acestei dependenÆe nu se modi-ficå în prezenÆa iluminårii. Odatå cu creçterea temperaturii fotocurentul scadedatoritå creçterii probabilitåÆii de recombinare a purtåtorilor de sarcinå generaÆide luminå deoarece concentraÆiile purtåtorilor de sarcinå de echilibru cresc odatåcu creçterea temperaturii. Constanta de timp t0 a fotorezistorilor de asemeneascade odatå cu creçterea temperaturii.

6.3.3.5. Parametrii fotorezistorilorCaracterizarea fotorezistorilor sensibili în regiunea vizibilå a spectrului, se facecu urmåtorul set de parametrii:

RezistenÆa de întuneric R0; Tensiunea de lucru çi tensiunea maximå admiså; Puterea disipatå maximå admiså; Sensibilitatea spectralå, måsuratå la iradierea cu luminå monocromaticå

çi sensibilitatea integralå, måsuratå prin iradierea cu lumina nedescom-puså a unei surse standard;

Constanta de timp care caracterizeazå inerÆia fotorezistorului; Nivelul de zgomot sau pragul de sensibilitate a fotorezistorului.

Pentru fotorezistori, în funcÆie de regimul de utilizare, se definesc ca parametrisensibilitatea integralå în curent sau în tensiune.

Fig. 6.20 Forma impulsului luminos a)çi forma impulsului de fotocurent


Sensibilitatea integralå în curent a fotorezistorului este determinatå atâtde materialul çi dimensiunile stratului fotosensibil, cât çi de regimul de funcÆio-nare. Acest parametru creçte liniar cu tensiunea aplicatå, se modificå odatå cumodificarea fluxului luminos incident deoarece, caracteristicile energetice alefotorezistorilor sunt neliniari, scade odatå cu creçterea frecvenÆei de modulare aluminii incidente datoritå inerÆiei fotorezistorilor çi depinde de temperaturå.Dacå tensiunea, V aplicatå pe fotorezistor, este menÆinutå constantå atuncisensibilitatea integralå staticå în curent se defineçte prin relaÆia

)RR(RRV

RRRRV

RV

RVIIIS

f

f

f

LI ∆−

∆⋅φ

=−

⋅φ

=

−

φ=

φ−

=φ

=0000

0

0000

0

0

1(6.89)

unde Rf este rezistenÆa fotorezistorului pentru un anumit flux luminos incidentiar ∆R este variaÆia rezistenÆei fotorezistorului la iradiere. Aça cum observåmdin (6.89) sensibilitatea în curent este proporÆionalå cu tensiunea aplicatå. Pentrua elimina aceastå dependenÆå se defineçte sensibilitatea în curent specificå cuajutorul relaÆiei

)( 00200 RRR

RVIs L

I ∆−∆==

φφ(6.90)

De regulå, sensibilitatea integralå staticå în curent se måsoarå cu iluminareade 200 lx produså de corpul absolut negru a cårui temperaturå este indicatå înbuletinul cu care este livrat fotorezistorul. Sensibilitatea integralå maximå încurent este determinatå de tensiunea maximå admiså de fotorezistor

maxmax,max, VsS II ⋅= (6.91)

Cum fotorezistorii trebuie så funcÆioneze pentru un interval larg de fluxuriluminoase este necesar ca la fluxuri mari så micçoråm tensiunea aplicatå pentrua evita încålzirea stratului fotosensibil iar la fluxuri mici så mårim tensiuneapentru a creçte sensibilitatea. Din aceste motive tensiunea maximå admiså, Vmax,la fluxuri luminoase slabe se alege Æinând cont de tensiunea de stråpungere, Vs,a stratului fotosensibil iar la fluxuri mari se alege Æinând cont de puterea dedisipare maximå admiså Pd,max. Sensibilitatea integralå în curent, la fluxuriluminoase slabe când este satisfåcutå condiÆia ∆R << R0, este datå de relaÆia

200000 RRV

)RR(RRVSI

∆⋅φ

≅∆−

∆⋅φ

= (6.92)

iar

200

1RRsI

∆⋅φ

≅ . (6.93)

Uneori pentru a caracteriza sensibilitatea fotorezistorilor se utilizeazå caparametrii variaÆia relativå a rezistenÆei ∆R/R0 sau raportul dintre rezistenÆa la


întuneric çi rezistenÆa la iluminare, adicå R0/Rf. Ultimul parametru este folositîn cazul în care rezistenÆa la iluminare scade cu cel puÆin un ordin de mårime.Parametrii de sensibilitate ∆R/R0 çi R0/Rf nu depind de tensiunea aplicatå.

Sensibilitatea integralå în tensiune a fotorezistorilor se defineçte ca fiindraportul dintre semnalul cules de pe rezistenÆa de sarcinå çi fluxul luminosincident, adicå

0φ= L

VVS (6.94)

Så calculåm tensiunea pe rezistenÆa de sarcinå RL (figura 6.16). În absenÆailuminårii stratului fotosensibil prin circuit trece curentul

LRRV

I+

=0

00 (6.95)

iar în prezenÆa iluminårii curentul va fi

LRRRV

I+∆−

=0

0 (6.96)

çi deci tensiunea va fi

)RR)(RRR(RRV

)II(RVLL

LLL ++∆−

∆=−=

00

00 (6.97)

Astfel cå, pentru sensibilitatea în tensiune obÆinem:

))(( 000

0

LL

LV RRRRR

RRVS++∆−

∆=φ

(6.98)

Dacå rezistenÆa de întuneric, R0, variazå slab la iluminare (∆R << R0), atunci

200

0

)RR(RRV

SL

LV +φ

∆= (6.99)

La fel ca çi în cazul sensibilitåÆii specifice în curent se poate defini sensibilitateaspecificå în tensiune

))(( 00200 LL

LVV RRRRR

RRVSs

++∆−∆==

φ(6.100)

care, în cazul ∆R << R0,, va avea forma

20

20 )( L

LV RR

RRs+∆=

φ. (6.101)

Sensibilitatea în tensiune, aça cum rezultå din (6.99) sau (6.100), depinde deraportul dintre rezistenÆa de sarcinå Rs çi rezistenÆa de întuneric R0 çi are valoareamaximå atunci când


)RR(RR L ∆−= 00 (6.101)

Când ∆R << R0, avem RL = R0. În aceste condiÆii se måsoarå principaliiparametri ai fotorezistenÆelor. Cu rezistenÆa de sarcinå optimå, relaÆia(6.97) sepoate scrie sub forma

0

0

4 RRV

VL∆⋅= (6.102)

Aceastå relaÆie este utilizatå pentru determinarea experimentalå a raportului(∆R/R0) prin måsurarea tensiunii de alimentare a circuitului, V0, çi a variaÆiei detensiune pe rezistenÆa de sarcinå la iluminare când 0RR <<∆ .

În cazul când variaÆia relativå a rezistenÆei la iluminare este mai mare atuncisensibilitatea în tensiune, datå de relaÆia (6.100), pentru R0 = RL, se poate exprimaastfel

)R/R()R/R(V

)RR(RV

sV 000

00

0

2222 ∆−φ∆

=∆−φ

∆= (6.103)

Dacå ,R/R 10 ≅∆ atunci )/(VsV φ≅ 20 .Fluxul luminos de prag çi detectivitatea fotorezistorilor sunt limitate de

zgomotele specifice acestui tip de fotodetectori: zgomotul termic 2TU ; zgomotul

de generare-recombinare 2rgU − ; zgomotul de curent

21 f/U ; zgomotul cauzat

de iradierea de fond 2iU .

În general, zgomotele enumerate vor determina fluctuaÆii ale tensiunii de laieçirea amplificatorului utilizat în schema de lucru a fotorezistorului, iar valoareamedie påtraticå a zgomotului global este:

221

222if/rgTz UUUUU +++= − (6.104)

Ponderea unui tip sau altul de zgomote în fotorezistori este determinatå înultimå instanÆå de natura çi tehnologia de obÆinere. De exemplu pentru fotore-zistorii PbS predominå zgomotul de curent în timp ce pentru fotorezistorii dinCdS, predominå zgomotul de generare-recombinare. Odatå cu creçterea frecvenÆeide modulare a fluxului luminos incident zgomotul tuturor fotorezistorilor semicçoreazå dar, în acelaçi timp scade sensibilitatea lor. Prin urmare, pentru fluxulluminos de prag al fotorezistorului, în cazul modulårii sinusoidale a radiaÆieiincidente cu pulsaÆia ω se poate scrie:

2

0

22

1 )(sU

sU

v

z

v

z,p ωτ+==φ ω

ω

ωω . (6.105)

Cunoscând dependenÆa experimentalå )(f,p ω=φ ω se poate alege frecvenÆaoptimå de modulare a radiaÆiei incidente pentru care se atinge o valoare minimåa fluxului de prag.


Fotorezistorii destinaÆi pentru detectarea semnalelor slabe din regiuneainfraroçie a spectrului funcÆioneazå, de regulå, la temperaturi coborâte. În acestcaz fluxurile de prag sunt determinate în principal de fluctuaÆiile fluxului defotoni incidenÆi din mediul ambiant. În astfel de situaÆii, va predomina zgomotulde iradiere iar fluxul de prag limitå va fi dat de:

22

Fv

ii,p s

U φ==φ (6.106)

unde cu 2

Fφ s-a notat valoarea medie påtraticå a fluctuaÆiilor fluxului de fotoniincidenÆi din mediul în care se fac måsuråtorile (zgomotul luminos de fond).

Pentru fotorezistori, detectivitatea spectralå la limitå se poate calcula cuajutorul relaÆiei:

N,

NhcD*

Fηλ⋅=ηλ=λ

18105222

(6.107)

unde lungimea de undå λ se måsoarå în µm iar densitatea fotonilor N, proveniÆidin iradierea de fond, se måsoarå în fotoni/cm2s. Din aceastå relaÆie rezultå cåpragul de detectivitate a fotorezistorilor, care funcÆioneazå în regimul de limitarecauzat de fluctuaÆiile fluxului de fotoni de fond, se poate måri, dacå se micçoreazåzgomotul luminos de fond, adicå mårimea N. Utilizând ecrane çi sisteme deråcire speciale se poate ajunge cu pragul de detectivitate spectralå pânå aproapede valoarea teroreticå.

6.3.3.6 Tipuri constructive çi metode pentru realizarea fotorezistorilorUn fotorezistor constå dintr-un strat subÆire sau dintr-o plåcuÆå desemiconductor, prevåzutå cu douå contacte metalice ohmice pentru a fi inclusåîntr-un circuit electric. Cum fotorezistorii sunt elemente nepolare, adicå formacaracteristicilor curent-tensiune nu depinde de polaritatea tensiunii aplicate,contactele ohmice trebuie så fie simetrice çi så nu se deosebeascå unul dealtul. Majoritatea semiconductorilor fotosensibili sunt stabili din punct de vederechimic çi fotorezistenÆele nu necesitå o încapsulare specialå iar dimensiunilelor geometrice pot fi relativ mici. EficienÆa fotorezistorilor este evaluatå, deregulå, cu ajutorul relaÆiei

000

111nh)R(

An

f

st

ντ−αη

⋅=σσ∆

⋅φ

(6.108)

unde Af este suprafaÆa fotosensibilå. Din aceastå relaÆie rezultå cå suprafaÆafotorezistorului trebuie så fie cât mai micå. În ceea ce priveçte grosimea D astratului fotosensibil ea trebuie aleaså în aça fel încât så se realizeze absorbÆiaradiaÆiei incidente, adicå 1)exp( <<− Dα , dar så aibå loc o generare relativ uni-formå a purtåtorilor de sarcinå în tot volumul fotorezistorului. ConstrucÆia fotore-zistorilor depinde în mare måsurå de destinaÆia lor. De exemplu fotorezistorii


utilizaÆi pentru realizarea releelor în sistemele de automatizare, exponometrelorsau a altor tipuri de dispozitive optoelectronice, funcÆioneazå la intensitåÆi relativmari ale radiaÆiei luminoase incidente din regiunea vizibilå a spectrului. Acesttip de fotorezistori nu necesitå sisteme speciale de råcire. O altå claså defotodetectori o formeazå fotorezistorii utilizaÆi în sistemele pentru comunicaÆiioptice sau detectarea obiectelor. Aceastå claså de fotorezistori funcÆioneazå laintensitåÆi slabe ale fluxurilor de radiaÆie din regiunea infraroçie a spectrului çinecesitå sisteme speciale de råcire.

Fotorezistorii pentru aplicaÆiile din automatizare, sensibili la radiaÆia luminoasådin regiunea vizibilå a spectrului, se realizeazå, de regulå, pe baza a douå materialesemiconductoare din grupa compuçilor AIIBIV çi anume din CdS sau CdSe. În funcÆiede concentraÆia impuritåÆilor introduse, fenomenul de fotoconducÆie din aceçtifotorezistori poate avea un caracter intrinsec sau extrinsec. Fotorezistorii din CdSsau CdSe se pot realiza atât din monocristale cât çi sub formå de straturi subÆiriobÆinute prin evaporare termicå sau pulverizare catodicå. Din aceste materiale sepot realiza fotorezistori çi sub formå de tablete subÆiri, obÆinute prin presarea çisinterizarea la temperaturi înalte a prafurilor din CdS sau CdSe.

Pentru a obÆine fotorezistori cu sensibilitatea maximå pentru o anumitålungime de undå a radiaÆiei luminoase se utilizeazå compusul ternar xxSeCdS −1 ,unde x poate avea valori între 0 çi 1. Când x = 0 se obÆin fotorezistori din CdSecu sensibilitatea maximå pentru λ = 0,55 µm iar când x = 1 se obÆin fotorezistoridin CdSe cu sensibilitatea maximå pentru λ = 0,713 µm. Variind parametrul decompoziÆie x între 0 çi 1 se pot obÆine fotorezistori cu sensibilitatea maximåpentru lungimea de undå doritå din acest interval.

Pentru radiaÆiile cu lungimile de undå cuprinse între 1 çi 5 µm, se utilizeazåfie compuçii semiconductori din grupa AIVBIV (PbS, PbSe, PbTe) fie compuçi dingrupa AIIIBV (InSb, InAs). Pragul efectului fotoelectric intern, la temperaturacamerei, pentru compusul InSb, este deplasat spre regiunea infraroçie a spectruluiîn comparaçie cu pragul fotoelectric al celor din grupa AIVBIV pa bazå de Pb.

În domeniul de lungimi de undå între 8 çi 14 µm, unde radiaÆiile sunt slababsorbite de atmosferå se folosesc compuçii semiconductori ternari de tipul

TeHgCd xx −1 sau TePbSn xx −1 , grupe de semiconductori cu bandå energeticåinterziså controlabilå.

În fotorezistorii cu fotoconducÆie extrinsecå, generarea purtåtorilor de sarcinåliberi se face prin absorbÆia prin impuritåÆi, astfel cå lårgimea benzii interzise nujoacå un rol determinant, dar trebuie ca materialul semiconductor så fie dopat cuconcentraÆii mari de impuritåÆi ( 31817 1010 −−≅ cm ) pentru realizarea unui coeficientde absorbÆie extrinsecå mare. În materialele semiconductoare Ge sau Si prin tehnologiide purificare çi dopare controlatå se introduc Au, Sb, Zn Cu, Cd, Hg sau alte elemente.

Din punct de vedere constructiv, fotorezistorul este un dispozitiv simplu: lasuprafaÆa stratului fotosensibil sau pe substratul de sticlå se depun prin evaporaretermicå în vid electrozii metalici care formeazå contacte ohmice. Existå çi variantaîn care un electrod se depune sub stratul fotosensibil iar celålalt electrod se


realizeazå la suprafaÆa stratului sensibil sub formå de strat metalic subÆiresemitransparent, caz în care câmpul electric din fotorezistor este orientat pedirecÆia radiaÆiei incidente. SuprafaÆa stratului fotosensibil, cuprinså întreelectrozii metalici, reprezintå suprafaÆa activå a fotorezistorului çi poate aveavalori cuprinse între 0,2 çi 200 mm2 . Stratul fotosensibil se acoperå cu o foliedielectricå anticorozivå, transparentå pentru regiunea spectrului unde este sensibilfotorezistorul.

6.3.4 Detectori fotovoltaiciÎçi bazeazå funcÆionarea pe efectul voltaic. Caracteristica esenÆialå a fotode-tectorilor cu efect fotovoltaic o constitue prezenÆa unei regiuni semiconductoarecu „epuizare“ (barierå de potenÆial) caracterizatå de un câmp electric puterniccare separå purtåtorii de sarcinå electricå, generaÆi sub acÆiunea radiaÆieiincidente. Efectul fotovoltaic poate fi atât extrinsec cât çi intrinsec, structuriletipice sub care este întâlnit în fotodetectori fiind joncÆiunile p-n çi interfaÆametal-semiconductor.

Fotodetectorii cu efect fotovoltaic, pot lucra fårå tensiune externå de polarizare,deosebindu-se în acest fel de celelalte tipuri de detectori cuantici, înså, în circuitelede fotodetecÆie uzuale se utilizeazå pentru îmbunåtåÆirea performanÆelordispozitivului o tensiune inverså de polarizare a acestuia, caz în care, semnalulmåsurat nu mai este o tensiune ci un curent.

Teoria efectului fotovoltaic scoate în evidenÆå posibilitatea utilizårii joncÆiuniip-n ca fotodetector. Un alt regim de funcÆionare caracteristic joncÆiunilor cu efectfotovoltaic este cel de baterie solarå.

6.3.4.1 FotodiodaFotodioda este o diodå semiconduc-toare în care curentul invers depindede intensitatea radiaÆiei incidente.Astfel, fotodioda nu este altceva decâto joncÆiune p – n, polarizatå invers, çial cårei curent în circuitul extern estecontrolat de fluxul luminos φ0 ce cadepe una din feÆele joncÆiunii. Circuitulde polarizare çi simbolul fotodiodeisunt reprezentate în figura 6.21, undeRL este rezistenÆa de sarcinå.

6.3.4.2 Principiul de funcÆionare al fotodiodeiSå consideråm o joncÆiune p – n în absenÆa iluminårii çi nepolarizatå. La realizareacontactului dintre regiunile semiconductoare n çi p, purtåtorii de sarcinå majoritari(electronii din regiunea n cu concentraÆia nn çi golurile din regiunea p cuconcentraÆia pp) vor difuza spre regiunile unde concentraÆiile purtåtorilor deacelaçi tip (electronii minoritari din regiunea p, cu concentraÆia np << nn çi

Fig. 6.21 a) Conectarea fotodiodei în circuitb) simbolul fotodiodei


golurile minoritare din regiunea n cu concentraÆia pn << pp) sunt mici. Astfel, înregiunea n råmân donorii ionizaÆi iar în regiunea p råmân acceptorii ionizaÆi çiapare un câmp electric intern Ei care se opune difuziei, determinând formareaunei bariere de potenÆial qVb pentru purtåtorii de sarcinå majoritari. CurenÆiideterminaÆi de miçcarea de difuzie a purtåtorilor de sarcinå majoritari se numesccurenÆi de difuzie. Odatå cu formarea câmpului intern în joncÆiunea p – n areloc o miçcare de drift a electronilor minoritari din regiunea p spre regiunea n çia golurilor minoritare din regiunea n spre regiunea p, determinând apariÆiacurenÆilor de drift. Curentul total cauzat de miçcarea de drift a purtåtorilor desarcinå minoritari reprezintå curentul invers al joncÆiunii. Dacå se neglijeazågenerarea termicå a purtåtorilor de sarcinå în interiorul stratului de sarcinåparÆialå atunci curentul invers Is va fi determinat de purtåtorii de sarcinå minoritaride echilibru care sunt generaÆi termic de o parte çi de alta a stratului de sarcinåspaÆialå pânå la distanÆe egale cu lungimile de difuzie corespunzåtoare. Deoarecefiecare purtåtor de sarcinå minoritar care se apropie de stratul de sarcinå spaÆialåeste imediat antrenat de câmpul intern al joncÆiunii çi trecut în regiunea opusårezultå cå, pentru orice valoare a barierei de potenÆial Vb, curentul de drift alpurtåtorilor de sarcinå minoritari este un curent de saturaÆie. La echilibrutermodinamic curentul prin joncÆiunea p – n izolatå trebuie så fie egal cu zero,adicå curenÆii de difuzie trebuie så fie egali cu curenÆii de drift care curg însensuri opuse, iar curentul din circuitul extern este egal cu zero.

Dacå pe joncÆiunea p – n cade un flux de fotoni a cåror energie este mai maresau egalå cu lårgimea benzii interzise atunci, datoritå absorbÆiei fotonilor, va avealoc generarea perechilor de electroni çi goluri, adicå a purtåtorilor de sarcinå deneechilibru. Purtåtorii de sarcinå majoritari, generaÆi de luminå de-o parte çi dealta a stratului de sarcinå spaÆialå sunt respinçi de câmpul intern al joncÆiunii întimp ce purtåtorii de sarcinå minoritari de neechilibru sunt acceleraÆi de câmpulintern al joncÆiunii spre regiuni cu purtåtori de sarcinå majoritari de acelaçi tip.Purtåtorii de sarcinå minoritari care trec prin stratul de sarcinå spaÆialå vordetermina apariÆia unui curent suplimentar IL a cårui direcÆie de curgere coincidecu cea a curentului direct din joncÆiunea p – n la echilibru. Electronii de neechilibrucare au trecut din regiunea p în regiunea n çi golurile de neechilibru care trec dinregiunea n în regiunea p vor determina apariÆia unui câmp electric orientat în sensopus câmpului intern din joncÆiune. Astfel bariera de potenÆial qVb se va micçoracu qVL ca çi cum joncÆiunea ar fi fost polarizatå direct cu tensiunea VL. EchilibrulcurenÆilor este acum perturbat. Datoritå miçcårii barierei de potenÆial pânå laq(Vb – VL), va creçte curentul de difuzie al purtåtorilor de sarcinå majoritari. StareastaÆionarå a sistemului se atinge în momentul când, numårul perechilor de electroniçi goluri, generate de radiaÆia incidentå, va fi egal cu numårul purtåtorilor desarcinå majoritari care trec peste bariera de potenÆial diminuatå.

Dacå în circuitul joncÆiunii p – n ideale se introduce rezistenÆa de sarcinå RL,atunci o parte din purtåtorii de sarcinå minoritari generaÆi de luminå çi antrenaÆide câmpul intern vor contribui la micçorarea barierei de potenÆial cu qVL iar oaltå parte vor contribui la formarea în circuitul extern a curentului I. Având în


vedere faptul cå pentru orice valoare a barierei de potenÆial curenÆii de drift vor

creçte dupå o lege de forma

≈

kTqV

exp L pentru curentul I se obÆine expresia:

LL

S I1kTqV

expII −

−

= (6.109)

unde IS este curentul de întuneric iar IL este fotocurentul datorat generårii opticea purtåtorilor de sarcinå minoritari.

RelaÆia (6.109) reprezintå ecuaÆia fundamentalå a fotodetectorului ideal cujoncÆiune p – n.

În condiÆii de circuit deschis (I = 0) din (6.109) obÆinem:

+=

s

LCD I

I1ln

qkTV (6.110)

iar în regim de scurtcircuit (VL = 0) avem:

LSC II −= (6.111)

6.3.4.3 Regimul de fotodiodåDacå joncÆiunea p – n este polarizatå invers cu tensiunea V, atunci, pentrucaracteristica curent-tensiune în condiÆii de iluminare obÆinem

LL

s I1kT

)VIR(qexpII −

−

−

= (6.111)

Dacå SIRV >> çi kTqV >> atunci, din (6.111), se obÆine

Ls III −−= . (6.112)

Aceastå relaÆie reprezintå caracteristicile curent-tensiune ale unui detectorfotogalvanic în regim de fotodiodå. Curentul care trece prin rezistenÆa de sarcinåRL (fig. 6.21 a) este format din curentul de întuneric Is çi fotocurentul IL datoratgenerårii optice a purtåtorilor de sarcinå minoritari. Aça cum rezultå din (6.112)curentul total, I, nu depinde de valoarea tensiunii de polarizare inverså. Dacånotåm cu nf numårul de fotoni absorbiÆi în unitatea de timp çi de volum asemiconductorului, ν−φ= h/)R1(n 0f , iar cu η randamentul cuantic al efectuluifotoelectric intern atunci fotocurentul IL se poate exprima prin relaÆia

0c0

L RQh

)R1(qI φ=η

ν−φ

⋅= λ (6.113)

unde mårimea Qc se numeçte coeficient de colectare çi reprezintå raportuldintre numårul purtåtorilor de sarcinå separaÆi de câmpul intern al joncÆiunii çinumårul total al purtåtorilor de sarcinå generaÆi optic.

Coeficientul de proporÆionalitate Rλ din (6.113) caracterizeazå sensibilitateacromaticå a fotodetectorului çi poartå denumirea de responsivitate.


Utilizarea joncÆiunilor p – n ca detector de radiaÆie luminoaså în regim depolarizare inverså prezintå douå avantaje importante:

a) fotocurentul este proporÆional cu intensitatea radiaÆiei incidente;b) fotoråspunsul creçte odatå cu tensiunea de polarizare inverså.

ProporÆionalitatea dintre intensitatea radiaÆiei incidente çi fotocurent rezultådin relaÆiile (6.112) çi (6.113). Liniaritatea fotocurentului cu intensitatea radiaÆieiincidente se påstreazå pânå la tensiuni inverse apropiate de tensiunea destråpungere a fotodiodei.

Creçterea vitezei de råspuns a fotodiodelor odatå cu tensiunea de polarizareinverså se poate înÆelege dacå Æinem cont de mecanismul intim de formare afotocurentului. Astfel, råspunsul fotodiodei este cu atât mai rapid cu cât purtåtoriisunt generaÆi mai aproape de stratul de sarcinå spaÆialå pentru a ajunge într-untimp cât mai scurt în regiunea de câmp intens pentru a fi separaÆi.

Lårgimea stratului de sarcinå spaÆialå creçte odatå cu tensiunea de polarizareinverså conform relaÆiei:

( ) 2/1VVW bp +≅ (6.114)

unde Vb este diferenÆa de potenÆial de contact.Din aceastå relaÆie se poate observa cå, prin aplicarea unor tensiuni mari de

polarizare inverså stratul de sarcinå spaÆialå se poate lårgi considerabil. Mai departenu råmâne decât crearea condiÆiilor ca radiaÆia incidentå så nu fie absorbitå pânåla stratul de sarcinå spaÆialå. Dacå fotodetectorul este destinat pentru a funcÆionala lungimi de undå pentru care absorbÆia este puternicå, atunci grosimeasemiconductorului dintre suprafaÆa iluminatå çi stratul de sarcinå spaÆialå ( încondiÆii de polarizare inverså ) trebuie diminuatå pânå la valoarea minimå posibilå.

Unul din factorii care limiteazå viteza de råspuns a fotodiodelor este constantade timp RC unde C este capacitatea diodei iar R reprezintå suma dintre rezistenÆafotodetectorului çi rezistenÆa de sarcinå RL. Aceastå constantå se poate micçoracrescând tensiunea de polarizare inverså deoarece capacitatea unei joncÆiuniabrupte cu suprafaÆa S satisface relaÆia:

( ) 2/1VVSC

b +≅ (6.115)

Rezultå cå parametri de funcÆionare ai fotodiodelor se îmbunåtåÆesc odatå cucreçterea tensiunii de polarizare inverså, creçtere care este limitatå înså defenomenele de stråpungere.

6.3.4.3 Parametri fotodiodelorPrincipalii parametri cu ajutorul cårora sunt caracterizate fotodiodele în vedereaplicaÆiilor practice sunt:

a) Curentul de întuneric Is care reprezintå curentul invers al joncÆiunii p–nîn absenÆa iluminårii la tensiunea de polarizare la care funcÆioneazå fotodioda.


Valorile tipice pentru Is în cazul fotodiodelor sunt cuprinse între 1- 50 nA pentrutensiuni de polarizare inverså cuprinså între 10 çi 400 V;b) Sensibilitatea la iluminare. Din relaÆia (6.113) rezultå imediat

hcQRqIS cL

Rηλ

φ)1(

0

−== (6.116)

Dacå fluxul luminos incident, raportat la unitatea de suprafaÆå, este exprimat înlx, atunci sensibilitatea spectralå în curent a fotodiodelor se måsoarå în A/lx. Acestparametru este determinat de pierderile prin reflexie [factorul (1 – R)], pierderileprin recombinare (factorul Qc) çi randamentul cuantic η. Pierderile prin reflexie sepot diminua mult prin depunerea de straturi antireflectante. Coeficientul de colectareQc, cauzat de pierderile prin recombinare, depinde de parametrii constructivi aifotodiodelor çi poate atinge valori destul de mari, cuprinse între 0,5 çi 0,9. Pentruregiunea spectrului cu lungimi de undå mici este dificil de realizat o fotodiodå cucoeficient de colectare mare datoritå pierderilor care au loc prin procesele derecombinare la suprafaÆå. Domeniul spectral de sensibilitate maximå a fotodiodelordepinde atât de natura semiconductorului utilizat pentru realizarea joncÆiunii p - ncât çi de parametri constructivi sau de tensiunea de polarizare inverså.

c) Constantele de timp pentru creçterea fotocurentului (τi) çi descreçtereafotocurentului (τd), când fotodioda este iluminatå cu impulsuri dreptunghiularede luminå, se pot defini, la fel ca în cazul fotorezistorilor çi, de regulå, au valoricu 2 pânå la 4 ordine de mårime mai mici decât în cazul efectului fotoconductiv.Aceastå diferenÆå între constantele de timp pentru cele douå tipuri de dispozitivese poate înÆelege dacå Æinem cont de natura proceselor fizice care au loc. În cazulfotoconductorilor concentraÆiile purtåtorilor de sarcinå sunt limitate de proceselede combinare în timp ce în cazul fotodiodelor purtåtorii de sarcinå generaÆi deradiaÆia incidentå nu mai açteaptå procesele de combinare çi sunt antrenaÆi rapidde cåtre câmpul electric intens din stratul de sarcinå spaÆialå. Constantele detimp sunt aproximativ egale çi au valori cuprinse între 0,5 ns çi 1 ns.

d) Capacitatea joncÆiunii depinde de parametri constructivi ai fotodiodei çi, încazul joncÆiunilor abrupte, depinde de tensiunea de polarizare inverså dupå olege de forma (6.115). În cataloage acest parametru este dat pentru tensiuneade polarizare inverså recomandatå de producåtor pentru funcÆionarea fotodiodei.

e) Puterea disipatå pe fotodiodå (Pd) este determinatå de parametrii constructiviçi, pentru fotodiodele obiçnuite poate fi cuprinså între 100 çi 500 mW.

AlÆi parametri care caracterizeazå funcÆionarea fotodiodelor se definesc ca încazul celulelor fotovoltaice.

6.3.4.4 Tipuri constructive de fotodiodelorFotodioda p-i-n

Este o structurå care are în alcåtuire o regiune intrinsecå poziÆionatå întreregiunile p çi n, figura 6.22, în care se genereazå sub influenÆa radiaÆiei incidenteperechi e-g. Pentru o tensiune de polarizare inverså suficient de ridicatå, câmpul


electric foarte puternic care apare înregiunea intrinsecå accelereazå purtå-torii de sarcinå spre joncÆiune, astfel cå,timpul de råspuns al detectorului, datde timpul de tranzit al purtåtorilor, estemult mai scåzut decât cel al unei diodep–n fåcutå din acelaçi material.

Deoarece regiunea intrinsecå poatefi fåcutå suficient de largå, fotodio-dele de tip p-i-n, prezintå o foartebunå responsivitate precum çi o capa-citate scåzutå care influenÆeazå favo-rabil viteza de råspuns. În figura 6.23este prezentatå distribuÆia câmpuluielectric într-o structurå p-i-n.

Pentru fotocurent se poate scrierelaÆia:

( )( )L0L e1R1qI α−−−Φ= (6.117)

ÎmbunåtåÆirea coeficientului de conversie a radiaÆiei luminoase în semnaleelectrice se face dacå:

a) reflexia pe suprafaÆa iluminatå este cât mai micå, se acoperå cu un stratantireflectant;

b) lungimea regiunii intrinseci se face cât mai mare, ceea ce înseamnå cå, creçtetimpul de tranzit çi scade viteza de råspuns a fotodiodei.

Alegând parametrii de material çi o geometrie convenabilå se pot realiza fotodiodep-i-n cu timp de råspuns mic ( ns5,0≅ ) çi randament cuantic mare ( 6,0≅η ).

Fotodioda cu barierå SchottkySunt realizate pe baza efectului fotovoltaic care apare la interfaÆa metal-semi-conductor. RadiaÆia incidentå påtrunde în structurå fie prin stratul subÆiresemitransparent de metal, fie prin materialul semiconductor figura 6.24.

La contactul dintre un metal çi un semiconductor, datoritå redistribuirii sarci-nilor electrice mobile, în semiconductor se poate forma un strat de sarcinå spaÆialå.ÎnålÆimea barierei Schottky depinde de energiile de extracÆie ale celor douåmateriale în contact çi va fi datå de relaÆia:

SMB φ−Φ=Φ (6.118)

Caracteristica curent-tensiune este de forma:

−

Φ−= ∗ 1

kTqV

expkT

expTAJ B2 (6.119)

Fig. 6.22 Iluminarea fotodiodei p-i-n

Fig. 6.23 DistribuÆia câmpului electric într-ostructurå p-i-n


unde constanta 22 KcmA120A ⋅≅∗ , în condiÆiile în care masa efectivå aelectronului este aproximativ egalå cu masa electronului liber.

Fotodiodele Schottky pot funcÆiona în trei regimuri distincte:

a) Energia fotonilor incidenÆi hν este Bg hE φ>ν> iar tensiunea de polarizareinverså este mai micå decât tensiunea de multiplicare prin avalançå ( SVV < )atunci electronii excitaÆi din metal pot depåçi bariera Schottky çi trec însemiconductor, figura 6.25 a);

b) Energia fotonilor incidenÆi gEh <ν çi SVV ≤ , figura 6.25 b), atunci radiaÆiaincidentå determinå generarea perachilor electron-gol çi caracteristicileprincipale ale fotodiodelor Schottky se aseamånå cu cele ale fotodiodelor p-i-n.

c) energia gEh >ν çi SVV ≅ (la tensiuni inverse mari) fotodiodele Schottky potfuncÆiona în regim de multiplicare prin avalançå, figura 6.25 c).

Fig. 6.24 a) Structura de bazå a unei fotodiode Schottky;b) nivelele de energie în regiunea joncÆiunii

Fig. 6.25 Regimurile de lucru al fotodiodelor Schottky

Fotodiodele Schottky sunt foarte eficiente çi pentru lungimi de undå dindomeniul ultraviolet.

Fotodiodele cu multiplicare în avalançåStructura unei astfel de fotodiode este reprezentatå în figura 6.26, diagramaenergeticå a structurii pn −+ când este polarizatå invers cu tensiunea V esteprezentatå în figura 6.27.


Fig. 6.26 Structura unei fotodiode cumultiplicare în avalançå

Fig. 6.27 Diagrama energeticå a structuriipn −+ , polarizatå invers

Sunt dispozitive fotodetectoare care combinå operaÆia de detecÆie cu cea deamplificare internå a fotocurentului. La tensiuni inverse de polarizare suficientde ridicate a unei astfel de fotodiode, purtåtorii liberi acceleraÆi de câmp capåtåenergie suficientå pentru a excita noi perechi de electron-gol (e-g) prin ciocniricu reÆeaua cristalinå, astfel cå apare un fenomen de multiplicare în avalançå,care determinå creçterea substanÆialå a curentului prin dispozitiv.

Definind factorul de multiplicare M prin numårul mediu de perechi de e-gprodus de multiplicare în avalançå, plecându-se de la o singurå pereche e-g, sepoate aråta cå aceasta depinde de tensiunea inverså de polarizare conformrelaÆiei:

n

S

1j V

V1M

−≈− ; V < VS (6.120)

unde VS este tensiunea de stråpungere (pentru care ∞→M ), V tensiunea inversåde polarizare, n factor de ordinul unitåÆilor, M ( )42 1010 ÷∈ .

Fie V tensiunea de polarizare din circuit, RL rezistenÆa de sarcinå, iar rs

rezistenÆa serie a fotodiodei, iar R = RL + rs atunci:n

S

1

VIRV

1M

−−≅− (6.121)

Amplificarea va fi cu atât mai mare cu cât curentul invers al joncÆiunii va ficât mai mic.

Timpul de råspuns este de ordinul 1210 1010 −− ÷ cu un factor de amplificaremare lucru ce le face utile în optoelectronicå de multe ori înlocuind fotomulti-plicatorii datoritå responsivitåÆii lor mari ( WA5,0R max, =λ ).


6.3.4.5 FototranzistoriiFototranzistorul este un fotodetector de radiaÆie luminoaså al cårui elementfotosensibil are o construcÆie de tranzistor care asigurå amplificarea fotocu-rentului. Din punct de vedere constructiv, la fel ca çi tranzistorii obiçnuiÆi,fototranzistorul este format dintr-un cristal semiconductor în care se succeddiferite tipuri de conducÆie, p – n – p sau n – p – n.

În figura 6.28 sunt prezentate diferite variante constructive de fototranzistori.Lumina poate cådea perpendicular sau paralel cu planul joncÆiunilor p-n.Fototranzistorii sunt mai eficienÆi când fluxul incident de luminå cade normal peplanul joncÆiunii colector-bazå çi când este iluminatå regiunea bazei.

Fig. 6.28 Variante constructive pentru fototranzistori

Factorul de amplificare al unui fototranzistor p-n-p este dat de relaÆia:

n

np

n

p

d

LM ⋅

σσ

= (6.122)

unde pσ este conductivitatea în regiunea p, nσ conductivitatea în egiunea n, Lnp,lungimea de difuziune în regiunea p, iar dn lårgimea regiunii n.

Deoarece fototranzistorii au aplicaÆii limitate, ei fiind concuraÆi de ceilalÆidetectori electrooptici, nu se vor da alte detalii referitoare la fototranzistori.

6.3.4.6 FototiristoriiCreçterea vitezei de råspuns çi a fotosensibilitåÆii a fost posibilå odatå curealizarea unui nou tip de dispozitiv fotonic cu semiconductori numit fototiristor.Fototiristorul este o structurå de tipul n – p – n – p sau p – n – p – n care areproprietatea de a transforma semnalele de luminå în semnale electrice. Ca çitiristorul obiçnuit, fototiristorul prezintå efectul reacÆiei inverse de curent. Înfigura 6.29 sunt prezentate simbolurile convenÆionale pentru fototiristori încircuitele electronice.

Intensitatea radiaÆiei incidente care cade pe joncÆiunile fototiristorului joacårolul curentului de comandå. Datoritå fenomenelor fizice de generare opticå apurtåtorilor de sarcinå çi separarea lor în câmpurile electrice ale joncÆiunilortensiunea de amorsare a fototirisorului se micçoreazå odatå cu creçterea inten-sitåÆii radiaÆiei luminoase.


Existå mai multe variante constructive de fototiristori care diferå prin:geometria çi dimensiunile regiunilor cu conductivitåÆi diferite care se succed;amplasarea çi forma electrozilor etc.

În figura 6.30 este ilustratå construc-Æia tipicå a unui fototiristor cu un singurelectrod de comandå (poarta catodicå).Sub acÆiunea radiaÆiei incidente are locgenerarea purtåtorilor de sarcinå deneechilibru în toate regiunile structuriifototiristorului. Sub acÆiunea câmpuluielectric intens din joncÆiunea Jb,polarizatå invers, electronii din regiuneapb trec în regiunea nb. La fel vor fi sepa-raÆi çi purtåtorii de sarcinå care sunt ge-neraÆi în stratul nb. Putem astfel consi-dera cå, la formarea fotocurentului total IL vor contribui toÆi purtåtorii de sarcinågeneraÆi de luminå, mai puÆin aceia care se recombinå la suprafaÆå. Pentru adiminua pierderile prin recombinåri la suprafaÆå este necesarå alegerea unuiraport optim între lungimile de difuzie ale purtåtorilor de sarcinå çi grosimilestaturilor semiconductoare care formeazå fototiristorul.

Caracteristica curent-tensiune a fototiristorului descrie dependenÆa curentuluicare trece prin dispozitiv în funcÆie de tensiunea aplicatå între anod çi catod pentruo anumitå intensitate a radiaÆiei incidente çi o anumitå valoare a curentului de co-mandå IG, adicå o dependenÆå de forma I = f(V) pentru φ0 = constant çi IG = constant.

Odatå cu creçterea intensitåÆii radiaÆiei incidente tensiunea de amorsare afototiristorului se deplaseazå spre valori din ce în ce mai mici pânå când dispareregimul de rezistenÆå diferenÆialå negativå.

Caracteristica de comandå este datå de dependenÆa tensiunii de amorsareîn funcÆie de intensitatea radiaÆiei luminoase.

Fluxul luminos maxim, φmax, pentru care caracteristicile curent-tensiune alefototiristorului au o comportare asemånåtoare cu cea a unei diode polarizatedirect, constituie unul din parametrii statici ai fotorezistorului. Un alt parametrueste dat de tensiunea maximå, VB,max, de comutare a fototiristorului (la întuneric).

Fluxul luminos minim, φp, pentru care se realizeazå deschiderea fototiristoruluiconstuie iaråçi un parametru al fototiristorului. Astfel, regiunea în care

Fig. 6.29 Simbolurile utilizate pentru fototiristori

Fig. 6.30 Structura planarå a fototiristoruluicu un singur electrod de comandå


funcÆioneazå fototiristorul, adicå regiunea în care poate fi comandat de radiaÆialuminoaså, este limitatå de fluxul luminos, de prag, φp, care determinå sensibilita-tea de prag a fototiristorului çi de fluxul luminos maxim, φmax, pentru care dispareregimul de rezistenÆå diferenÆialå negativå. Domeniul de funcÆionare este limitatde tensiunea maximå de comutare, VB,max, care corespunde lui φp çi de tensiuneaminimå VM, care corespunde fluxului luminos φmax. DependenÆa tensiunii decomutare a fototiristorului de intensitatea radiaÆiei luminoase incidente se poateaproxima destul de bine cu ajutorul unei expresii de forma:

φ

φ−φδ−=φ

max

p0max,B0B

)(expV)(V (6.123)

unde δ este o constantå.Sensibilitatea diferenÆialå a fototiristorului în raport cu tensiunea se defineçte

ca fiind raportul dintre variaÆia tensiunii de amorsare çi variaÆia fluxului incident:

0

nd

VS

φ∆∆

= (6.124)

Astfel, sensibilitatea diferenÆialå, într-un anumit punct al caracteristicii, va fidatå de derivata funcÆiei f(φ0) în raport cu fluxul luminos în punctul respectiv.

Sensibilitatea integralå a fototiristorului în raport cu fotocurentul se defineçteca fiind raportul dintre fotocurent çi fluxul luminos incident:

0

LI

IS

φ= (6.125)

Viteza de råspuns a fototiristorului este determinatå de timpul necesar pentrucomutare (τc) çi timpul necesar pentru blocare (τb). Mårimile τc çi τb suntdeterminate de procese fizice ca: generarea opticå, injecÆia electronicå a purtå-torilor de sarcinå, difuzia, driftul, recombinarea çi extracÆia purtåtorilor de sarcinå.Pentru a avea loc comutarea, semnalul luminos trebuie så aibå o duratå minimå.

În general, caracteristicile dinamice ale fototiristorilor sunt analizate în funcÆiede regimul de funcÆionare în circuitele electronice. Din acest punct de vederedistingem trei regimuri dinamice de funcÆionare:

a) alimentarea fototiristorului cu tensiune continuå pe anod çi comandarea luicu impulsuri de luminå;

b) alimentarea fototiristorului cu o tensiune alternativå sau în impulsuri çicomandarea lui se face printr-un flux de luminå constant;

c) fototiristorul este alimentat cu o tensiune alternativå sau în impulsuri çi co-mandarea lui se face cu un flux de luminå modulat. În proiectarea çi calculareacircuitelor electronice de automatizare çi control pe bazå de fototiristori estenecesarå cunoaçterea timpului necesar pentru comutare çi a timpului necesarpentru deblocare.


6.3.4.7 Celulele solareEfectul fotovoltaic stå la baza funcÆionårii unei celule solare, radiaÆia incidentåprovenind de la soare. În cazul celulelor solare, problema principalå este aceeaa convertirii cu eficienÆå mare a energiei solare în energie electricå. În construcÆiacelulelor solare, existå douå modele fizice de bazå:

a) regiunile p çi n ale joncÆiunii sunt dopate uniform, iar mobilitatea çi timpul deviaÆå ale purtåtorilor minoritari sunt constante, astfel cå avem câmp electric numaiîn regiunea de sarcinå spaÆialå. Pentru obÆinerea unui curent de scurtcircuit câtmai mare trebuie så reducem reflexia radiaÆiei la suprafaÆa semiconductorului,så avem o lårgime a regiunii de sarcinå spaÆialå cât mai mare, iar recombinareala suprafaÆå a purtåtorilor minoritari så fie cât mai micå. Regiunile n çi p au ocontribuÆie la rezistenÆa serie a celulei solare care trebuie så fie cât mai micå ;

b) regiunile p çi n sunt dopate neuniform, caz în care va exista un câmp electricçi în regiunile laterale p çi n ale joncÆiunii iar mobilitatea çi timpul de viaÆåpot fi constante sau dependente de valorile acestui câmp. În regiunea neutråse creeazå un gradient al impuritåÆilor adicå un câmp electric intern, care vadetermina deplasarea mai rapidå a purtåtorilor minoritari spre joncÆiune(datoritå vitezei de drift). Deci, prezenÆa câmpului electric intern conduce lacreçterea curentului de scurcircuit.

Pentru fiecare caz în parte se potscrie relaÆiile analitice pentru curentulde scurtcircuit ele puntând fi interpre-tate conform cu situaÆiile de interespractic. În figura 6.31 este prezentatåo structurå de celulå solarå cu câmpintern în regiunea bazei. Pentrucelulele cu joncÆiune dopatå neuni-form, realizarea unei structuri de tipul

++ppn sau ++pnp înseamnå apariÆia unui câmp intern în regiunea bazei înimediata apropiere de suprafaÆå.

A fost necesarå conceperea unor astfel de structuri în vederea diminuåriifenomenului de recombinare a purtåtorilor minoritari fotogeneraÆi în regiuneabazei. S-a realizat astfel pe lângå o creçtere a purtåtorilor fotogeneraÆi çioptimizarea celulelor solare. Bariera de potenÆial care se creeazå la interfaÆaregiunilor +pp (sau +nn la structurile +ppn ) se opune deplasårii purtåtorilorminoritari fotogeneraÆi, respectiv deplasårii golurilor, spre regiunea +p puternicdopatå, în schimb nu se opune deplasårii purtåtorilor majoritari. O parte dinelectronii fotogenerati în regiunea p, care s-ar fi pierdut prin recombinare lasuprafaÆå, vor participa la curentul de scurtcircuit. Creçterea curentului descurtcircuit este de ordinul a 5% datoratå în principal diminuårii recombinåriipurtåtorilor de sarcinå minoritari ca urmare a barierei +pp sau +nn iar a tensiuniide circuit deschis este de 10%, acesta din urmå în principal prin micçorareacurentului de saturaÆie Is. Celulele solare cu structura ++ppn au concentraÆii ale

Fig. 6.31 Structura de celulå solarå cucâmp intern


impuritåÆilor donoare mai mari de 1019 cm3

çi grosimi ale regiunii +p de 0,5 pânå la 1µm.În figura 6.32 este prezentatå schema

echivalentå pentru o celulå solarå, unde:

Rs este rezistenÆa serie datoratå regiu-nilor p çi n precum çi contactelor, careduce la diferenÆe între tensiunea labornele unei celule solare çi tensiuneacare cade pe joncÆiunea p-n;

Rsh este rezistenÆa çunt a joncÆiunii p-n care influenÆeazå curentul de scurgereal joncÆiunii p-n (curentul de întuneric);

RL rezistenÆa de sarcinå; G un generator de curent care reprezintå curentul IL datorat purtåtorilor

fotogeneraÆi.

Caracteristica curent-tensiune pentru schema echivalentå a unei celule solare,din figura 6.32 este datå de:

( )L

sh

sss I

RIRV

kTIRVqII −−+

−

−−= 1exp (6.125)

În majoritatea cazurilor rezistenÆa de çunt este foarte mare, astfel încât curentulde scurtcircuit este de acelaçi ordin de mårime cu IL adicå:

L

VRsh

s

Lsc I

RRII

sh

=

+=

=∞→ 0,

1(6.126)

RelaÆia (6.125) se mai poate scrie:

( )sshs

sL IRVkTq

RIIRV

III −=

+−−+ 1ln (6.127)

care în aproximaÆia unei rezistenÆe çunt foarte mari, ∞→shR conduce la:

( )sL IRVkTq

III −=

++ 1ln , (6.128)

relaÆie ce reprezintå caracteristica I-V a unei celule solare care include çi rezistenÆaserie. Pentru ca celula så fie performantå este necesar ca Rs så fie mult mai micådecât zecimea de ohm, ea influenÆând asupra eficienÆei conversiei. RezistenÆaçunt se neglijeazå în condiÆii de iluminare solarå normalå (valori de ordinul 100mW/cm2 la nivelul mårii çi 140 mW/cm2 în afara atmosferei terestre), ea poateinfluenÆa funcÆionarea celulei solare la intensitåÆi mici ale radiaÆiei solare çi latemperaturi joase. RezistenÆa serie are o influenÆå vizibilå asupra caracteristicilorsolare la intensitåÆi mari çi la temperaturi ridicate.

Fig. 6.32 Schema echivalentå a uneicelule solare


EficienÆa conversiei celulelor solare (randamentul cuantic extern), reprezintåpartea din puterea radiantå incidentå care este transformatå în energie electricåçi este datå de relaÆia:

in

CDscm

in

me P

VIIPP ===

in

m

PVη (6.128)

unde:

Pm este puterea maximå debitatå;Im çi Vm sunt valorile curentului çi tensiunii corespunzåtoare puterii maxime;Pin este puterea radiaÆiei solare incidentå pe celula solarå;Isc este curentul de scurtcircuit;VCD este tensiunea ce apare pe celula solarå, în condiçii de circuit deschis,

adicå rezistenÆa de sarcinå externå infinitå.

Se defineçte F, factorul de umplere, mårimea care aratå cât din suprafaÆa mår-ginitå de caracteristica I-V reprezintå aria de putere maximå çi este dat de relaÆia:

CDsc

mm

VIVIF = (6.129)

EficienÆa conversiei depinde de lårgimea benzii interzise prin VCD çi Isc, cu câteste mai mare banda interziså, Eg, cu atât mai largå va fi partea din spectrulsolar absorbitå în semiconductor.

Calculele de eficienÆå a conversiei celulelor solare realizate din semiconductoricu structurå de benzi energetice indirecte depinde puternic de condiÆiile fizicedin bazå, iar la cei cu structurå de benzi energetice directe de condiÆiile fizicedin stratul frontal.

Teoretic eficienÆa conversiei are valori între 22-30%, în practicå se obÆin valoriîn jur de 14-20% datoritå unor fenomene fizice concurente celor de fotogenerarecare fac så se piardå o mare parte din fluxul incident de fotoni (prin reflexie) orio mare parte din purtåtorii fotogeneraÆi (prin recombinare).

PerformanÆele unei celule solare sunt determinate de o multitudine de factoriçi anume:

intensitatea çi distribuÆia spectralå a radiaÆiei incidente; reflexia radiaÆiei incidente la suprafaÆa celulei solare. Se depun strate

dielectrice antireflectante care utilizeazå materiale ca oxizi de aluminiu, titan,tantal çi de siliciu, bioxid çi nitrurå de siliciu cu grosimea de sub un micron;

pierderile prin absorbÆia radiaÆiei incidente în stratele de protecÆie ale celuleisolare;

suprafaÆa utilå a celulei solare; procesele de recombinare la suprafaÆå çi în volum; coeficientul de absorbÆie al radiaÆiei incidente; grosimile regiunilor p çi n ale celulelor solare çi distribuÆia impuritåÆilor în

regiunile p çi n, deci de câmpurile interne din aceste regiuni; timpul de viaÆå al purtåtorilor minoritari, fotogeneraÆi.


Pentru realizarea celulelor solare, siliciul, este cel mai utilizat semiconductorîn oricare din stårile, monocristalinå, policristalinå sau amorfå.

Siliciul monocristalin are lårgimea benzii interzise de 1,12 eV foarte apropiatåde valoarea optimå de conversie fotovoltaicå. Având o structurå de benzienergetice indirecte Si are coeficientul de absorbÆie mic ceea ce permite oadâncime mai mare de påtrundere a radiaÆiei solare iar influenÆa recombinåriila suprafaÆå va fi mai micå.

Costul ridicat al celulelor cu siliciu monocristalin a dus la cåutarea çi realizareaunor materiale semiconductoare mai ieftine pentru conversia fotovoltaicå çi deaici cercetårile pentru siliciul policristalin çi amorf.

Siliciul policristalin se obÆine pentru diferite mårimi ale granulaÆiilor având oaranjare numitå orientare fibroaså. În utilizarea siliciului policristalin se scot înevidenÆi câteva caracteristici:

dimensiunile cristalitelor så fie mai mari decât lungimea de difuzie apurtåtorilor minoritari;

orientare fibroaså (în linie) a cristalitelor.

Siliciul amorf oferå avantajele:

coeficientul de absorbÆie în domeniul spectral al radiaÆiei solare este foartemare, cu un ordin de mårime mai mare decât cel a siliciului policristalin;

lårgimea benzii interzise se plaseazå în intervalul (1,5-2 eV), în funcÆie deconÆinutul de hidrogen;

tehnologiile de obÆinere sunt mult mai simple; se poate dopa atât cu impuritåÆi donoare cât çi acceptoare; se pot realiza celule solare în diverse variante – homojoncÆiuni, heterojonc-

Æiuni, Schottky, metal-izolator-semicondictor (MIS), cu çi fårå câmpuriinterne, etc. grosimea celulelor solare fiind de ordinul a câtorva microni.

Celulele solare amorfe pe baza de siliciu amorf dopat cu hidrogen audezavantajul cå sunt instabile în timp çi au o sensibilitate mare la vapori de apåceea ce impune precauÆii mai mari la încapsularea acestora.

Costul ridicat al semiconductorilor utilizaÆi pentru realizarea celulelor solare aimpus ca o soluÆie de ieftinire reducerea ariei active a celulelor solare iar pentru amenÆine sau creçte puterea debitatå se apeleazå la concentrarea radiaÆiei incidente.

FuncÆionarea celulelor solare în radiaÆie concentratå impune precauÆii specialedeterminate în principal de doi factori fundamentali:

rate foarte mari de fotogenerare ceea ce face så creascå pierderile prinrecombinare precum çi prin cåderile de tensiune pe rezistenÆa internå;

temperatura ridicatå pe care o capåtå datoritå concentrårii care diminueazåparametrii de bazå, în special curentul de scurtcircuit çi eficienÆa conversiei.

Utilizarea materialelor semiconductoare de tipul AlGaAs/GaAs fac ca influenÆaacestor factori så fie mult reduså astfel cå celulele solare pot fi utilizate pânå laconcentråri foarte mari ale radiaÆiei solare, chiar de 5000 de sori.

GeneralitåÆi 113113113113113

Capitolul 7 OptOptOptOptOptocuplorulocuplorulocuplorulocuplorulocuplorul

7.1 GeneralitåÆiOptocuplorul, numit çi izolator optic rezultå din asocierea unui emiÆåtor cu

un receptor de luminå çi a fost construit cu scopul de a realiza separarea galvanicåîntre douå circuite electrice. Prin separare galvanicå înÆelegem absenÆa cåii directede curent, fie el alternativ sau curent continuu.

Izolarea electricå sau separarea galvanicå, este deosebit de importantå în pro-iectarea electronicå modernå. Ea este unmod de a minimiza influenÆa curenÆilorpericuloçi çi se obÆine prin una dinmetodele: magneticå, capacitivå çi electricå.

Metoda magneticå, figura 7.1, probabilcea mai veche metodå, presupune cå sepa-rarea galvanicå se realizeazå prin interme-diul unui transformator, când transferul deenergie se face prin câmp magnetic.Dezavantajul transformatorului este acelacå el se poate utiliza numai în curentalternativ.

În cea de-a doua metodå izolarea electricåse obÆine prin cuplaj capacitiv, figura 7.2. Areavantajul vitezei mari de comutaÆie darpentru a înlåtura cerinÆa unei surse dealimentare flotante în partea de secundar,este necesarå o capacitate mare pentru atransfera energie din partea primarå spre ceasecundarå. Astfel cå valorile la care se obÆineizolarea electricå în acest caz sunt multmicçorate de cerinÆa unui cuplaj energeticeficient. În consecinÆå valorile tensiunilor deizolaÆie sunt de ordinul sutelor de volÆi, spredeosebire de valori de mii de volÆi care seobÆin prin alte metode.

Fig. 7.1 Izolare magneticå

Fig. 7.3 Izolare electro-opticå

Fig. 7.2 Izolare capacitivå

114114114114114 Capitolul 7 Optocuplorul

O altå metodå de izolare a tensiunilor include utilizarea senzorilor magneto-re-zistivi. Aceçtia sunt capabili så detecteze atât câmpurile magnetice continue câtçi cele alternative. Este o metodå ce se aplicå în cazuri excepÆionale çi este sensibilåla zgomotul indus de câmpuri magnetice parazite.

Cea de-a treia metodå, izolarea opticå, figura 7.3, are multe caracteristici ceo fac performantå tuturor metodelor enumerate mai înainte. În principal pentrucå avem valori mari de tensiune de izolare, între 6000 çi 8000 de volÆi, apoieliminarea tensiunilor accidentale, viteze mari de comutare dar çi posibilitateade a funcÆiona nu numai în curent continuu sau alternativ ci çi în impulsuri.

În practicå, aceasta înseamnå cå circuitul de control este situat de-o parte aoptocuplorului, cea a emiÆåtorului, în timp ce circuitul de acÆionare, se aflå pepartea cealaltå a receptorului. Atât circuitul de control cât çi cel de acÆionaresunt izolate electric prin intermediul optocuplorului. Semnalele de la circuitulde control, sunt transmise optic circuitului de acÆionare. În majoritatea cazurilor,transmisia opticå se realizeazå cu fascicule de luminå cu lungimi de undå de laroçu pânå în infraroçu. Lårgimea de bandå a semnalului care trebuie transmispoate fi, de la valori de semnal de curent continuu, pânå la frecvenÆe de MHz.

Optocuplorii trebuie så îndeplineascå urmåtoarele cerinÆe:

izolaÆie bunå; factorul de transfer în curent mare; degradare în timp foarte micå, mai ales datoritå îmbåtrânirii emiÆåtorului,

a descreçterii puterii de radiaÆie a lui; capacitate de cuplaj micå; pentru optocuplorii obiçnuiÆi valorile se situeazå

între pF23,1 − ; så nu interfere cu câmpurile perturbatoare.

Aceçti factori sunt esenÆial, dependenÆi, de modul de proiectare a optocuplo-rului, de materialele folosite çi de tipul de capsulå utilizat pentru emiÆåtor çidetector.

Datoritå proprietåÆii de separare galvanicå optocuplorii çi-au gåsit întrebuinÆåriîn diverse domenii;

microelectronicå; prelucrare de semnale çi sisteme de telecomunicaÆie la separarea liniilor de

comunicaÆii între emiÆåtor çi receptor; electronica de putere, separarea circuitelor de joaså tensiune de cele de

înaltå tensiune; electronica medicalå, curenÆii/tensiunile mari pot fi fatale pacienÆilor; în mediile explozive, inflamabile.

Principiul de funcÆionare al optocuplorului 115115115115115

7.2 Principiul de funcÆionare al optocuploruluiConstructiv un optocuplor este format dintr-un emiÆåtor çi un receptor de

luminå çi sunt posibile trei structuri de asociere aça cum se aratå în figura 7.4,unde sunt prezentate çi simbolurile lor grafice.

Fig. 7.4 Structuri de optocuplori având ca receptor: a) o fotodiodå, b) un fototranzistor,c) un fototriac

În cele mai multe cazuri seutilizeazå ca çi emiÆåtor de luminå,o diodå cu arseniurå de galiu GaAsce emite in infraroçu, iar ca re-ceptor, un dispozitiv cu siliciu. Fo-todetectorul poate fi o fotodiodå,fototranzistor, fototiristor, foto-triac, sau fotorezistelÆå cele maiuzuale fiind primele douå. Foto-detectorul poate fi urmat de uncircuit de amplificare, încorporat,çi chiar de un dispozitiv de for-mare a impulsurilor, figura 7.5.

Cele douå componente aleoptocuplorului se aleg astfel încâtsensibilitatea maximå a fotorecep-torului så fie maximå, în domeniulde lungimi de undå în care fluxulradiat de surså este maxim.

EmiÆåtorul çi fotoreceptorul sunt separaÆi prin intermediul unui film sau aunui strat izolator çi transparent de sticlå, de grosime 4 mm, atunci când sedoreçte a se obÆine o valoare ridicatå a tensiunii de izolaÆie între intrarea çiieçirea semnalului, figura 7.7.

Fig. 7.5 Amplificarea semnalului fotodiodei

Fig. 7.6 Curbe spectrale pentru emiÆåtorçi fotoreceptor


7.3 Parametrii specifici optocuploarelorPrincipala proprietate pentru care optocuplorul este des folosit este aceea cå,

realizeazå izolarea galvanicå între intrarea çi ieçirea unui dipol, indiferent despectrul semnalului çi pentru toate tensiunile, atât la valori ridicate cât çi la celefoarte ridicate. Este deci foarte important, a se cunoaçte care sunt parametriispecifici optocuplorilor.

Tensiunea çi rezistenÆa de izolaÆieTensiunea de stråpungere este datå de efectul Corona, ce înseamnå apariÆia

descårcårii electrice în mediul izolator atunci când intensitatea câmpului electricdepåçeçte o anumitå valoare. Câmpul electric intens, duce la apariÆia de sarcinielectrice, microstråpungeri invizibile, care diminueazå tensiunea maximåaplicabilå între intrare çi ieçire. Tensiunea limitå ce poate fi aplicatå între emiÆåtorçi receptor se numeçte tensiune de incepÆie a efectului Corona. Existå diferiteprocedee industriale de mårire a pragului de izolaÆie, de la vidarea incintei încare se aflå optocuploarele çi imersiunea în ulei presurizat, pânå la mårireadistanÆei dintre emiÆåtor çi receptor. Aceasta din urmå, se face fie, prin utilizareaunui sistem optic de focalizare, fie prin intermediul fibrei optice, ceea ce duce lacheltuieli de cost mari.

Tensiunea çi rezistenÆa de izolaÆie se måsoarå cu terminalele de intrare çi deieçire scurtcircuitate, figura 7.8, testarea fåcându-se în curent continuu, alternativîn impulsuri sau în rampe de tensiune dupå cum stabileçte fabricantul.

Capacitatea de izolaÆieEste o capacitate parazitå, care se reduce la un minim prin introducerea unui

ecran între receptor çi transmiÆåtor; ecranul este o plaså finå metalicå care seleagå la masa receptorului.

Fig. 7.7 Structura unui optocuplor cu tensiune joaså de izolaÆie

Parametrii specifici optocuploarelor 117117117117117

Factorul de rejecÆie al modului comun (CMRR)Semnalul de mod comun, este semnalul måsurat faÆå de masa instrumentului,

dacå la intrare se aplicå un semnal diferenÆial.Semnalul de mod comun

apare datoritå capacitåÆiiparazite de izolaÆie dintreintrare çi ieçire, figura 7.9.

Semnalele perturbatoare,apar la ambele intråri aleunui instrument de måsuråca fiind tensiuni de mod co-mun çi este rejectat de cåtrefactorul CMRR (CommonMode Rejection Ratio) al instrumentului. Factorul CMRR este definit de:

comuncastigldiferentiacastig

CMRRmod

log20= (7.1)

çi depinde de frecvenÆå. O altå definiÆie echivalentå pentru CMRR este datå de:

aplicataTensiuneacomuninmasurataTensiunea

CMRRmod

log20= (7.2)

çi se måsoarå în decibeli, iar rejecÆia de mod comun este:

[ ] CMRRdBCMR log20 ⋅= . (7.3)

În mod uzual se doreçte obÆinerea unui semnal de mod comun cât mai mic,adicå o rejecÆie a modului comun cât mai mare (CMR>80dB).

Factorul de transfer în curentSe defineçte factorul de transfer în curent, CTR, (Current Transfer Rate) ca

fiind raportul dintre variaÆia curentului de ieçire, ic, din receptor çi variaÆiacurentului de intrare din emiÆåtor, iF care a determinat respectiva variaÆie acurentului de ieçire:

Fig. 7.8 Måsurarea tensiunii çi rezistenÆei de izolaÆie pentru optocuplor

Fig. 7.9 Semnalul de mod comun


F

C

ii

CTR∂∂= (7.4)

Caracteristica iC(iF) pre-zentatå în figura 7.10 areo porÆiune liniarå, undepanta este liniarå, pe aceaståporÆiune putându-se må-sura factorul de transfer încurent. În figura 7.11 esteprezentat un circuit demåsurå pentru factorul detransfer în curent. Factorul de transfer, este o mårime adimensionalå, avândvalori de ordinul miilor, la frecvenÆe de ordinul MHz, dar cu creçterea frecvenÆeivaloarea lui scade.

Curentul de întunericSe defineçte ca fiind

curentul de colector ge-nerat de fototranzistoruloptocuplorului atuncicând intrårile LED-uluisunt låsate în gol, cir-cuitul de måsurå fiindprezentat în figura 7.12.

Caracteristica de intrareEste dependenÆa dintre curentul prin emiÆåtorul de luminå çi tensiunea aplicatå

pe el, circuitul folosit fiind prezentat în figura 7.13.Tensiunea de saturaÆie a fototranzistorului se måsoarå conform schemei

prezentate în figura 7.14.

Fig. 7.10 Caracteristica unui optocuplor

Fig. 7.11 Circuitul de måsurå pentru CTR

Fig. 7.12 Circuitul de måsurå al curentului de întuneric

Fig. 7.13 Ridicarea caracteristicii de intrare Fig. 7.14 Circuitul de måsurå a tensiuniide saturaÆie a fototranzistorului

AlÆi parametrii cum ar fi viteza de lucru a optocuploarelor, adicå a timpilor decomutaÆie çi banda de trecere, se måsoarå conform circuitelor folosite defabricanÆi. În majoritatea cazurilor fiça tehnicå ce însoÆeçte produsul då toatedetaliile necesare pentru proiectarea aplicaÆiilor cu optocuploare. În utilizarea

Parametrii specifici optocuploarelor 119119119119119

lor se are în vedere fie, scåderea timpului de comutaÆie inverså fie controlulconstantei de timp asociate fototranzistorului atât la comanda în impulsuri câtçi cu semnale analogice.

O problemå principalå în exploatarea optocuploarelor este aceea a îmbåtrâniriilor çi se manifestå prin degradarea factorului de transfer în curent. DegradareaCRT apare, fie datoritå diminuårii fluxului radiat de LED, prin reducerearandamentului cuantic, fie prin exploatarea optocuplorului la curenÆi de colectorai fototranzistorului din receptor mai mari decât specificaÆia din catalog, în acestfel fiind implicatå çi partea de degradare a CRT datoritå recepÆiei.

Consideråm cå, în revistele de electronicå, multitudinea de scheme çi aplicaÆii,prezentate chiar çi de fabricant, inclusiv cele de polarizare în circuitele electronice,sunt suficiente, pentru a nu le mai include çi în aceastå carte. Scopul autoruluifiind acela de a explica noÆiuni introductive pentru a uçura înÆelegerea funcÆionåriioptocuplorului.

120120120120120 Capitolul 8 Laserii

Capitolul 8 LaseLaseLaseLaseLaseriiriiriiriirii

8.1 Principiul de funcÆionareLaserii sunt surse de radiaÆie electromagneticå, care acoperå domeniul optic

al spectrului din infraroçu pânå la vizibil çi ultraviolet, caracterizate printr-oradiaÆie coerentå, monocromaticå çi intenså.

Pentru prima oarå, propuneri concrete pentru utilizarea radiaÆiei stimulate învederea generårii de microunde au fost fåcute în 1954 de cåtre Basov, Prohorovçi independent de cåtre Townes, iar dispozitivele au fost numite maseri.

Posibilitatea extinderii maserilor pentru frecvenÆe optice a fost pentru primadatå studiatå teoretic de cåtre Schawlow çi Townes în 1958; primul maser opticdenumit çi laser, a fost realizat cu rubin de cåtre Meinmen în 1960. A urmatapoi descoperirea de noi materiale solide (cristaline sau amorfe) în care s-auobÆinut tranziÆii laser în roçu çi infraroçu apropiat. Primul laser folosind un mediuactiv gazos a fost realizat într-un amestec de heliu çi neon în 1961 de cåtreJanon, Bemrett çi Herriot. A urmat apoi descoperirea efectului laser în regiuneade joncÆiune a semiconductoarelor (1962) çi laserii cu medii active lichide.

În Æarå, studiul laserilor a fost întreprins încå din 1962 de cåtre prof.I. Agârbiceanu.

Cuvântul LASER este acronimul pentru „Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation“ amplificarea luminii prin emisia stimulatå a radiaÆiei(luminoase).

Principiul de funcÆionare al laserilor este legat de legea fundamentalå deemisie a radiaÆiei electromagnetice de cåtre un sistem atomic. TranziÆia unui elec-tron de pe un nivel superior pe un nivel inferior poate så fie spontanå, induså,sau stimulatå, de cåtre o radiaÆie de aceeaçi frecvenÆå cu aceea corespunzåtoaretranziÆiei considerate (figura 8.1).

În procesul de absorbÆie stimulatå, figura 8.1a), un electron din banda devalenÆå preia energia de la un foton incident, çi trece în banda de conducÆie.Energia câçtigatå de electron este egalå cu energia fotonului:

νhEE =− 12 (8.1)

Nu toÆi electronii vor interacÆiona cu fotonii. Viteza cu care electronii vor fiabsorbiÆi depinde de numårul de ståri neocupate în banda de conducÆie, de

Principiul de funcÆionare 121121121121121

numårul de ståri ocupate din banda de valenÆå çi de ( )νρ h , densitatea de energiea fotonilor cu energia cuprinså între cele douå nivele de tranziÆie:

( ) ( )νρ hppBRabs 2112 1−= , (8.2)

unde p1 çi p2 sunt probabilitåÆile de ocupare cu electroni a stårii energetice infe-rioare, respectiv superioare, h constanta lui Planck iar c, este viteza luminii în vid.

În procesul de emisie spontanå, figura 8.1 b) un electron excitat din bandade conducÆie, poate reveni în banda de valenÆå çi va emite o cuantå de energieconform relaÆiei (8.1). Fotonul emis la trecerea electronului de pe nivelul energeticsuperior pe cel inferior are direcÆia çi faza complect aleatoare. Legile mecaniciicuantice ce guverneazå acest proces aratå cå viteza medie cu care electronii înstare excitatå vor emite fotoni este:

)1( 1221 ppARspon −= (8.3)

unde A21 probabilitatea de tranziÆie ca o particulå excitatå så cadå pe o starevacantå de energie mai micå.

Existå çi un al treilea tip de tranziÆie, figura 8.1 c), când fotonul este puterniccuplat cu electronul çi va determina electronul så revinå pe starea energeticåinferioarå, prin eliberarea unui foton cu aceeaçi energie ca a celui incident. Deaceastå datå fotonul emis are aceiaçi direcÆie çi fazå cu a celui incident, procesulnumindu-se emisie stimulatå. Viteza de emisie stimulatå depinde de proba-bilitåÆile de ocupare a nivelelor energetice çi de densitatea de fotoni la lungimeade undå a fotonului incident:

( ) ( )νρ hppBRstim 1221 1−= (8.4)

Comparând cele douå relaÆii (8.4) çi (8.2) se observå cå procesul de emisiestimulatå este invers celui de absorbÆie stimulatå. La echilibru vom avea:

stimsponabs RRR +=

sau

( ) ( )νρνρ hppBppAhppB )1()1()1( 122112212112 −+−=− . (8.5)

Fig. 8.1 Tipuri de tranziÆii într-un sistem atomic


Rezolvând ecuaÆia în raport cu ( )νρ h avem:

( ))1()1(

)1(

12212112

1221

ppBppBppA

h−−−

−=νρ (8.6)

çi se reduce la

( )21

12

2112

21

)1()1(

Bpppp

B

Ah

−−−=νρ (8.7)

Raportul )1()1(

12

21

pppp

−−

probabilitatea relativå de ocupare a celor douå nivele de

energie çi cum se considerå sistemul în echilibru termodinamic acesta se poateînlocui cu ecuaÆia lui Boltzmann, astfel cå (8.7) devine:

( ) ( )[ ] 2112

21

exp BkThBA

h−

=ν

νρ (8.8)

Dar distribuÆia radiaÆiei pentru un corp la echilibru termodinamic este funcÆiade distribuÆie a lui Planck.

( ) ( )[ ] 1exp8 3

3 −=

kThch

hννπ

νρ (8.9)

Din (8.8) çi (8.9) obÆinem douå relaÆii importante:

2112 BB = çi c

hBA

2

3

21

21 ν= (8.10)

Acestea au fost obÆinute de Einstein în 1917 iar A21, B12, B21 se numesccoeficienÆii lui Einstein. æinând cont de relaÆiile (8.10) çi (8.8) se poate obÆineçi raportul dintre coeficientul de emisie spontanå çi cel de emisie stimulatå:

( ) ( )[ ]1exp21

21 −= kThhBA

ννρ (8.11)

rezultând cå emisia stimulatå este predominantå când kTh ⟨⟨ν .Aceasta însemnå cå probabilitatea de a gåsi un electron în banda ce conducÆie

trebuie så fie mai mare decât aceea de a-l gåsi în banda de valenÆå, adicå trebuieså se realizeze o inversiune de populaÆie.

Sursele laser genereazå sau/çi amplificå radiaÆiile luminoase, pe bazafenomenului de emisie stimulatå. Principiul funcÆionårii unui laser cu douå niveleconstå din interacÆiunea a douå sisteme fizice (figura 8.2): câmpul electromagneticdintr-o cavitate rezonantå (denumitå rezonator optic) çi mediul activ, situat înaceeaçi cavitate, ai cårui atomi sau electroni sau molecule posedå douå nivele

Principiul de funcÆionare 123123123123123

energetice E1 çi E2 a cåror diferenÆå de energie ν=−=∆ hEEE 12 corespundefrecvenÆei de rezonanÆå ν a cavitåÆii:

2nl

λ⋅= (8.12)

iar

l2c

n ⋅=ν , (8.13)

unde l este lungimea cavitåÆii, iar n ∈ N indicå ordinul modului (în domeniuloptic vizibil n ≅ 106).

Fig. 8.2 Schema de principiu a unul laser

Emisia stimulatå este asiguratå de inversia populaÆiei celor douå niveleenergetice; inversia populaÆiei se obÆine în funcÆie de particularitatea fiecåruimediu activ, metodele mai des utilizate fiind:

pompajul optic, descårcarea electricå în gaze, interacÆiuni atomice care produc atomi sau molecule în ståri excitate.

Lungimea de undå a radiaÆiei luminoase fiind foarte micå în raport cudimensiunile obiçnuite ale unei cavitåÆii rezultå cå un dispozitiv laser poate emiteîntr-un numår mare de moduri. În aplicaÆiile metrologice stabilitatea în frecvenÆåa radiaÆiei laser este foarte importantå, astfel încât au fost construiÆi laserimonomod care emit o singurå frecvenÆå în domeniul vizibil.

ImportanÆa surselor laser constå în gradul mare de coerenÆå a radiaÆiei emise,ceea ce creeazå posibilitatea analizårii çi prelucrårii radiaÆiilor emise, analog caçi undele hertziene.


8.2 ProprietåÆile radiaÆiei laserProprietåÆile radiaÆiei laser, datorate faptului cå emisia este stimulatå, sunt

urmåtoarele:

1. CoerenÆå spaÆialå. DefiniÆia coerenÆei spaÆiale în cazul surselor clasice este:distanÆa maximå între douå puncte pe suprafaÆa sursei pentru care radiaÆiileemise pot interfera. Într-un laser, lumina axialå då naçtere emisiei stimulate(în cele mai multe cazuri), astfel încât noÆiunea de coerenÆå spaÆialå exprimåpractic întinderea undei plane: suprafaÆa mediului activ în care fotonii suntdescriçi de aceeaçi undå se numeçte întindere de coerenÆå. În cazul unuimediu activ neomogen (de exemplu, cristalul de rubin) emisia luminii seproduce instantaneu dintr-o regiune micå a mediului. Înså, în cazul unui mediuactiv omogen (de exemplu, laserul cu gaz) unda electromagneticå umple totvolumul cavitåÆii. În general, întinderea de coerenÆå reprezintå secÆiuneatransversalå a fasciculului laser. Aceastå proprietate are douå consecinÆeimportante observate experimental:

directivitatea fasciculului laser: focalizarea cvasipunctualå

2. CoerenÆa temporalå reprezintå intervalul de timp între douå emisii ale surseicare pot interfera. Açadar, prin coerenÆå temporalå se înÆelege intervalul detimp Dt, numit çi timp de coerenÆå, în decursul cåruia fotonii emiçi sunt descriçide aceeaçi undå. În cazul surselor de luminå ordinare timpul de coerenÆå estedeterminat de lårgimea Doppler a liniei spectrale: Dt = 1/DwD ≅ 10-9 secunde.În cazul laserilor cu emisie continuå timpul de coerenÆå este mult mai mare,atingând curent Dt ≅10-6 secunde, iar în condiÆii speciale Dt ≅10-3 s. Timpulde coerenÆå se determinå experimental prin observarea franjelor de interfe-renÆå ce corespund diferenÆelor de drum foarte mari, rezultând Dt=Dl/c, sauprin observarea fenomenului de ‘båtåi’ între douå fascicule provenind de ladoi laseri independenÆi. Amplitudinea undei rezultante este modulatå în timpcu frecvenÆa w1-w2. FluctuaÆiile asupra frecvenÆei båtåilor dau posibilitateadeterminårii ordinului de mårime al fluctuaÆiilor celor douå frecvenÆe, Dw1

çi, respectiv, Dw2, iar utilizarea relaÆiei de nedeterminare permite deducereatimpului de coerenÆå Dt=D1/Dw.

3. Monocromaticitatea radiaÆiei laser. Lumina laser are o puritate spectralådeosebitå, deoarece modul axial care este legat strâns de rezonanÆa atomicåare amplitudinea cea mai mare, radiaÆia laser concentrându-çi lårgimea înjurul acestei frecvenÆe. Lårgimea liniei laser apare datoritå emisiei spontanecare însoÆeçte emisia stimulatå. Semilårgimea liniei laser este datå de expresia:DwL ≈ 8w0h(DwN)2/Pe, unde DwN este lårgimea naturalå, iar Pe puterea de ie-çire a radiaÆiei laser. Experimental, prin måsurarea fluctuaÆiilor de scurtå duratåa frecvenÆei båtåilor între douå fascicule laser, s-a determinat DwL ≅ 103 Hz, de100…1000 ori mai micå decât cele mai fine lårgimi ale liniilor atomicenaturale. Pânå la apariÆia laserului se considera lårgimea naturalå ca limita

Tipuri de laser 125125125125125

preciziei frecvenÆei radiaÆiei emise; explicaÆia depåçirii acestei limite naturaleeste faptul cå în dispozitivul laser, ansamblul atomilor din cavitatea rezonantåemite o undå electromagneticå de duratå mult mai mare decât un singuratom. Lårgimea liniei laser determinå precizia de stabilizare a lungimiirezonatorului, deoarece Dw/w=Dl/l.

4. Intensitatea radiaÆiei laser. Datoritå directivitåÆii fasciculului laser, toatåenergia emiså este concentratå într-un fascicul de secÆiune foarte micå çi ununghi solid foarte mic. De asemenea, frecvenÆa de emisie fiind foarte binedefinitå, densitatea de energie spectralå este extrem de ridicatå în comparaÆiecu oricare altå surså de luminå.

5. Impulsuri ultrascurte. Dispozitivele laser care funcÆioneazå în regim desincronizare a modurilor pot så producå impulsuri de duratå de ordinul10-12…10-13 secunde.

8.3 Tipuri de laserTipurile de laser se disting dupå mediul activ utilizat:

1. Laseri cu mediul activ solid dielectric, cel mai utilizat mediu activ fiind ionidispersaÆi într-o concentraÆie reduså, fie într-o reÆea cristalinå purå, fie în sticlåsau în plastic. Din aceastå categorie, mai reprezentativi sunt urmåtorii laseri:

laserul cu cristal de rubin-corindon, Al2O3 impurificat cu ioni trivalenÆi decrom Cr3+ în concentraÆie de 0,05% în cazul rubinului roz, sau de 0,5% încazul rubinului roçu. RadiaÆia laser emiså de rubinul roz are lungimea deundå nm3,694=λ ; rubinul roçu emite radiaÆii laser nm9,7001 =λ çi

nm1,7042 =λ ; laserul cu sticlå dopatå cu neodim: mµλ 06,1= ; laserul cu granaÆi (YAG) dopaÆi cu neodim: mµλ 06,1= .

Laserii cu mediul activ solid dielectric au urmåtoarele caracteristici generale:

inversia populaÆiei nivelelor energetice se realizeazå prin pompaj optic:absorbÆia de cåtre ionul dopat a unei pårÆi din energia luminii necoerenteemise de obicei de o surså flash;

randament scåzut: 0,1-2%, deoarece nu toatå energia luminoaså a tubuluide pompaj este absorbitå de ionii activi çi mediului;

mediul activ se încålzeçte în cazul pompajului cu energie mare; în acestecazuri laserul funcÆioneazå în regim pulsat. Tehnica de declançare, bazatåpe variaÆia rapidå a factorului de calitate a rezonatorului optic în timpulpompajului, permite obÆinerea de impulsuri de duratå 10-8…10-11 secunde.Tehnica sincronizårii modurilor a permis reducerea duratei pulsurilor la10-12…10-3 s. FuncÆionarea în regim continuu a laserilor cu solide nu esteposibilå decât pentru medii active cu dimensiuni reduse care faciliteazåråcirea.


Cele mai importante aplicaÆii tehnice ale laserilor cu solide sunt: telemetriaterestrå, ghidaje optice, måsurarea distanÆelor pânå la sateliÆi, microsudurå,holografia ultrarapidå, medicinå.

2. Laseri cu gaz, care pot fi de trei feluri:

cu gaz atomic, cu gaz ionic, cu gaz molecular.

Caracteristicile generale ale laserilor cu gaz atomic çi ionic sunt:

funcÆioneazå mai ales în regim continuu; pot fi reglaÆi astfel ca så lucreze monomod, lårgimea liniei laser ~ 103Hz,

iar lungimea de coerenÆå pânå la 105…106 m; divergenÆa fascicolului laser este sub 3’ ; randamentul are valoarea de 1…7%; puterile obÆinute în regim continuu sunt 0,1…0,5 W pentru laserul cu He-Ne

çi pânå la 1000 W pentru laserul cu argon ionizat.

Cei mai reprezentativi laseri cu gaz atomic çi gaz ionizat sunt:

laserul atomic He-Ne care emite radiaÆii cu lungimile de undå λ1 = 632,8 nm,λ2 = 1153 nm çi λ3 = 3390 nm. Primul laser de acest tip, a fost construit în1960. AplicaÆiile tehnice cele mai importante ale laserului cu He-Ne sunt:telecomunicaÆii cu laser, interferometrie cu laser, etaloane de lungime çitimp, holografie, girometrie, alinieri çi reglaje optice, prelucrarea opticå ainformaÆiei;

laserul cu argon ionizat emite radiaÆii cu lungimea de undå nm488=λ .Are, în general, aceleaçi aplicaÆii ca çi laserul cu He-Ne, în plus datoritåputerii mari se utilizeazå la prelucrarea unor materiale.

Caracteristicile generale ale laserilor moleculari sunt:

putere foarte mare; s-au obÆinut puteri de 100¸200 kW în regim de emisiecontinuå timp de 12 s çi puteri de 10 kW în regim continuu nelimitat. În altregim de pulsuri s-au obÆinut puteri de vârf W1311 1010 K ;

randament bun (teoretic 40-45%, experimental 10-35%), deoarece nivelelevibraÆionale metastabile moleculare au o viaÆå medie mai lungå decât celeatomice;

nu prezintå limitare importantå prin saturaÆie, ceea ce permite creçtereaputerii o datå cu creçterea dimensiunilor.

Laserul molecular cel mai utilizat este cel cu mediu activ CO2, care emiteradiaÆii cu λ =1,059 µm. Laserul cu CO2 poate funcÆiona în regim continuu,furnizând o putere de pânå la 30 W, sau în regim de pulsuri, atingând o puterede vârf de 1 kW, durata pulsurilor fiind de 150 ns.

AplicaÆiile cele mai importante ale laserului molecular cu CO2 sunt: producereade plasmå, fuziunea materialelor refractare, prelucrarea metalelor, sudurå.

Tipuri de laser 127127127127127

3. Laseri cu mediu activ lichid. Lichidele, ca çi gazele, înlåturå cerinÆele ce sepun formårii cristalelor çi, în plus faÆå de gaze, permit realizarea uneiconcentraÆii exacte de particule active într-un volum dat. Existå douå feluride laseri cu mediu activ lichid:

care înlocuiesc laserii cu mediu activ solid (de exemplu, laseri sau chelaÆide lantanide, laserul cu Nd3+ dizolvat în oxiclorurå de Se);

laseri acordabili cu mediu activ soluÆii de coloranÆi (rodaminå, acridinå,fluoresceinå).

Un dispozitiv cu mediu activ lichid presupune cå în cavitatea rezonantå, lichidulse aflå în continuå circulaÆie, asiguratå de o pompå: la capetele cavitåÆii se aflåcele douå oglinzi, dintre care, una cu reflexie parÆialå pentru a permite ieçirearadiaÆiei laser; excitarea mediului activ se face prin pompaj optic.

Caracteristicile generale ale laserilor cu mediul activ lichid sunt: frecvenÆa delucru poate fi variatå pe domenii nm10060K=∆λ ; radiaÆiile emise au lungimide undå λ ∈ [154nm; 300nm]; puterea de ieçire este de 200-600 kW la func-Æionarea în regim de pulsuri, durata medie a unui puls fiind de ≅10-8s; lårgimealiniei emise este ∆λ ≅ 0,1…1 nm pentru laserii cu chelaÆi de lantanide çi sub 0,1nm pentru laserii cu soluÆii de coloranÆi.

4. Laseri cu semiconductori. Spre deosebire de celelalte tipuri de laser emisiastimulatå, în laserii cu semiconductori, aceasta se obÆine într-un mod diferitatât ca perfomanÆe cât çi ca metodå de excitaÆie (de pompaj).

Caracteristicile distincte rezultå din faptul cå electronii participanÆi la otranziÆie, urmatå de emisia stimulatå a radiaÆiei, sunt liberi så se deplaseze într-oregiune relativ întinså din semiconductor, aceastå deplasare fiind dependentåde potenÆialul periodic al reÆelei cristaline a semiconductorului.

FuncÆionarea acestor laseri, se bazeazå pe realizarea inversiei populaÆiei întrebanda de conducÆie a zonei n çi banda de valenÆå a zonei p, sub acÆiunea unuicurent foarte intens aplicat unei joncÆiuni p-n .

Cel mai utilizat laser cu semiconductori este cel cu GaAs, care emite radiaÆiicu λ1=842 nm çi λ2=904 nm. Laserul cu arseniurå de galiu, care are componentaprincipalå, un cristal semiconductor, cu joncÆiunea np− de dimensiuni ~ 1,4mm, iar suprafeÆele laterale polisate pentru reflexia fasciculului laser. JoncÆiunii

np− , i se aplicå un curent continuu de ordinul zecilor de miliamperi.Caracteristicilor generale ale laserilor cu semiconductori sunt: randament

foarte mare, pânå la 90%; lårgimea liniilor emise este de 1-10 nm; puterea maximåeste de 100…600 W în regim pulsat, durata unui puls fiind de ordinul 10-7s ;directivitatea este reduså, divergenÆa fasciculului emis fiind de 10…30o;posibilitate mare de modulaÆie, ceea ce îi face utilizabili în telecomunicaÆii (diodalaser) de care ne vom ocupa în detaliu mai jos.

5. Laseri chimici. La aceçti laseri, inversia populaÆiei se realizeazå utilizândenergia reacÆiilor chimice. Primul laser chimic cu mediu activ HCl emite radiaÆii


cu l = 3,7…3,8 nm. Pânå în prezent s-au construit mai multe tipuri de laserichimici bazaÆi pe izotopii hidrogenului çi pe halogeni, toÆi având caracteristicå,existenÆei unei surse, de atomi sau radicali liberi, care så poatå reacÆiona cualÆi atomi sau alte molecule, pentru a forma un reactiv în stare excitatå, çi deasemenea, existenÆa unor reacÆii extreme în lanÆ. Puterile medii se ridicå la200-300 W.

8.4 Dioda laserFenomenul de injecÆie çi recombinare a purtåtorilor de sarcinå în joncÆiunea

p-n polarizatå direct, înseamnå micçorarea barierei de potenÆial din regiunea desarcinå spaÆialå astfel cå purtåtorii de sarcinå majoritari (electroni, e– din regiunean, golurile, +p din p) pot trece uçor în regiunile adiacente devenind purtåtori desarcinå minoritari de neechilibru.

Procesul de compensare a sarcinii spaÆiale create de purtåtorii de sarcinåminoritari, injectaÆi de cåtre purtåtorii de sarcinå majoritari, este foarte rapid,desfåçurându-se într-un interval de timp Dθ , mult mai mic decât timpul de viaÆå.Acest timp numit çi timp de relaxare dielectricå se poate evalua cu relaÆia:

0D ρεε=θ , (8.14)

unde ρ este rezistivitatea materialului semiconductor, ε este constanta dielectricåiar ε0 = 8,854 × 10-12F/m. În Si de exemplu, cu cm⋅Ω= 10ρ 12=ε , rezultå

11D 10−=θ s. Cum de-o parte çi de alta a regiunii de sarcinå spaÆialå, concentraÆiile

purtåtorilor de sarcinå sunt mai mari, aceçtia vor difuza spre contactele ohmice,unde, concentraÆiile sunt mai mici. Simultan datoritå proceselor de recombinare,concentraÆiile purtåtorilor de sarcinå vor scådea, tinzând spre valorile de echilibru.

Fig. 8.3 InjecÆia çi recombinarea purtåtorilor de sarcinå în joncÆiunea p-n:a) echilibrul termic; b) joncÆiune p-n polarizatå direct cu tensiune V

Rezultå cå, cu cât concentraÆiile purtåtorilor de sarcinå majoritari sunt maimari, cu atât mai mari vor fi çi concentraÆiile purtåtorilor de neechilibru, iarregiunea de sarcinå spaÆialå va fi mai îngustå.

La echilibrul termic, nivelul Fermi se aflå în interiorul benzilor energeticepermise.

Dioda laser 129129129129129

Când pe joncÆiune se aplicå tensiunea V de polarizare directå, cum regiunilen çi p au conductivitate mare, aceasta va cådea în principal pe regiunea de sarcinåspaÆialå cu rezistivitate mare.

Departe de regiunea de sarcinå spaÆialå, distribuÆia purtåtorilor se poate descriecu ajutorul cvasinivelelor Fermi. În vecinåtatea regiunii stratului de sarcinåspaÆialå înså, datoritå injecÆiei çi difuziei, çi deci creçterii concentraÆiilorpurtåtorilor de sarcinå minoritari, cvasinivelul Fermi pentru electroni în regiuneap va urca, iar în regiunea n, cvasinivelul Fermi pentru goluri va coborî pânåatinge nivelul Fermi pentru purtåtorii de sarcinå majoritari. DistanÆa dintrecvasinivelele Fermi va fi:

pn FF EEqV −= (8.15)

Recombinarea radiantå bandå – bandå, cu emisie spontanå sau stimulatå, deradiaÆie are loc cu probabilitate mare, când în vecinåtatea aceluiaçi punct suntrealizate concentraÆii mari ale purtåtorilor de sarcinå de neechilibru.

Prin urmare recombinarea radiantå va avea loc în imediata vecinåtate astratului de sarcinå spaÆialå, sau chiar în interiorul regiunii de sarcinå spaÆialå,unde electronii care difuzeazå într-un sens se vor recombina cu golurile caredifuzeazå în sens opus. Astfel, curentul care trece prin diodå va fi determinat defluxurile de difuzie ale celor douå tipuri de purtåtori de sarcinå çi de viteza lorde recombinare.

În vecinåtatea planului deseparare a regiunilor n çi p alejoncÆiunii np− polarizate directse formeazå o regiune de gro-sime d, numitå regiune activå,unde concentraÆiile purtåtorilorde sarcinå de neechilibru suntmari çi predominå procesele derecombinare radiantå, figura 8.4.

Aceastå regiune are o grosimede ordinul lungimii de difuzie apurtåtorilor de sarcinå çi aici sunt create condiÆiile inversiei de populaÆie, necesareobÆinerii unei emisii stimulate nete.

8.4.1 Caracteristicile generale a diodelor laserCavitatea opticå çi coeficientul de amplificare

Dacå ( )νρ este densitatea spectralå a energiei radiaÆiei, atunci intensitatea radiaÆiei( )νφ , definitå ca fiind numårul de cuante în intervalul cuprins între )d,( ν+νν , care

trec prin unitatea de suprafaÆå în unitatea de timp se poate scrie sub forma:

( ) ( )ννρ

νh

c=Φ , (8.16)

unde c este viteza luminii.

Fig. 8.4 Structura unei diode laser


Så presupunem o undå aproape monocromaticå de intensitate ( )νΦ care sepropagå într-un mediu activ pe direcÆia z.

Pentru variaÆia intensitåÆii undei pe direcÆia de propagare, putem scrie:

dzgd φ=Φ , (8.17)

unde g este o caracteristicå cantitativå a mediului activ çi poartå denumirea decoeficient de amplificare cuanticå sau câçtig.

Propagarea undei poate fi însoÆitå de diferite pierderi (absorbÆie, împråçtieri).Datoritå pierderilor variaÆia intensitåÆii undei va fi:

dzd i Φ=Φ α (8.18)

Luând în considerare câçtigul çi pierderile avem:

( ) dzgd i Φ−=Φ α (8.19)

prin integrare rezultå:

( )[ ]zg iα−Φ=Φ exp0 (8.20)

unde ( )00 Φ=Φ adicå intensitatea radiaÆiei în punctul 0=z .Intensitatea undei în mediul activ poate creçte dacå ig α≥ . ProprietåÆile de

amplificare ale mediului activ pot fi îmbunåtåÆite dacå se aplicå se aplicå principiulreacÆiei pozitive – o parte din radiaÆia amplificatå se reintroduce în mediul activunde este amplificatå din nou sau dacå reacÆia pozitivå este suficient de puternicåamplificarea poate depåçi pierderile totale iar „amplificarea“ se autoexcitå, trans-formându-se în generator, adicå mediul activ, va genera unda electromagneticåchiar dacå din exterior nu påtrunde radiaÆia.

Acest lucru se poate realiza prin interme-diul sistemelor cu oglinzi semitransparenteadicå un rezonator Fabry-Perot, figura 8.5.

Så presupunem cå unda incidentå deintensitate 10Φ , se deplaseazå de la oglinda1, cu coeficientul de reflexie R1 spre oglinda2, cu coeficientul de reflexie R2, distanÆadintre cele douå oglinzi fiind L.

Dupa prima reflexie pe oglinda 2, undacare intrå din nou în mediul activ va aveaintensitatea:

( )[ ]LgexpR i210 α−Φ (8.21)

Parcurgând distanÆa L, dupå reflexia pe oglinda 1, unda intrå din nou în mediulactiv cu intensitatea:

( )[ ]Lg2expRR 12110'10 α−Φ=Φ (8.22)

Fig. 8.5 Reprezentarea schematicåa rezonatorului Fabry –Perot

Dioda laser 131131131131131

Fenomenul de autoîntreÆinere are loc dacå 10'10 Φ≥Φ . Dacå Æinem cont de

relaÆia (8.12), avem cå:

( )[ ] 1Lg2expRR i21 ≥α− (8.23)

sau

21ip RR

1ln

L21

gg +α=≥ (8.24)

unde pg se numeçte coeficientul de prag al amplificårii.În laserii cu semiconductori, coeficientul de amplificare depinde de structura

benzilor energetice çi este funcÆie de nivelul de dopare, densitatea de curent,temperaturå çi frecvenÆå.

Curentul de pragPentru a realiza o emisie stimulatå peste nivelul absorbÆiei, dioda laser trebuie

aduså la un nivel de injecÆie suficient de mare. Odatå cu creçterea nivelului deinjecÆie, mai întâi se observå o emisie de radiaÆie care se caracterizeazå printr-uninterval spectral larg (≈ 100 nm), incoerentå çi cu o divergenÆå mare pe direcÆiade propagare, adicå un proces specific diodelor electroluminescente.

Pentru o anumitå valoare a curentului de injecÆie, numit curent de prag,apare efectul de emisie laser care este însoÆit de o creçtere rapidå a fluxuluiradiant. Curentul de prag al diodei laser corespunde valorii de prag a factoruluide amplificare pg valoare, la care injecÆia purtåtorilor de sarcinå compenseazåpierderile çi oscilaÆia se autoîntreÆine.

Purtåtorii de sarcinå injectaÆi, se pot recombina atât radiativ cât çi neradiativ.ConcentraÆia de neechilibru a purtåtorilor de sarcinå injectaÆi poate fi limitatåatât de timpul de viaÆå nrτ , cauzat de recombinårile neradiative cât çi de timpulde viaÆå rτ , datorat recombinårilor radiative, utile pentru efectul laser, fiind celeradiative.

Se defineçte randamentul cuantic intern, randamentul cu care este convertitåenergia de excitaÆie în energie electromagneticå, în interiorul semiconductorului.Timpul de viaÆå efectiv, τ, al perechii electron-gol este dat de relaÆia:

nrr

111τ

+τ

=τ

(8.25)

Mårimea τ

= 1Pr reprezintå, probabilitatea totalå de recombinare, iar

rrr

1P

τ=

probabilitatea de recombinare radiantå. Se defineçte randamentul intern iη aldiodei laser ca raportul dintre cele douå probabilitåÆi:

rnr

nr

rrr

ri P

Pτ+τ

τ=ττ==η . (8.26)


Pentru semiconductorii cu benzi energetice directe nrr τ<<τ çi 1i ≈η iar pentrucei benzi energetice indirecte nrr τ>>τ çi 4

i 10−≈η .Existå o dependenÆå liniarå între factorul de amplificare g çi densitatea de

curent, j, care trece prin diodå:

jg β= (8.27)

unde β este o constantå de proporÆionalitate. Pentru densitatea de curent j seobÆine relaÆia:

21

1ln

21

RRLj ip ββ

α += (8.28)

sau când RRR == 21 avem:

RLj ip

1ln

1ββ

α += (8.29)

Evaluåri experimentale dau pentru ( )110010 −−∈ cmiα iar pentru( )Acm /1010 42 −− −∈β . Existå o lungime a regiunii active L, optimå, pentru cå,

odatå cu creçterea acesteia, creçte çi puterea disipatå. Micçorarea curentului deprag Ip se mai poate realiza prin, diminuarea pierderilor interne iα , creçtereacoeficientului β , sau creçterea coeficientului de reflexie R.

Caracteristica curent – tensiuneDacå tensiunea de polarizare directå a diodei laser este V, atunci caracteristica

curent-tensiune va avea forma:

( )[ ] 1exp −−= SjS IRVaII (8.30)

unde SI este curentul de saturaÆie, aj un parametru al diodei iar RS este rezistenÆaserie a diodei. Valori tipice pentru dioda laser sunt: ( )Ω÷∈ 101R , 130 −≅ Vaj ,

211102 cmAj −⋅≈ .RelaÆia (8.30) descrie caracteristica curent-tensiune pânå la curentul de prag

Ip, deoarece dupå începerea emisiei radiaÆiei coerente, cåderea de tensiune pe odiodå laser idealå ar trebui så råmânå constantå.

Pentru valori ale curentului, mai mari decât curentul de prag, caracteristicacurent-tensiune a diodei laser se poate aproxima cu relaÆia:

SIRqEg

V += (8.31)

unde Eg este lårgimea benzii interzise.

Caracteristica watt – amperÎnseamnå dependenÆa puterii radiaÆiei emise în funcÆie de curentul de injecÆie.

Temperatura influenÆeazå puternic parametrii interni ai diodei laser. O mareparte din puterea de alimentare este disipatå în interiorul diodei laser sub formåde cåldurå.

Dioda laser 133133133133133

Puterea disipatå în interiorul laserului cu injecÆie constå din:

a) pierderi prin efect Jouleb) putere consumatå prin tranziÆii neradiativec) absorbÆie în interiorul laserului

Pierderile cauzate de transmisie se exprimå printr-un coeficient efectiv deabsorbÆie:

21

1ln

21

RRLE =α (8.32)

Raportul dintre, coeficientul efectiv de absorbÆie çi coeficientul de prag alamplificårii, exprimå raportul dintre radiaÆia emiså çi cea absorbitå în interior.Considerând çi pierderile de energie cauzate de tranziÆii neradiative, se poatescrie pentru randamentul cuantic extern:

21

211

ln21

1ln

21

RRL

RRLg

i

i

p

eiex

+==α

ηαη

η (8.33)

Sau dacå RRR == 21 :

( )Ri

iext

/1ln1

αη

η+

= (8.34)

Dacå I este curentul care trece prin dioda laser când se aplicå tensiunea Vatunci, pentru puterea totalå disipatå se poate scrie:

( ) Sextd RIIVP ⋅+−= 21 η . (8.35)

Puterea radiaÆiei laser emiså în exterior, Æinând cont de curentul de prag pIeste:

( )VIIP pextext −=η . (8.36)

Randamentul de conversie a energiei electrice în energie luminoaså se poatescrie ca:

+

==

q

IERI

PIUP

gs

extextp

2η (8.37)

valori tipice fiind în intervalul hp ≈ 20% ÷ 50%.


DependenÆa puterii radiaÆiei laser, Pext de intensitatea curentului I care treceprin dioda laser se numeçte caracteristica watt-amper. Panta caracteristicii senumeçte eficienÆå watt-amper diferenÆialå.

dIdPext

WA =η (8.38)

Astfel cå pentru puterea radiaÆiei laser emiså în exterior avem:

( )PWAext IIP −=η (8.39)

Principalele fenomene fizice care pot determina forma neliniarå a caracteristiciiwatt-amper sunt:

a) încålzirea regiunii active;b) absorbÆie multifotonicå;c) neomogenitåÆi speciale;d) creçterea eficienÆei pompajului datoritå diminuårii lungimii de difuzie a

purtåtorilor de sarcinå;e) autofocalizarea în spaÆiul canalelor de generare a radiaÆiei laser este

cauzatå de creçterea indicelui de refracÆie în aceste regiuni.

DistribuÆia spaÆialå a fascicolului de radiaÆieRadiaÆia generatå, este ghidatå de-a lungul regiunii active çi iese în exterior

printr-o deschidere, cu lårgimea comparabilå cu grosimea regiunii active çilungimea egalå cu låÆimea regiunii active. Deoarece lungimea de undå a radiaÆieiemise, este comparabilå cu grosimea ghidului de undå, au loc fenomene dedifracÆie. Unghiul de divergenÆå θ måsurat la distanÆa unde intensitatea radiaÆieiemise scade la jumåtate faÆå de valoarea maximå se poate evalua din relaÆia:

dλ

θ = (8.40)

unde λ este lungimea de undå iar d este grosimea regiunii active. În diodele dinGa As pentru mµλ 84,0= , la temperatura 77 K, md µ5,1≈ , avem 030≅θ .

În planul regiunii active, unghiul de divergenÆå va fi:

wλ

ϕ = (8.41)

unde w este lårgimea regiunii active. Deoarece valori tipice ale lui w sunt deaproximativ 100 mm rezultå ca unghiul de divergenÆå în planul regiunii activeva fi 05,0≈ϕ .

DivergenÆa fasciculului emis de cåtre dioda laser este asimetricå, cu semiunghiuride emisie (unghiuri de divergenÆå) între 05 çi 010 çi respectiv 010 çi 020 (în planuriparalele çi respectiv perpendiculare cu planul joncÆiunii). Un astfel de profil deemisie este reprezentat în figura 8.6 pentru un laser cu GaAs. Este figuratå porÆiuneadin fascicul care poate fi colimatå cu o lentilå convexå cu deschidere 1/f .

Dioda laser 135135135135135

PorÆiunile majoritare ale fasci-culului laser se gåsesc de regulå îninteriorul unei elipse cu secÆiu-nea cuprinså de la 12/6/ ff ×pânå la 6/8,1/ ff × . Folosindoptica cilindricå (lentile cilin-drice sau combinaÆii de prisme)se obÆine un fascicul laser circu-lar, altfel se pot folosi lentile sfe-rice care pot cupla peste 50% dinputerea emiså de diodå în fibreleoptice unimod çi aproape 100%în fibrele optice unimodale.

Constante de timpcaracteristice

La aplicarea unui impuls decurent unei diode apar douåefecte, mai întâi are loc o întâr-ziere iτ , pânå la apariÆia radiaÆieilaser çi apoi o creçtere a intensi-tåÆii radiaÆiei emise într-un interval de timp cτ pânå la valoarea maximå dinimpuls a radiaÆiei emise.

Pentru laserii cu semiconductori se mai defineçte constanta de timp Lτ , numitåconstantå de timp a rezonatorului optic:

Lτ – constanta de timp a rezonatorului optic:

( )=p

sL g

cn /τ

pg este valoarea de prag a câçtigului iar cns este inversul vitezei luminii însemiconductorul cu indice de refracÆie sn .

Timpul de întârziere iτ depinde de valoarea în impuls a curentului de prag Ip

çi de valoare de vârf a curentului de impuls I, conform relaÆiei:

I

Ipri

−=

1

1lnττ (8.42)

rτ fiind timpul de viaÆå determinat de procesele de recombinare radiantå.Pentru timpul de creçtere cτ se obÆine o relaÆie de forma:

I

I p

Lc

−=

1

ττ (8.43)

Fig. 8.6 Profilul fasciculului de radiaÆie emisde dioda laser


sau

I

I p

ric ⋅=

τητ

21 (8.44)

Timpul de creçtere în dioda laser scade odatå cu creçterea intensitåÆii curentuluide excitaÆie.

8.5 Tipuri de diode laserÎn funcÆie de natura cristalului semiconductor çi de structura joncÆiunii np−

existå o largå varietate de diode laser. Istoric diodele laser au evoluat din punctde vedere structural, de la diodele cu joncÆiune omogenå np− , din GaAs, ladiodele cu heterojoncÆiune AsGaAlGaAs xx −1/ , în care, prin introducerea înjoncÆiune, în jurul regiunii active din GaAs, a unor straturi subÆiri, depuse epitaxialdin AsGaAl xx −1 s-au îmbunåtåÆit performanÆele acestor diode ca putere deradiaÆie, randament, frecvenÆå de modulaÆie, duratå de viaÆå.

Din punct de vedere constructiv, dioda laser obiçnuitå, cu contacte metalicedepuse de-o parte çi de alta a joncÆiunii np− perpendicular pe pereÆii lateralisemireflectorizanÆi ai cavitåÆii rezonante, ca în figura 8.1, a devenit deja clasicå.Aceastå geometrie era adecvatå pentru diodele laser cu joncÆiune omogenå carenu puteau funcÆiona la temperatura camerei ( C025 ), decât în impulsuri de curentmare, de ordinul zecilor de amperi, de durate mici, çi cu frecvenÆe de repetiÆiede ordinul kilohertzilor.

În prezent se folosesc diodelelaser cu heterojoncÆiune, mai alesîn comunicaÆiile prin fibre optice,cu o geometrie diferitå, geometriade bandå (stripe geometry) adec-vatå atât structurii lor fizice, cât çicuplårii optime cu fibra. Ele suntcaracterizate prin faptul cå regiu-nea activå în care se concentreazåradiaÆia coerentå este limitatålateral, privind din direcÆia contac-tului electric al diodei, la o bandåîngustå, latå de numai câteva zecide micrometri, aça cum se poatevedea în figura 8.7 în care esteprezentatå structura diodei laser cudublå heterojoncÆiune çi geometriede bandå.

Prin geometria de bandå se reduce curentul de prag, se reduc çi se controleazåmodurile de oscilaÆie din cavitatea oscilantå çi se obÆine o rezistenÆå termicåscåzutå. În acelaçi timp, secÆiunea fasciculului de radiaÆie la ieçirea din regiunea

Fig. 8.7 Structura diodei laser cu dublåheterojoncÆiuneçi geometrie de bandå

Tipuri de diode laser 137137137137137

activå devine mai puÆin asimetricå, faÆå de cea a diodelor laser obiçnuite, lucrucare favorizeazå cuplarea a cât mai multå radiaÆie în fibra opticå cu secÆiuneacircularå. În figura 8.8 sunt prezentate câteva soluÆii constructive ale diodelorlaser cu heterojoncÆiune çi geometrie de bandå.

Dioda laser din figura 8.8 a) esteo diodå laser cu bandå metalicå, lacare anodul diodei laser este o lamelåmetalicå puså în contact cu stratulsubÆire +p al diodei, în rest fiind izo-latå din punct de vedere electric deacest strat prin intermediul unei peli-cule subÆiri din bioxid de siliciu. Încazul diodei laser din figura 8.8 b)regiunea activå se izoleazå cu excepÆiaunei porÆiuni centrale de låÆime re-duså (circa mµ10 ), de anodul diodei,printr-un bombardament cu un fas-cicul focalizat de protoni de energieînaltå; aceasta modificå structura cris-talinå a stratului subÆire AlGaAs tip

+p formând regiuni izolate electric de-oparte çi de alta a benzii de contact.

Structura de bandå în regiuneaactivå se poate realiza printr-o difuzieselectivå cu zinc (acceptor) sau sulf(donor) în ultimul strat subÆire aljoncÆiunii, ca în figura 8.8c), obÆinân-du-se astfel o diodå laser cu bandåplanarå difuzatå. În figura 8.8 d) seprezintå o secÆiune printr-o diodålaser cu bandå îngropatå în joncÆiune,care poate fi consideratå o variantå adiodelor laser cu bandå difuzatå pla-nar, numai cå în acest caz, prin difuzieselectivå de zinc în profunzimeacristalului semiconductor, joncÆiunea

np− a diodei este încadratå de-o parteçi de alta de straturi +p care împiedicåpierderile de purtåtori, reduc curentul de prag çi sporesc randamentul cuantic aldiodei. Ultimul tip de diodå laser cu heterojoncÆiune este dioda laser cu geometriede bandå MESA, realizatå prin creçterea epitaxialå a tuturor straturilor subÆiri alejoncÆiunii, pe substratul din GaAs, în formå de bandå, mai îngustå decât substratulsemiconductor.

Fig. 8.8 Exemple de structuri de diode lasercu heterojoncÆiune çi geometriede bandå

e)

a)

b) c)

d)

138138138138138 Capitolul 9 Fibra opticå

Un tip mai nou de structurå cu dublå heterojoncÆiune îl constituie dioda lasercu dubla heterojoncÆiune multiplå ( Multiple Quantum Well – MQW), în careregiunea activå este realizatå prin depuneri de straturi foarte subÆiri (circa 10nm) de GaAs intercalate de straturi la fel de subÆiri din AsGaAl xx −1 . Într-o astfelde diodå laser cu 6 straturi active emisive din GaAs, separate între ele prin 5straturi subÆiri din AsGaAl xx −1 , se propagå numai modul fundamental, modurilesuperioare nefiind declançate datoritå amplificårii lor reduse çi atenuårii lorrapide în structurile din AsGaAl xx −1 .

În figura 8.9 este reprezentatåvariaÆia indicelui de refracÆie înregiunea activå cu straturi subÆiriintercalate; 6,3=an este indicele derefracÆie din GaAs iar 4,3== cb nneste valoarea indicelui de refrac-Æie în straturile subÆiri din AlGaAsçi în straturile adiacente, exte-rioare regiunii active. Grosimeacelor 11 straturi subÆiri interca-late este aceeaçi mndd ba 12== . Comportarea unei astfel de diode cu dublå hete-rojoncÆiune multiplå este asemånåtoare cu cea a diodei cu dublå heterojoncÆiuneobiçnuitå. Ea are avantajul unei emisii laser unimod stabile çi al unui fascicullaser cu directivitate ridicatå, adicå cu un randament de cuplaj foarte bun.

Diodele laser sunt surse optice recomandate în comunicaÆiile prin fibre opticedeoarece au urmåtoarele proprietåÆi:

lungime de undå de emisie optimå, adaptatå domeniului spectral în careatenuarea çi dispersia de material în fibra opticå sunt minime;

bandå spectralå de emisie îngustå çi ca urmare dispersie reduså a impul-surilor în fibra opticå, datoritå întârzierii de grup reduse;

randament mare de cuplaj în fibra opticå, datorat unei divergenÆe reduse afasciculului emis de diodå (sub 100);

posibilitate de modulaÆie cu purtåtoare continuå sau în impulsuri, de ordinula 1 GHz sau 2 Gbit/s;

randament electric ridicat (circa 20%); curenÆi de prag în diodå de ordinulsutelor de miliamperi (în cazul diodelor laser cu dublå heterojoncÆiune çigeometrie de bandå).

Ca deficienÆe trebuie notat preÆul de cost destul de ridicat, faÆå de cel aldiodelor electroluminescente, din cauza unei tehnologii pretenÆioase, precum çidurata de funcÆionare, de circa 10 000 ore mai micå decât cea a LED-urilor.

Fig. 8.9 Structura diodei laser cu dublåheterojoncÆiune MQW

Introducere 139139139139139

Capitolul 9 FibrFibrFibrFibrFibra opticåa opticåa opticåa opticåa opticå

9.1 IntroducereFibra opticå este un mediul transparent la radiaÆia luminoaså format dintr-un

miez dielectric (sticlå, plastic) cu indicele de refracÆie n1 înconjurat de un înveliçcu indice de refracÆie n2 mai mic, adicå 21 nn > .

Principala aplicaÆie a fibrelor optice este în domeniul comunicaÆiilor çi se bazeazåpe fenomenul de reflexie internå. Primele fibre optice au fost folosite în tehnicalaserilor, în anul 1961, erau confecÆionate din sticlå dopatå cu neodim çi se prezentausub formå de bare cilindrice cu diametrul de 20…100 mµ çi cu lungimea de numai1m. Ele aveau o structurå omogenå çi se foloseau pentru transmisia radiaÆiei emisåde un laser cu mediu activ solid. Utilizarea fibrelor optice ca mediu de transmisiepe purtåtoare laser a fost propuså în anul 1966, de cåtre Kao çi Hockham, daratenuarea radiaÆiei în fibrå era încå extrem de mare, de circa 1000 dB/km, ceea cefåcea nepracticå folosirea lor. Realizarea experimentalå în 1970, de cåtre firmaCorning Glass, a unei fibre optice cu atenuare specificå de numai 20 dB/km adeschis cale spre gåsirea de noi materiale din care prin tehnologii specifice fibreleså poatå fi utilizate în telecomunicaÆii çi alte domenii.

Materialul dielectric utilizat pentru obÆinerea fibrelor optice trebuie såråspundå urmåtoarelor cerinÆe generale:

så aibå transparenÆå cât mai bunå la lungimea de undå a semnalului luminosfolosit;

så posede stabilitate chimicå cât mai bunå în timp; så fie uçor prelucrabil în toate fazele procesului tehnologic.

Materialele cu cea mai largå utilizare se pot grupa în trei categorii:

bioxid de siliciu pur çi amestecuri ale acestuia cu alÆi oxizi în cantitåÆi mici,numiÆi dopanÆi;

sticle multicompozite; materiale plastice.

Realizarea de detectori çi surse de luminå performante çi ieftine a fåcut posibilådezvoltarea de aplicaÆii multiple.


Dintre avantajele utilizårii fibrelor optice enumeråm:

asigurå o capacitate de transfer de informaÆii mare, în sistemele de comuni-caÆii, datoritå utilizårii frecvenÆelor din domeniul optic;

fibrele optice sunt imune la interferenÆe electromagnetice; sunt mai uçor de instalat çi întreÆinut; pot fi folosite în medii lichide, gazoase; mai mici ca dimensiuni çi mai uçoare decât cablurile din Cu; prezintå o bunå securitate a informaÆiei; au timp de exploatare mai mare decât cablurile electrice; costurile de instalare ale unui sistem cu fibrå opticå sunt mai mari, dar se

reduc în timp semnificativ.

Structurile care reflectå raza de luminå pot fi:

structuri paralelipipedice çi se numesc ghizi de undå; structuri cilindrice çi le numim fibre optice.

Fie o fibrå opticå çi n1 indicele de refracÆie a miezului, n2 indicele de refracÆiea înveliçului çi n0 indicele de refracÆie a mediului din care intrå în fibrå, radiaÆia,figura 9.1 a,b).

Fig. 9.1 a) SecÆiune în fibra opticå; b) fibra opticå curbatå

Aplicând legea refracÆiei la interfaÆa dintre mediile cu n0 çi n1 avem:

1100 sinnsinn θθ = (9.1)

La interfaÆa dintre mediile cu n1 çi n2 trebuie så avem reflexie totalå ceea ceimpune pentru unghiul de incidenÆå relaÆia:

2sinnsinn 2c1

πθ = (9.2)

Cθ se numeçte unghi limitå. CondiÆia necesarå pentru ca raza de luminå så sepropage în interiorul fibrei optice este ca, la interfaÆa dintre miez çi înveliç razade luminå så fie incidentå sub un unghi mai mare decât unghiul limitå

1

2C n

nsinarc=θ .

Clasificarea fibrelor optice 141141141141141

Mårimea 1100 sinnsinnAN θθ == se numeçte aperturå numericå a fibrei.Exprimatå în funcÆie de indicii n1 çi n2 ea are expresia:

2

1

21 n

n1nAN

−= (9.3)

relaÆia fiind valabilå pentru curburi mici ale fibrei.Apertura numericå depinde de raza de curburå a fibrei optice çi de diametrul

fibrei optice a, figura 9.1 b). Se aratå cå existå relaÆia:

θ2

2

1 sin

2a

R

2a

R1nAN

−

+−= (9.4)

Apertura numericå scade odatå cu mårirea razei de curburå. Punând condiÆiaca apertura numericå så fie egalå cu zero obÆinem raza de curburå minimå:

21

21min nn

nn2a

R−+

⋅= . (9.5)

Conul de acceptare este regiunea din spaÆiu în care, dacå intrå în fibrå, razade luminå este reflectatå în interiorul fibrei, astfel cå între unghiul de acceptareα çi apertura numericå avem relaÆia:

αcosnAN 0= (9.6)

Se defineçte diferenÆa normatå ∆ a indicilor de refracÆie ca fiind:

( )( )1

2121

212121

22

21

nnn

n2nnnn

n2nn −≈−+=−=∆ (9.7)

deoarece valorile lui n1 çi n2 diferå foarte puÆin în valoare absolutå ( 1<<∆ ). Caurmare pentru apertura numericå mai putem scrie:

∆≅ 2nAN 1 (9.8)

Apertura numericå este o caracteristicå a fibrei optice, în funcÆie de care sepot evalua calitåÆile acesteia, mai ales modul de transmitere a radiaÆiei luminoase.

9.2 Clasificarea fibrelor opticeFibrele optice pot fi clasificate dupå numårul modurilor care se propagå prin

fibrå în douå categorii, fibre unimod çi multimod. ÎmpårÆirea în aceste categoriieste legatå de diametrul miezului, valoarea acestuia fiind comparabilå cu lungi-mea de undå a radiaÆiei incidente. Fibrele unimod nu se pot cupla decât cu sursede radiaÆie laser coerentå.


Fibrele optice multimod, au diametrul miezului mult mai mare decât lungimeade undå a radiaÆiei incidente, ele vor permite deci toleranÆe mari în dimensiunilelor, ale elementelor de cuplare cu sursa çi chiar ale surselor de radiaÆie. Fibreleoptice multimod, permit utilizarea unor surse de radiaÆie incoerente, ieftine çisigure în exploatare (LED-uri) ceea ce uçureazå problemele de manipulare çiîmbinare. Au înså dezavantajul creçterii duratei impulsurilor optice care sepropagå prin ele, creçtere datoratå fenomenului de dispersie a impulsului deradiaÆie multimod în interiorul fibrei. Acest dezavantaj poate fi înså înlåturatprintr-o structurå adecvatå a fibrei optice, în special printr-o distribuÆie cores-punzåtoare a indicelui de refracÆie al miezului fibrei.

În funcÆie de distribuÆia radialå a indicelui de refracÆie, fibrele se împart înfibre optice cu discontinuitate, FOD, çi fibre optice cu variaÆie continuå, gradatå,a indicelui de refracÆie în secÆiunea miezului, çi cu valoare constantå a acestuiindice în înveliç, pe care le vom numi fibre optice gradate, FOG. VariaÆia profiluluiindicelui de refracÆie poate fi scriså:

≥<

=ar;n

ar;n)r(n

2

1 (9.9)

În figura 9.2 este prezentat variaÆia profilului indicelui de refracÆie pentrufibra opticå discontinuå, precum çi modul de propagare a radiaÆiei multimod çiunimod.

Fig. 9.2 Fibra opticå discontinuå: a) multimod; b) unimod.

Pentru fibra opticå gradatå variaÆia profilului indicelui de refracÆie este datde o relaÆie de forma:

Bazele teoretice ale propagårii radiaÆiei prin fibra opticå 143143143143143

( )

≥=∆−=∆−=

≤≤

∆−=

arnnnrn

arar

nrn

2121

1

21

1

)1(21)(

021)(α

(9.10)

Fig. 9.3 Fibra opticå gradatå, propagarea multimod.

Pentru 2≈α se obÆine un profil aproape pa-rabolic, aça numita fibrå SELFOC, cu proprie-tatea cå pierderile prin fibra cu un astfel deprofil sunt minime.

În funcÆie de parametrul α , putem da variaÆiaindicelui de refracÆie, figura 9.4, astfel pentru

1=α , avem un profil triunghiular, pentru 2=αcel parabolic iar pentru ∞→α profilul FOD.

9.3 Bazele teoretice ale propagårii radiaÆiei prin fibra opticå

Fibra opticå este un ghid de undå dielectric care lucreazå la frecvenÆe optice.De obicei, ghidul de undå are formå cilindricå, el direcÆioneazå energia electro-magneticå sub formå de luminå în interiorul suprafeÆelor sale çi transmite luminape o direcÆie paralelå cu axa sa. Transmisia luminii prin ghidul de undå opticeste determinatå de caracteristicile de structurå çi au o influenÆå mare asuprapropagårii semnalului optic.

Propagarea luminii de-a lungul ghidului de undå poate fi descriså de un setde unde electromagnetice ghidate numite moduri ale ghizilor de undå.

Fiecare mod ghidat reprezintå o formå a liniilor câmpului electric çi magneticcare se repetå de-a lungul fibrei la intervale egale cu lungimea de undå. De-alungul fibrei numai un anumit numår de moduri se pot propaga. Aceste modurisunt cele care satisfac ecuaÆia undei în fibrå çi condiÆiile de margine la suprafeÆeleghidului de undå. SoluÆia exactå a ecuaÆiilor lui Maxwell pentru miezul cilindricomogen al dielectricului ghidului de undå include calcule multe çi se obÆine un

Fig. 9.4 Reprezentarea generalåa indicelui de refracÆie


rezultat complex. Componentele intensitåÆii de câmp electric çi magnetic alemodurilor de propagare sunt soluÆii ale ecuaÆiei scalare a undei.

022

2

2

2

2

2

02 =+

∂∂+

∂∂+

∂∂=+∆ εµϕω

ϕϕϕϕεµωϕ

zyx(9.11)

unde ϕ reprezintå oricare din componentele zyxzyx HHHEEE ,,,,, .În coordonate cilindrice ecuaÆia undei pe direcÆia de propagare, z, este:

( ) 011 22

2

2

2

2

22

2

=−+∂∂+

∂∂

⋅+∂∂

⋅+∂∂

zzzzz

zrrrrϕβεµω

ϕθϕϕϕ

(9.12)

în care ββ =z este componenta pe axa Oz a constantei de propagare λπ2=k .Æinând cont de relaÆiile, λπω c2= çi 2221 cnv ==µε , relaÆia 9.12 devine:

( ) 0nkzr

1rr

1r z

2222z

2

2z

2

2z

2z

2

=ϕβ−+∂ϕ∂+

θ∂ϕ∂⋅+

∂ϕ∂⋅+

∂ϕ∂ (9.13)

unde trebuie så se Æinå seama cå )(rnn = adicå avem variaÆia indicelui de refracÆieîn funcÆie de distanÆa r, faÆå de axa fibrei.

Pentru rezolvare, se cautå o soluÆie de forma funcÆiilor armonice în t çi z

( ) ( ) ( )ztjz er ϒ∂°♥♥♥ −= 21 (9.14)

separând variabilele θ,r rezultå o variaÆie θlje pentru )(θϕ z çi urmåtoarea ecuaÆiediferenÆialå pentru )(1 rϕ

01

12

22221

21

2

=

−−+⋅+ ϕβ

ϕϕrl

nkdr

drdr

d (9.15)

l fiind numårul de mod çi care poate fi rezolvatå când Æinem cont de condiÆiile lalimitå specifice unei anumite structuri radiale a fibrei optice.

9.3.1 Moduri de propagare pentru fibra opticå discontinuåPentru fibra opticå discontinuå, 1)( nrn = , relaÆia (9.15) devine:

01

12

222

01

21

2

=

−−+⋅+ ϕβ

ϕϕrl

kdr

drdr

d (9.16)

unde λπ 10 2 nk = . CondiÆiile la limitå impun o soluÆie finitå pe axå ( 0=r ) çi osoluÆie nulå atunci când ∞→r .

RelaÆia (9.16) este ecuaÆia diferenÆialå a lui Bessel în care înlocuind 1ϕ prin Ez

çi Hz se obÆin urmåtoarele soluÆii:

în interiorul miezului ar ≤ , componentele axiale ale câmpului electric çimagnetic sunt reprezentate, în acest caz, prin funcÆii Bessel de ordinul l:


θ

θ

ljlz

ljlz

ear

uBJH

ear

uAJE

=

=

(9.17)

unde )( 221

22 β−= kau , 21

221 nkk ⋅= , iar A çi B sunt constante.

În înveliç, ar ≥ , funcÆiile Bessel sunt înlocuite cu funcÆii Hankel modificate,de ordinul l, prima speÆå:

θ

θ

ljlz

ljlz

ear

wDKH

ear

wCKE

=

=

)1(

)1(

(9.18)

unde a este raza secÆiunii circulare a fibrei,

)( 222

22 β−= kaw , (9.19)22

222 nkk ⋅= , (9.20)

iar C çi D sunt constante.Se observå cå suma:

( )22

21

222 2nn

auwv −

=+=

λπ

(9.21)

reprezintå constanta de structurå a ghidului. Ea are aceeaçi valoare pentrutoate modurile çi delimiteazå numårul modurilor de propagare în fibrå. Din

relaÆiile (9.17), (9.18) se pot trage câteva concluzii. Dacå ∞→

ar

w ,

ar

w

l ear

wK−

→

)1( , ceea ce înseamnå cå dacå ( )0, >∞→ wr constanta de propa-

gare 2k≥β . Egalitatea ( )02 == wkβ reprezintå limita de propagare a moduluiîn înveliç la care se produce blocarea propagårii modului în miezul fibrei.

Valoarea constantei de structurå, v, în momentul blocårii unui mod, ( )0=weste din acest motiv caracteristicå fiecårui mod în fibrå; ea este numitå constantåcriticå de structurå, cv . În fibrå se vor propaga numai acele moduri a cårorconstantå criticå de structurå, numitå çi frecvenÆå unghiularå normatå deblocare, este mai micå decât constanta de structurå a fibrei, v. În interiorulmiezului, u trebuie så fie real çi deci β≥1k . Din ultimile douå inegalitåÆi segåseçte domeniul de variaÆie a constantei de propagare:

12 kk ≤≤ β (9.22)


SoluÆia exactå a lui β se poate gåsi deci din condiÆia de continuitate acomponentelor câmpului electric çi magnetic, în miez çi înveliç, la limita deseparare ar = . Din aceastå condiÆie, dupå o serie de calcule destul de laborioase,se obÆine ecuaÆia proprie a constantei de propagare β :

( )( )

( )( )

( )( )

( )( )

+=

+⋅

+ 22

222'2

2'2

1'' 11

wual

uuKuKk

uuJuJk

uuKuK

uuJuJ

l

l

l

l

l

l

l

l β (9.23)

Valorile proprii u çi w pot fi determinate deci din condiÆia la limitå aplicatårelaÆiilor (9.18),(9.22). Pentru 0=l , vectorii câmp electric çi magnetic din inte-riorul miezului se reduc la moduri transversal electrice, )0( =zHTE çi transversalmagnetice, )0( =zETM , radial simetrice, exact ca în cazul unui cilindru conductor

electric. Din cauza naturii oscilante a funcÆiei Bessel,

ar

uJl , vor exista în acest

caz m rådåcini ale ecuaÆiilor (9.18) care satisfac condiÆia 2klm ≥β . Aceste moduricorespund unei distribuÆii uniforme a razelor de luminå incidente în fibrå subacelaçi unghi faÆå de normalå. Pentru 0≠l , modurile nu mai sunt transversalelectrice sau magnetice ci devin hibride, conÆinând ambele componente alecâmpului, de forma HElm sau EHlm, dupå cum predominå caracterul magnetic,sau cel electric.

Constanta de structurå, v, determinå numårul modurilor de propagare înfibra opticå. Pentru 4048,2=≤ cvv la care se produce blocarea modului TE01,existå un singur mod de propagare, HE11, cu douå polarizåri posibile, celelaltemoduri anulându-se la valori mai mari ale lui v. Se pot alege dimensiunilemiezului în aça fel încât prin fibrå så se propage un singur mod, HE11, ceea ceînseamnå cå avem de-a face cu o fibrå unimod. Fiecare dintre modurile ce aparpe rând prin creçterea lui v, inclusiv modul fundamental HE11 sunt dubludegenerate. Degenerarea se explicå prin aceea cå în ghidurile de undå cu secÆiunecircularå toate orientårile câmpului sunt simetrice, permiÆând existenÆa a douåmoduri cu acelaçi β , ortogonale între ele.

Propagarea unimod se realizeazå practic proiectând miezul astfel încâtdiametrul acestuia så fie egal cu câteva lungimi de undå, λ iar diferenÆa normatå,

∆ så fie foarte micå ( )1<<∆ . Deoarece λ

π ∆= 12 an

v se observå cå diametrul

miezului çi diferenÆa normatå ∆, pot fi variate separat într-un domeniu destul de larg,cu condiÆia ca 4048,2>v . Pe måsurå ce constanta de structurå v, creçte, se måreçteçi numårul de moduri permise în fibrå. Acest numår poate fi aproximat cu relaÆia:

( ) ∆=∆=≈ 221

21

2

2akkan

vM . (9.24)

Descrierea propagårii modurilor într-un ghid de undå cilindric, cu disconti-nuitate a indicelui de refracÆie, poate fi fåcutå cu ajutorul ecuaÆiilor lui Maxwell


numai rezolvând un sistem destul de complicat de ecuaÆii transcendente. Dacåînså se considerå ipoteza simplificatoare, foarte apropiatå de realitate, cå miezuleste extrem de subÆire faÆå de înveliç iar diferenÆa dintre indicii de refracÆie foartemicå, majoritatea modurilor vor fi suprimate, cele råmase propagându-se cupierderi. Aceastå ipotezå, a fibrelor optice cu gradient scåzut, duce la rezultatul cåsoluÆiile ecuaÆiilor lui Maxwell vor fi mult mai simple, cå ele vor fi valabile pentrutoate lungimile de undå, cu o precizie datå de ordinul de mårime al diferenÆei ∆.

9.3.2 Moduri de propagare pentru fibra opticå gradatåStudierea propagårii luminii în fibrele optice gradate (FOG) a cåpåtat

importanÆå prin extinderea folosirii acestui tip de fibrå în comunicaÆii. Fibreleoptice gradate se pot folosi împreunå cu surse incoerente de radiaÆie çi permitviteze crescute de transmisie în impulsuri datoritå unei dispersii reduse, încomparaÆie cu fibrele optice cu discontinuitate (FOD). Analiza propagårii într-ofibrå opticå gradatå se poate face folosind metodele opticii geometrice, ecuaÆiilelui Maxwell sau aproximaÆia WKBJ.

Dacå indicele se modificå puÆin pe o distanÆå de ordinul lungimii se poateaplica metoda de aproximaÆie WKBJ (Wentzel, Kramers, Brillouin, Jeffreys), caredå pentru ecuaÆia (9.13) o soluÆie de unde plane superpuse:

( ) ( )

++== ...

1exp 10001 S

kSjker rjkS ϕϕϕ (9.25)

dar pentru cå indicele se modificå puÆin cu r, S(r) este practic egal cu S0. Intro-ducând o astfel de soluÆie în (9.13) se poate calcula parametrul S0:

( ) drrv

rnkkSr

r

21

2

2222

0

2

1

∫

−−±= β (9.26)

În miezul fibrei avem propagare de moduri, moduri legate, doar dacå S0 estereal. Pentru aceasta partea de sub radical in relaÆia (9.26) trebuie så fie maimare decât zero çi aceasta se întâmplå pentru douå valori r1 çi r2 aça cum sespecificå în limitele de integrare. De notat înså cå aceste douå valori sunt funcÆiide v çi modurile ghidate vor exista doar în domeniul dat de ele. Drumul urmatde razele de luminå având ca extreme cele douå valori r1 çi r2 determinå douåsuprafeÆe cilindrice coaxiale numite suprafeÆe caustice ce au ca raze interioareçi exterioare r1 çi r2. Valorile r1 çi r2 pentru care integrandul este zero se numescpuncte de întoarcere.

Pentru a avea un mod legat de propagare în FOG, fiecare undå asociatå razelorcongruente corespunzåtor acelui mod, trebuie så interfere constructiv cu ea însåçiastfel încât så formeze unde staÆionare pe direcÆia de propagare radial transver-salå. Acest lucru impune ca faza funcÆiei lui S0 între r1 çi r2 så fie un multiplu deπ astfel cå:


( )∫ ≅

−−

2

1

21

2

2222

r

rmdr

rv

rnk πβ (9.27),

unde ,...1,0=m este numårul radial de mod ce indicå numårul de semi-perioadeîntre cele douå puncte de întoarcere iar r1 çi r2 sunt valorile lui r pentru care:

( ) 02

2222 =−−

rv

rnk β . (9.28)

Numårul total de moduri legate )(βm poate fi gåsit însumând relaÆia (9.27)pentru toate valorile de la 0 la maxv unde maxv este cea mai mare valoare a unuimod legat pentru o valoare datå a lui β . Dacå maxv este un numår mare, sumapoate fi înlocuitå cu o integralå çi avem:

∫ ∫

−−=

max 2

10

)(

)(

21

2

2222 )(

4)(

v vr

vrdvdr

rv

rnkm βπ

β . (9.29)

Factorul 4 apare datoritå faptului cå fiecare pereche ),( vm desemneazå ungrup degenerat de patru moduri cu polarizare sau orientare diferitå. Dacå schim-båm ordinea de integrare, limita inferioarå a lui r trebuie så fie 01 =r pentru aputea numåra toate modurile, iar limita superioarå a lui v este gåsitå din condiÆia:

( ) 02

2max222 =−−r

vrnk β . (9.30)

Astfel cå:

∫ ∫

−−=

2 max

0 0

21

2

2222 )(

4)(

r v

drdvrv

rnkm βπ

β . (9.31)

Evaluând integrala în raport cu v unde maxv este dat de relaÆia (9.30) obÆinem:

[ ]∫ −=2

0

222 )()(r

rdrrnkm ββ (9.32)

Pentru a evalua expresia så consideråm profilul indicelui de refracÆie dat derelaÆia (9.10). Limita superioarå de integrare r2 este determinatå din condiÆia ca:

β=)(rkn

care combinatå cu relaÆia (9.10) då:

αβ1

21

2

2

2 121

−

∆=

nkar (9.33)


astfel cå numårul de moduri este:

αα

βααβ

)2(

21

2

221

221

22

22)(

+

∆

−+

∆=nk

nknkam (9.34)

Toate modurile legate în fibrå trebuie så aibå 2kn≥β . Dacå nu este îndeplinitåaceastå condiÆie, modul nu se mai propagå în totalitate în miez çi apar pierderide putere a radiaÆiei în înveliçul fibrei. Numårul maxim de moduri legate M segåseçte Æinând cont cå:

)1(12 ∆−== knknβ

astfel cå:

∆+

== 21

222 2)( nkaknmM

αα

. (9.35)

Cu relaÆia (9.35) se pot deci calcula numårul total de moduri legate pentru ofibra opticå gradatå având profilul indicelui de refracÆie dat de relaÆia (9.10).

În tabelul 9.1 sunt date corespondenÆele dintre modurile liniar polarizate LPîn fibrå çi cele tradiÆionale.

Nume mod LP Nume mod Grad degenerare

LP01 HE11 2

LP11 HE21, TE01, TM01 4

LP21 HE31, EH11 4

LP02 HE12 2

LP31 HE41, EH21 4

LP12 HE22, TE02, TM02 4

LPlm HE2m, TE0m, TM0m 4

LPlm (l ≠ 0 sau 1) HEl+1,m, EHl-1,m. 4

În cazul general avem:

1. fiecare mod LP0m derivå dintr-un mod HE2m;2. fiecare mod LP1m derivå din modurile TE0m, TM0m çi HE2m;3. fiecare mod LPlm ( 2l ≥ ) derivå dintr-un mod HEl+1,m çi HEl–1,m.

9.3.3 Dispersia radiaÆiei în fibra opticåFactorul care limiteazå frecvenÆa superioarå a benzii de trecere a unei fibre

optice este distorsiunea semnalului, fenomen ce se manifestå în momentulpropagårii impulsurilor de radiaÆie prin fibrå. Aceastå distorsiune, numitå de obiceidistorsiune de întârziere sau de duratå, se manifestå mai ales prin creçterea duratei


impulsurilor ce se propagå prin fibrå; ea este rezultatul fenomenului de dispersie aradiaÆiei în fibra opticå, fenomen datorat unor cauze multiple ca, de exemplu,variaÆia indicelui de refracÆie al materialului din care este confecÆionatå fibra, culungimea de undå a radiaÆiei incidente, imperfecÆiunile structurale çi mecanice îninteriorul fibrei, ca çi discontinuitåÆile create de tensiunile mecanice ce pot apåreaîn timpul cablårii, sau de variaÆii de temperaturå ale fibrei. Aceste efecte mecanice,termice sau de altå naturå duc la mixåri de moduri, schimburi de radiaÆie intreacestea çi implicit, la pierderi de radiaÆie care pe lângå creçterea totalå a atenuårii,produc o dispersie temporalå, nu întotdeauna liniar dependentå de lungimea fibrei.

Dispersia în fibrå are trei componente principale: dispersia ghidului de undå,dispersia materialå çi dispersia modalå. Primele douå componente ale dispersieitotale sunt caracteristice oricårui mod de propagare, dispersia ghidului de undåse datoreazå interdependenÆei dintre lungimea de undå çi constanta de structuråmodalå, v , iar dispersia materialå este rezultatul dependenÆei indicelui derefracÆie al fibrei de lungimea de undå a radiaÆiei incidente. Ele se pot grupaintr-un singur termen, numit dispersie intramodalå.

Dispersia intramodalå este dispersia ce se produce în interiorul fiecårui modde propagare çi reprezintå o måsurå a lårgirii duratei impulsului optic în interiorulfiecårui mod. Pe lângå cele douå pårÆi, dispersia ghidului de undå çi dispersiamaterialå, mai apare un termen hibrid,ca urmare a imposibilitåÆii practice deseparare totalå a primelor douå cauze de dispersie intramodalå.

Dispersia modalå sau intermodalå, se datoreazå diferenÆei dintre vitezele degrup ale diverselor grupuri, ea reprezintå diferenÆa dintre duratele de propagareale diverselor moduri prin fibrå. Vitezele de grup diferite duc la o împråçtiere atimpilor de grup çi implicit, la lårgirea impulsului de radiaÆie ce se propagå prinfibra opticå multimod.

9.4 Tehnologia fibrelor opticeProcedeele de fabricare a fibrelor optice din sticlå se bazeazå pe tehnologii de

fabricaÆie a sticlei optice, în majoritatea lor, folosesc metoda creuzetului dublu.Dacå înså la fabricarea fibrelor se utilizeazå sticla de silicå SiO2, care are unpunct de topire mult mai ridicat, decât sticlele de amestec, se folosesc tehnici dedepuneri chimice, prin oxidare din stare de vapori, tehnici bine cunoscute întehnologia diodei laser çi a altor dispozitive semiconductoare.

Metoda creuzetului dubluPentru a obÆine o fibrå opticå cu indici de refracÆie diferiÆi în miez çi înveliç,

prin metoda creuzetului dublu, ca materiale de bazå se folosesc douå sortimentede sticlå de amestec cu indici de refracÆie diferiÆi. Sticla cu indice de refracÆiemai mare va forma miezul fibrei, iar cealaltå va forma înveliçul. Printr-un procedeude schimburi ionice se pot obÆine variaÆii mici, continue, ale indicelui de refracÆieîn sticlå. Se aleg de regulå schimbåtori de ioni monovalenÆi, deoarece numaiaceçtia difuzeazå suficient de rapid în sticlå.

Tehnologia fibrelor optice 151151151151151

În metoda creuzetului dublu, materialelecomponente ale sticlei, oxizi de bariu, plumb çicarbonaÆi, se depun într-un creuzet de platinå puråçi se topesc la temperaturi C1500C1200 00 ÷într-un cuptor electric cu pat de siliciu. În procesulde topire, carbonaÆii alcalini se descompun îndiverçi produçi formând prin reacÆie tipul doritde sticlå; prin topiturå se trece, în acest timp, ungaz purificat pentru a creçte omogenitateaacesteia. Se iau måsuri totodatå så se eliminebulele de gaz care rezultå prin descompunereacarbonaÆilor. În urmåtoarea etapå a procesului,topitura este menÆinutå la o temperaturå cons-tantå C800o trågându-se din ea, cu o vitezå de circa 10 cm/minut, o barå de sticlå,cu secÆiune circularå çi diametrul de circa 5 cm, printr-un procedeu de rotire. SeobÆine o „preformå“ ce poate fi depozitatå în scopul în scopul folosirii, într-o etapåulterioarå, la tragerea fibrei optice. Sticla este traså în fibrå opticå cu ajutorul unuicreuzet dublu, figura 9.5.

Bara din care se va trage miezul fibrei se introduce în creuzetul interior iarcealaltå, din care se va trage înveliçul, în creuzetul exterior. Pentru a preveniapariÆia bulelor în incluziuni topirea trebuie så fie lentå la o temperaturå suficientde ridicatå. Sticla de amestec devine fluidå la circa C800o , schimbul ionic întremiez çi înveliç are loc într-o regiune îngustå, între cele douå creuzete, în careviteza de curgere este foarte reduså. Timpul de difuzie çi temperatura determinådistribuÆia radialå a ionilor de +Na çi +K çi deci profilul radial al indicelui derefracÆie în fibra opticå FOG, profil care poate fi controlat între anumite limite.Înainte ca fibra så ajungå pe tamburul pe care se înfåçoarå, ea trece printr-unvas conÆinând un material plastic de acoperire, de regulå un polimer çi apoiprintr-un cuptor electric tubular în care acesta polimerizeazå. Un dispozitiv demicromåsurare în buclå de reacÆie asigurå un control permanent, de precizie, aldiametrului fibrei çi regleazå viteza de înfåçurare a tamburului çi temperaturacreuzetelor. Metoda poate fi folositå atât pentru producerea fibrelor FOD, cât çia celor de tip FOG. Deçi prin acest procedeu de fabricare preÆul de cost estescåzut, pretându-se la o producÆie de maså, trebuie notat dezavantajul în ceeace priveçte dificultatea controlului profilului indicelui de refracÆie, dependent deviteza de tragere, cu implicaÆii asupra benzii de trecere. Un alt dezavantaj ar fiacela cå existå posibilitatea apariÆiei impuritåÆilor provenite atât din materialelede amestec, cât çi din compoziÆia creuzetului.

Este o metodå prin care se pot trage continuu fibre optice de lungimi oricâtde mari.

Fig. 9.5 Creuzetul dublu


Depuneri chimice din stare de vaporiDepunerea chimicå din stare de vapori a fost una din primele metode de

producere a fibrelor optice cu atenuare reduså, fiind în prezent metoda care permiteobÆinerea fibrelor cu atenuarea specificå minimå çi banda de trecere cea mai ridicatå,fiind utilizatå pentru prima datå în 1970 de firma Corning Glass cea care a produsprimele fibre cu atenuarea specificå de 20 dB/km. Procesul cuprindea trei etape.În prima etapå, se introduc, în stare gazoaså, SiCl4 çi GeCl4, care reacÆioneazå cuoxigenul, la temperaturå ridicatå, in interiorul unui tub din silicå purå:

2224 Cl2SiOOSiCl +→+

2224 Cl2GeOOGeCl +→+ .

Oxizii produçi prin acestereacÆii se depun pe supra-faÆa interioarå a tubului desilicå, care va deveni înfinal înveliçul fibrei optice.ConÆinutul de GeCl4 dinamestecul gazos trebuiecrescut treptat dacå sedoreçte o creçtere cores-punzåtoare a indicelui derefracÆie în miez. În acestcaz, zona de depunere prin reacÆie chimicå din stare de vapori, în care temperaturaînaltå C1600C1400 00 ÷ se obÆine prin încålzire localå cu un arzåtorhidrogen-oxigen, este limitatå a dimensiunile flåcårii. Pelicula de silicå, produsåîn aceastå zonå se depune pe pereÆii tubului, formând un strat de acoperire.ObÆinerea uniformå a unui astfel de strat devine posibilå prin rotirea tubului întimpul depunerii. În figura 9.6 este prezentatå depunerea sticlei optice în interiorulunui tub de silicå prin oxidare internå în stare de vapori.

Metoda a fost ulterior extinså çi prin alte procedee.

9.5 Cuplaje, îmbinåri, cabluri opticePrin fibrele optice existå trei tipuri de cuplaje prin care pot apårea atenuåri

suplimentare ale radiaÆiei: cuplajul de intrare dintre sursa de radiaÆie (o diodålaser sau un LED) çi cablul optic, cuplaje intermediare între diverse segmentede cablu optic numite de regulå îmbinåri çi cuplajul de ieçire, dintre cabluloptic çi fotodetectorul receptor. Dacå P1 este puterea radiaÆiei la intarea în cuplaj,iar P2 puterea radiaÆiei luminoase la ieçirea din cuplaj, relaÆia generalå caredescrie procesul de atenuare este:

)dB(PP

log102

1−=α (9.36)

Fig. 9.6 Depunerea sticlei optice prin oxidare internåîn stare de vapori.

Cuplaje, îmbinåri, cabluri optice 153153153153153

Atenuarea totalå a radiaÆiei în canalul optic de comunicaÆii se va calcula atuncicu relaÆia generalå:

CEIF NL ααααα ⋅+++⋅= (9.37)

unde L este lungimea fibrei, în km, Fα este atenuarea specificå a fibrei optice îndB/km, iar N çi Cα sunt numårul de cuplaje intermediare çi respectiv atenuareamedie în aceste cuplaje.

a) atenuåri în cuplajul de intrare

Existå cinci componente principale ale atenuarii unei radiaÆii incidente încuplajul de intrare în fibra opticå. Ele sunt reprezentate în figura 9.7.

Fig. 9.7 Principalele componente ale atenuårii radiaÆiei în cuplajul de intrare în cablul optic.

RadiaÆia neinterceptatå reprezintå porÆiunea din puterea sursei care nu ajungela capåtul månunchiului de fibre optice care constituie cablul optic. O parte dinputerea care ajunge în cablu cade pe suprafaÆa inactivå a fibrelor, fiind pierdutå.Aceasta corespunde unei atenuåri numite atenuare prin fracÆiunea de împache-tare. Puterea care ajunge în miezul fibrå este supuså unei atenuåri suplimentaredatoritå unghiului de acceptare limitat al fibrei optice, adicå datoritå aperturiinumerice a acesteia. Dar o parte din radiaÆia, acceptatå teoretic în fibrå se pierdeprin reflexii Fresnel la suprafaÆa de separaÆie miez/aer (mediul ambiant). Maiexistå apoi încå niçte factori care introduc atenuåri suplimentare, de valoaremicå, care afecteazå randamentul cuplajului, ca de exemplu lustruirea imperfectåsau ruperea unor capete ale fibrei.

b) atenuarea radiaÆiei în cuplajul de ieçire; fiecare dintre componentele atenuåriiradiaÆiei în cuplajul de ieçire din cablul optic este asemånåtoare cu cele de laintrare;

c) atenuarea radiaÆiei în cuplajul de ieçire; Îmbinårile dintre diversele segmentede cablu optic trebuie så asigure pierderi reduse de radiaÆie, så fie uçor derealizat, så fie stabile în timp, rezistente la çocuri, forÆe de apåsare çi torsionare.În acelaçi timp çi cuplajele de intrare çi de ieçire trebuie så satisfacå aceleaçicondiÆii. Existå surse de atenuåri care se pot grupa în trei categorii:


atenuåri datorate neconcordanÆei dintre parametrii fizico-geometrici aifibrelor cuplate;

atenuåri datorate pierderilor de radiaÆie prin reflexie çi difuzie; atenuåri datorate unor îmbinåri mecanice defectuoase care introduc nealinieri.

Printre cele mai importante cerinÆe pretinse cablurilor optice se enumerå;

o proiectare corespunzåtoare pentru minimizarea pierderilor optice introdusede çocurile mecanice;

rezistenÆå mare la întindere; stabilitate termicå în gama temperaturilor de lucru; rezistenÆå la påtrunderea vaporilor de apå; flexibilitate de încovoiere la rece; rezistenÆå la agenÆi chimici çi casare; uçurinÆå de interconectare çi instalare; preÆ scåzut çi întreÆinere ieftinå.

9.6 Senzori cu fibre opticeCa urmare a cerinÆei de îmbunåtåÆire a vitezei în industria comunicaÆiilor, în

ultimele decenii, fibra optica a fost foarte mult folositå ca senzor. Senzorii cufibrå au avantaje ca: greutate micå, dimensiune reduså, putere consumatå reduså,imunitate la câmpurile elctromagnetice exterioare, ieftine. Senzorii cu fibrå opticåsunt folosiÆi în aeronauticå, industria militarå, industrie, medicinå çi construcÆii.Tehnologiile noi de obÆinere a fibrei optice, care au dus la creçterea vitezei decomunicare, în combinaÆie cu preÆul scåzut al componentelor optoelectronice,au fåcut ca proiectarea senzorilor cu fibrå opticå så îi facå utili în multe aplicatii.

Senzori cu fibrå opticå pot fi clasificaÆi în douå categorii: senzori cu fibråopticå în care are loc atenuarea radiaÆiei luminoase çi senzori cu fibrå opticåinterferometrici.

La senzorii cu fibrå opticå cu intensitate atenuatå, influenÆa mediuluiînconjuråtor (ca fluctuaÆiile de temperaturå çi vibraÆiile acustice) schimbåcaracteristicile optice ale fibrei, unda de luminå care trece prin fibrå este atenuatå.

Într-un senzor cu fibrå opticå interferometric, caracteristicile radiaÆiei opticece se propagå de-a lungul fibrei sunt modulate de perturbaÆiile de mediu. Deexemplu, faza luminii modulate este detectatå interferometric prin comparaÆiecu faza celei iniÆiale.

Prin utilizarea fibrelor optice s-au dezvoltat dispozitive de måsurare a diferiÆilorparametrii fizici, ca de exemplu temperatura çi presiunea.

Se va considera în continuare, fibra ca senzor, cazul în care ea nu este unsimplu ghid de luminå.

În figura 9.8 este prezentatå schema de principiu pentru un senzor cu fibre cefoloseçte fenomenul de interferenÆå.

Fasciculul laser este divizat în douå de o lamå G semireflectantå. O parte dinfascicul intrå în fibra de referinÆå F1 çi alta în fibra F2, supuså acÆiunii de måsurare

Senzori cu fibre optice 155155155155155

(de ex. o presiune). Cele douå fibreajung la obiectivul O3. În planul focalal acestuia se observå franjele deinterferenÆå provenite de la cele douåfascicule coerente.

Dacå cele douå extremitåÆi ale fibre-lor F1 çi F2 sunt în planul figurii, fran-jele rectilinii, paralele çi echidistantevor fi perpendiculare pe planul figurii.O acÆiune exterioarå asupra lui F2

produce un defazaj al luminii ce treceprin aceastå fibrå çi o deplasare afranjelor pe o direcÆie perpendicularåpe ele. Prin måsurarea acestei depla-såri se poate deduce mårimea forÆeice acÆioneazå asupra fibrei F2. Se considerå ca plan de observaÆie planul focal alobiectivului O3. ExtremitåÆile fibrelor F1 çi F2 sunt mici çi se comportå ca douåsurse punctuale coerente. În aceste condiÆii franjele de interferenÆå nu suntlocalizate çi pot fi observate în afara planului focal al obiectivului.

În acest tip de interferometru fibra „semnal“ çi fibra de referinÆå sunt separateceea ce face ca interferometrul så fie sensibil la cauze externe.

Într-o altå configuraÆie cele douå fibre sunt înlocuite cu una monomod în carecele douå moduri xHE11 çi HE y11 se propagå cu aceeaçi vitezå dacå fibra este perfectå.

În cazul în care se aplicå o tensiune exterioarå, datoratå de exemplu uneivariaÆii de temperaturå, constantele de propagare a celor douå moduri nu maisunt aceleaçi çi apare o diferenÆå de fazå. Acesta este chiar principiul interferenÆeiîn luminå polarizatå. DiferenÆa de fazå se poate måsura prin metode clasice.

Exemplele ce urmeazå se bazeazå pe metodele interferometrice pentru adetecta modificårile fibrelor sub acÆiunea la care ele sunt supuse.

Adesea fibrele utilizate ca senzori sunt destinate telecomunicaÆiilor optice.Senzorii interferometrici cu fibre se bazeazå pe schimbarea lungimii optice a

fibrelor sub acÆiunea parametrilor fizici de måsurat. Existå de asemenea senzoriîn care parametrii fizici afecteazå parametrii optici ai miezului sau ai înveliçului,ca de exemplu absorbÆia sau difuzia.

În acest caz måsuråtorile pot fi efectuate prin retrodifuzie utilizând o lungimemai mare de fibre. Fibrele cu miez lichid pot fi utile cåci lichidele sunt foartesensibile variaÆiilor de temperaturå çi de presiune,

De exemplu, dacå creçte temperatura, indicele de refracÆie a miezului lichidscade çi la o anumitå temperaturå indicele miezului çi înveliçului devin egale çilumina nu se mai propagå.

Un senzor poate funcÆiona çi datoritå schimbårilor indicelui de refracÆie amiezului relativ la înveliç pentru a detecta variaÆiile de temperaturå. Acesteschimbåri acÆioneazå asupra semnalului luminos la ieçirea din fibrå.

Fig. 9.8 Schema de principiu al unui senzorcu fibrå


Pentru a detecta câmpurile magnetice prin efect Faraday, fibrele trebuie så aibåbirefringenÆa liniarå micå pentru a måsura rotaÆiile mici. Astfel de fibre au fostrealizate prin torsiune pentru a putea fi interschimbate periodic, cea ordinarå çicea extraordinarå de birefringenÆå. O torsiune mare permite eliminarea birefrin-genÆei liniare, limitatå de rezistenÆa fibrei. Sunt utilizate de asemenea fibre cuconstantå Verdet mare, sau fibre ce posedå birefringenÆå circularå naturalå mare.

Fibrele cu birefringenÆå mare pot transmite lumina polarizatå liniar datoritåbirefringenÆei proprii care poate apare prin curburå sau prin torsiune. Totodatåele se comportå çi ca polarizori, una din cele douå componente ale luminii naturalesuferå pierderi mai mari decât cealaltå în timpul propagårii în fibrå.

Interesante ca senzori sunt fibrele cu douå miezuri separate. Semnalul demåsurat se propagå, într-una din ele, cel de referinÆå, în cealaltå. Dacå cele douåmiezuri sunt suficient de separate, semnalele acÆioneazå independent.

Senzor de polarizare utilizând o fibrå unimodFascicolul laser polarizat de P intrå

în fibrå prin intermediul obiectivuluiO1. Fibra este înfåçuratå pe un cilindrugol al cårui diametru se poate modificasub acÆiunea unei cauze exterioare cetrebuie måsuratå, figura 9.9.

Schimbarea diametrului cilindruluiproduce o tensiune în fibrå ceea cemodificå birefringenÆa. IniÆial fibra areo birefringenÆå datoritå faptului cåeste înfåçuratå pe cilindru. Axaextraordinarå este în planul fibrei (Ox), cea ordinarå în planul perpendicular(Oy). Lumina incidentå este polarizatå la 45o iar schimbarea de birefringenÆådatoratå acÆiunilor exterioare se detecteazå observând interferenÆa între celedouå unde ce se propagå pe cele douå axe de polarizare ale fibrei.

La ieçirea din fibrå lumina traverseazå o prismå Wollaston care dedubleazåfascicolul incident în douå fascicule polarizate la ±450 faÆå de axele de polarizareale fibrei. Cele douå fascicule cad pe receptorii în cuadraturå D1 çi D2.

În cazul în care fibra este supuså unei variaÆii de temperaturå, diferenÆa defazå ϕ este funcÆie de temperaturå iar intensitåÆile I1 çi I2 primite de D1 çi D2 sunt:

( )

=

2t

cosII 201

ϕ(9.38)

( )

=

2t

sinII 202

ϕ(9.39)

Semnalele electronice date de D1 çi D2 sunt prelucrate pentru a rezultasemnalul:

Fig. 9.9 Senzor cu fibrå unimod


ϕ2cosIIII

I21

21S =

+−

= (9.40)

IS fiind independent de intensitatea incidentå.Pornind de la principiul acesta s-a

proiectat un senzor de temperaturå,figura 9.10.

Fibra monomod este înfåçuratåpe un cilindru gol de Cu având dia-metrul de 10-12 mm. Fibra este înfå-çuratå fårå torsiune pentru a evitaapariÆia birefringenÆei circulare.

VariaÆia de temperaturå esteproduså de un fir parcurs de uncurent ce trece prin bobinele înfåçu-rate la cele douå extremitåÆi ale cilindrului. Fascicolul laser polarizat liniar estetrimis în fibrå prin obiectivul O1. Fibra prezintå doar birefringenÆa prin arcuire.Valoarea birefringenÆei în funcÆie de r, raza miezului fibrei çi R raza exterioarå acilindrului de Cu este:

εβ

⋅−

⋅=−=

Rr

109.4Rr

103.1kk 62

6yx (9.41)

Valorile constantelor corespund unei fibre cu siliciu la o lungime de undånm633=λ . Se aratå cå:

( ) T1RR

Tαϑ+=

∆ (9.42)

admiÆând cå TTT ei == iar ϑ este coeficientul lui Poisson çi α coeficientul dedilatare termicå. Pentru un cilindru de cupru 3,0=ϑ çi dacå mr µ1052 = çi

mmR 12= se gåseçte:

mC /3,54 o=∆ϕ

sensibilitate bunå chiar çi pentru o fibrå cu lungime scurtå.Måsurarea lui ϕ∆ se poate face clasic, analizând unda elipticå ce iese din

fibrå cu o lamå 4λ çi un polarizator P2.

Måsurarea temperaturilor cu interferometru cu douå unde avândo fibrå monomod

Interferometrul constå dintr-o simplå fibrå de 30 cm lungime. FeÆele a, b aleacesteia, perpendiculare pe axa fibrei, constitue interferometrul, figura 9.11.Fascicolul laser incident este reflectat de lama divizoare (LD) apoi de feÆele a, bçi ajunge pe receptor.

Fig. 9.10 Senzor de temperaturå


DiferenÆa de fazå între fascicolelereflectate pe a çi b este:

πλπϕ +⋅⋅= nl

22

unde l este lungimea fibrei çi n indi-cele de refracÆie.

Polarizorul rotator PR permiteorientarea direcÆiei undei incidentefaÆå de axele de birefringenÆå alefibrei.

VariaÆia de temperaturå afecteazå lungimea fibrei çi indicele n. Deci:

⋅+⋅⋅=

dTdn

n1

dTdl

l1

nl2

2dTd

λπϕ (9.43)

iar pentru o fibrå de Si:

)K(105.5dTdl

l1 17 −−⋅=⋅ , )K(1074

dTdn

n1 17 −−⋅=⋅

O variaÆie de 1o pentru o lungime de l = 1 cm modificå figura de interferenÆåcu o franjå.

Måsurarea presiunii cu fibrå monomodPrincipiul de måsurare råmâne acelaçi, dar în loc ca cilindrul så se dilate sub

acÆiunea temperaturii, el îçi modificå diametrul sub acÆiunea presiunii.VariaÆia relativå RR∆ a razei de curburå a fibrei datoritå variaÆiei diametrului

cilindrului Q este:

( )( )[ ] P

R/Q1R/Q

E1

2RR

2

22

⋅−

⋅−⋅=∆ ϑ(9.44)

unde ϑ este coeficientul lui Poisson, E modulul lui Young iar P presiunea.

Pentru un cilindru de Cu, 211 /102,1 mNE ⋅= , 3,0=ϑ , mmQ 5= , mmR 6= ,

mr µ1052 = , .m/atm/4.8lP

0−=∆ϕ

Senzor cu fibrå multimod pentru måsurarea presiunilorFascicolul de luminå divergent ce iese din fibrå este reflectat de suprafaÆa A çi

revine o parte în fibrå. ProporÆia de luminå ce revine este determinatå de distanÆapânå la suprafaÆa A. Dacå aceasta este supuså acÆiunii unei presiuni se pot måsuravariaÆiile de presiune, figura 9.12.

Fig. 9.11 Senzor cu fibrå unimod


Pentru compensarea derivei se utilizeazå montajuldin figura 9.13. Lumina emiså de un LED este divizatåde cåtre un cuplor. Pe una din ramuri (1) obiectivulO1 conduce lumina pe suprafaÆa A; pe cealaltå (2)fascicolul divergent devine unul paralel datoritåobiectivului O2. Pentru acest din urmå fasciculul,intensitatea luminoaså ce revine în fibrå esteindependentå de deplasarea suprafeÆei A, el estefolosit ca fascicul de referinÆå.

Fig. 9.12 Senzor måsurarepresiuni

Fig. 9. 13 Senzor måsurare presiune cu compensarea derivei

Pentru a compensa problemele de derivå, sursa LED este modulatå emiÆândimpulsuri de 100 ns. O anumitå lungime L a fibrei permite introducerea uneiîntârzieri convenabile între cele douå impulsuri ce revin în receptor. Unul sefoloseçte ca referinÆå, celålalt pentru a måsura deplasarea. Precizia de måsurareeste de ordinul mµ5 .

Senzor cu fibrå multimod pentru måsurarea indicelui de refracÆieSenzorul constå din douå fibre

multimod paralele A çi B care auo regiune comunå în care a fostîndepårtat înveliçul. Miezurilecelor douå fibre sunt separate deun interval mic C unde se pla-seazå lichidul de studiat.

Fascicolul luminos intrå înfibra A çi datoritå cuplajului cufibra B în regiunea C, o parte mdin lumina incidentå intrå înfibra B. Dacå I0 este intensitateaincidentå, I1 çi I2 la ieçirea dinfibre vom avea:

)m1(II 01 −= , 02 mII = (9.44)

Fig. 9.14 Måsurarea indicelui de refracÆie


de unde:

mm

II −= 1

2

1 (9.44)

raport independent de intensitatea incidentå.Etalonarea se face cu lichide de indici de refracÆie diferiÆi.

Senzor cu fibrå multimod pentru måsurarea deformaÆiilor structurilormecanice

Acest senzor foloseçte schimbarea luminii transmise de o fibrå multimod atuncicând ea este curbatå, figura 9.15. Sistemul constå dintr-o barå metalicå rigidåA1C1 care în regiunea B1 are un profil variabil. Piesa flexibilå A2C2 este plasatåsub cea rigidå, ea având un profil variabil în regiunea B2. Cele douå profile B1 çiB2 sunt complementare.

Barele A1C1 çi A2C2 sunt legate împreunå ansamblul fiind plasat pe structurametalicå M a cårui deformaÆie se studiazå. O fibrå multimod ab, trece întrebarele A1C1, A2C2. Dacå structura metalicå M se deformeazå fibra se curbeazå înregiunea B1B2 apårând o pierdere de luminå în fibra opticå. Senzorul este calibratstudiind deformaÆii cunoscute.

Se poate måsura direct atenuarea luminii transmise prin fibrå opticå sau sepot face måsuråri prin retrodifuzie (ca în figura 9.16).

Fig. 9.15 Måsurarea deformaÆiilor Fig. 9.16 Måsurarea prin retrodifuzie


Capitolul 10 ComunicaÆii prinComunicaÆii prinComunicaÆii prinComunicaÆii prinComunicaÆii prinfibrfibrfibrfibrfibre optice optice optice optice opticeeeee

10.1 IntroducereOdatå cu apariÆia laserului în 1960, a crescut çi interesul de a transmite infor-

maÆii la frecvenÆe din domeniul optic çi aceasta deoarece s-au creat surse deluminå, optice, cu un grad de coerenÆå foarte mare.

Deoarece frecvenÆele optice sunt de ordinul Hz105 14⋅ laserii depåçesc camde 5 ori capacitatea de a transmite informaÆii, faÆå de cea a sistemelor ce utilizeazåmicroundele. Fibra opticå a fost la început utilizatå cu foarte mare reticenÆå, dardupå 1966 când Keo çi Hockmann au gåsit modalitatea de a reduce pierderile çiatenuårile prin fibrå, aceasta a devenit principalul mediu de a transmiteinformaÆie.

În prezent atenuarea printr-o fibrå prin care trece o radiaÆie de lungime deundå m55,1 µ=λ , s-a redus la km/dB16,0 , ceea ce este foarte aproape de limitade atenuare teoreticå çi anume km/dB14,0 . S-a trecut astfel de la viteze detransmisie a informaÆiei din domeniul s/Mbit600400 − pânå la aproximativ

s/bitG4 .Studiul fibrelor optice a dus la concluzia cå, în comunicaÆiile prin fibre optice,

pot fi proiectate sisteme bidirecÆionale, în care semnalele se propagå pe o singuråfibrå în ambele direcÆii simultan, fiind importantå de asemenea distribuireainformaÆiei prin fibre optice la mai multe terminale. Arhitecturile de reÆele, cuterminale multiple, au o foarte mare importanÆå practicå, dintre acestea structurade reÆea cu acoperire localå, RAL (local-area-network LAN) fiind cea mairåspânditå prin aceea cå realizeazå interconectarea intrårilor çi ieçirilor a multipleaparate într-un domeniul spaÆial limitat. Un birou dintr-o reÆea LAN, includemonitoare video çi staÆii de lucru. De la fiecare terminal se pot accesa o multitudinede echipamente çi servicii, facilitåÆi pentru teleconferinÆe video, calculatoareleputând fi de asemenea legate într-o reÆea LAN. Într-o reÆea LAN cu fibrå opticå,fibra este cea care transmite informaÆia între terminalele conectate. Principaleleavantaje în raport cu cablurile metalice sunt: greutate micå, creçterea securitåÆiiîn transmisia de date, dimensiuni mult reduse çi lårgime de bandå måritå.

162162162162162 Capitolul 10 ComunicaÆii prin fibre optice

În acest capitol vom aråta configuraÆii de sisteme çi componentele necesarepentru distribuÆia çi controlul informaÆiei pe cabluri cu fibrå opticå nu înainte dea descrie componentele necesare pentru a realiza reÆelele cu fibrå opticå.

10.2 Cuplorul direcÆional10.2.1 Caracteristicile cuplorului direcÆional

Cuplorul direcÆional este piesa de bazå pentru orice reÆea cu fibrå opticå. Înfigura 10.1 se prezintå un cuplor direcÆional cu patru porÆi urmând ca mai jos sådescriem cuplorii cu mai multe porturi.

DirecÆiile fluxului de putere permisesunt indicate în figura 10.1 prin sensulsågeÆilor. Pentru a descrie caracteristicilecuplorului vom presupune cå 1P esteputerea ce intrå pe portul 1 al cuplorului.Aceasta se va împårÆi între porturile 2 çi3 în conformitate cu factorul de despicaredorit. Teoretic, portul 4 este complet izolatçi nu va ajunge la el nici un flux de putere. Så presupunem cå fluxul de putereemergent din portul 2, 2P este egal sau mai mare decât cel din portul 3, 3P .Pentru pierderile în cuplor definim urmåtoarele caracteristici (se va utiliza notaÆiacorespunzåtoare din limba englezå):

1. Pierderile prin stråpungere (Throughput loss, THPL ):

1

2THP P

Plog10L −= (10.1)

çi înseamnå cantitatea pierderilor prin transmisie la trecerea între portul de intrareçi portul ales, în acest caz portul 2.

2. Pierderi prin ramificaÆie, (Tap loss, TAPL ):

1

3TAP P

Plog10L −= (10.2)

adicå pierderile de putere între portul de intrare çi cel din ramificaÆie, aici portul 3.

3. DirecÆionalitatea (Directionality, DL )

1

4D P

Plog10L −= (10.3)

çi specificå pierderile dintre portul de intrare çi cel pe care dorim så-l izolåm,portul 4 în acest caz.

Fig. 10.1 Cuplor direcÆional cu 4 porturi

1

4

2

3

Cuplorul direcÆional 163163163163163

4. Pierderile prin supradimensionare (Excess loss, EL ):

1

32E P

PPlog10L

+−= (10.4)

çi apare datoritå puterii pierdute în interiorul cuplorului. Aici sunt incluse pier-derile datorate radiaÆiei absorbite çi împråçtiate dar çi cuplårii cu portul izolat.

Un cuplor ideal este cel pentru care ∞=DL , adicå fluxul de putere nu ajungela portul 4, astfel cå puterea emergentå se împarte între porturile 2 çi 3, iarpierderile prin supradimensionare devin nule ( 132 PPP =+ ). Valori uzuale pentruun cuplor direcÆional bun sunt sub 1dB pentru pierderile prin supradimensionareçi mai mari de dB40 pentru direcÆionalitate.

Raportul de divizare (despicare), (splitting ratio) este 32 PP , adicå raportulputerilor la ieçirea celor douå porturi, 2P çi 3P . Adesea cuplorii sunt caracterizaÆiprin pierderile prin ramificaÆie, de exemplu, un cuplor de dB10 înseamnå cå arepierderile prin ramificaÆie de dB10 . Valori tipice pentru cuplori sunt date întabelul 10.1.

Tabelul 10.1 Caracteristicile cuplorilor direcÆionali cu 4 porturi

Cuplor TAPL (dB) THPL (dB) 32 PP

3 dB 3 3 1:1

6 dB 6 1.25 3:1

10 dB 10 0.46 9:1

12 dB 12 0.28 15:1

Pentru cuplorul fårå pierderi, 312 PPP −= , astfel cå relaÆia (10.1) poate fiscriså ca:

( )10LTHP

TAP101log10L −−−= (10.5)

prin aceasta rezultând legåtura dintre pierderile prin ramificaÆie çi cele prinstråpungere.

Atât pentru pierderile prin stråpungere cât çi pentru cele prin ramificaÆie, lavalorile teoretice trebuiesc adåugate valorile pierderilor prin supradimensionare,astfel cå valorile practice pentru un cuplor direcÆional cu un anumit raport dedivizare, sunt mai apropiate de:

ETHPTHP LLL += (10.6a)

ETAPTAP LLL += (10.6b)

De fapt pierderile teoretice sunt crescute datoritå pierderilor prin supradimensio-nare. Deoarece pierderile din relaÆiile (10.6) sunt de fapt pierderile ce apar la intro-ducerea cuplorului în sistem ele se numesc pierderi prin inserÆie (insertion losses).


Aça cum se vede din figura 10.1 cuplorul este unul bidirecÆional. Oricare dincele patru porturi poate fi intrare fiind posibilå oricare din combinaÆii. CuploriidirecÆionali sunt construiÆi simetric astfel cå avem aproape aceleaçi valori pentrupierderi indiferent care din porturi este ales pentru intrare.

10.2.2 Tipuri de cuplori direcÆionaliVom descrie câteva tipuri de cuploare direcÆionale, fiecare având modalitåÆi

diferite pentru a realiza transmiterea de luminå.Cuplorul direcÆional din figura 10.2 constå din douå fibre biconice sudate,

pentru a avea pierderi mici într-un domeniu larg cuplaj.

Fig.10.2 Cuplor direcÆional realizat prin sudarea a douå fibre tronconice

Douå fibre monomod sau multimod, sunt råsucite una împrejurul celeilalte çitensionate. Se încålzeçte joncÆiunea, înmuind fibrele pânå când se unesc miezurilelor. Se trag fibrele, astfel cå rezultå forma biconicå, la fiecare din cele patru porturi.În cazul fibrelor multimod, cuplajul apare deoarece modurile de ordin mai mare,nu mai ajung la interfaÆa miez-înveliç, dincolo de unghiul critic în regiunea biconicå.

Aça cum se observå din figura 10.2, aceste moduri sunt direcÆionate, datoritåreflexiei totale la suprafaÆa exterioarå a înveliçului. Ele au fost convertite în modurice se propagå în înveliç. Razele ce provin de la modurile de ordin mai mic, nu vorse vor propaga, în apropierea unghiului critic çi nu pot fi convertite prea uçor.

Puterea undei asociatå cu aceste moduri råmâne în fibra în care a intrat iniÆial.Deoarece ghizii de undå sudaÆi, au acelaçi înveliç, puterea ce se asociazå cumodurile de ordin mare, la intrare, este acum comunå ambelor fibre.

Fibrele biconice de la ieçire convertesc modurile ce se propagå prin înveliç,înapoi în unde ghidate, în miezul fibrei. Raportul de „despicare” depinde delungimea porÆiunii biconice çi de grosimea înveliçului. În cazul propagåriimonomod, funcÆionarea cuplorului se bazeazå pe schimbul de energie între undeleevanescente (undele ce se propaga în înveliç) ce se suprapun în cele douå fibre.

Forma biconicå, aduce cele douå miezuri mai aproape unul de altul, dar deasemenea micçoreazå diametrul miezului fibrei, ceea ce are ca efect scådereafrecvenÆei normalizate (parametrul V). Se çtie cå prin scåderea lui V creçtedimensiunea petei, modului.


Creçterea mårimii petei de luminå çi scåderea miezului la limita de separare,întåreçte câmpurile evanescente ce se suprapun, îmbunåtåÆind astfel cuplajul.

Un alt cuplor direcÆional monomod, se obÆine prin lustruirea pe o micå porÆiunea miezurilor celor douå fibre çi apoi lipirea suprafeÆelor lustruite. Miezurile trebuieså aibå o porÆiune comunå de câÆiva microni, pentru un cuplaj bun. Çi în acestcuplor direcÆional, un rol important îl au undele evanescente. Deoarece celedouå cuploare direcÆionale sunt destul de importante, vom face câteva consideraÆiiteoretice, utilizând schema din figura 10.1, unde presupunem cå intrarea este laportul 1, astfel cå la portul 2 çi 3 cuplajul este:

( )LcosPP 2

1

2 β∆= (10.7a.)

( )LsinPP 2

1

3 β∆= (10.7b)

unde β∆ este coeficientul de cuplaj (exprimat în m/rad ) între cei doi ghizi deundå, iar L este lungimea fibrei pe care are loc interacÆiunea. S-a presupus cå, nuexistå pierderi de putere la cuplaj. În practicå aceasta nu trebuie så depåçeascåcâteva zecimi de dB.

Fig. 10.3 Puterea la ieçirea din cuplorîn funcÆie de lungimeade interacÆiune

Fig. 10.4 Cuplor direcÆional cu joncÆiuneadeplasatå

Se observå cå, toatå puterea se va transmite corpului 3, dacå lungimea deinteracÆiune este:

β∆π=

2LC (10.8)

iar CL se numeçte lungime de cuplaj. În figura 10.3 este prezentat graficul puteriila ieçirea din cuplaj în funcÆie de lungimea de interacÆiune. De notat, cå se poate

P3/P1

P2/P1

00

0,5

1,0

Lc 2Lc 3Lc

PU

TE

RE

A L

AIE

SIR

EA

DIN

CU

PLA

J

LUNGIMEA DE INTERACTIUNE

1 2

3

4 GHID DE UNDA PLANAR


obÆine orice raport de cuplaj, prin alegerea adecvatå a lungimii de cuplaj, çi deasemenea cå, pe måsurå ce lungimea de interacÆiune creçte, valorile de cuplajse repetå.

O altå variantå de cuplaj este cea din figura 10.4 în care avem un cuplor cupatru porÆi. Având intrarea pe portul 1, portul favorizat la ieçire (în figuråportul 2) colecteazå o cantitate de energie proporÆionalå cu deviaÆia transversalåa celor douå fibre. O anumitå parte din lumina incidentå este direcÆionatå peportul 3, de-a lungul unui ghid de undå curbat, realizat din plastic. Ghidul deundå (în general din plastic) precum çi racordurile cu fibrele, care asigurå opoziÆionare preciså a acestora, se pot realiza prin tehnica fotolitograficå înfilme subÆiri.

Pentru sistemele optice convenÆionale, poate fi utilizat ca çi cuplor direcÆionalsimplu, divizorul de fascicol (beam –splitter).

O placå divizoare de fascicul, ca cea din figura 10.5 a) se realizeazå printr-odepunere (fie dielectricå, fie metalicå) de strat subÆire parÆial reflectant, pe unsubstrat transparent. Grosimea çi compoziÆia stratului depus va determinaraportul de despicare. Ca çi într-o lamå plan paralelå, fascicolul (2) este deplasatlateral faÆå de cel incident (1).

Pentru a înlåtura acest lucru se utilizeazå un divizor de fascicul cubic, açacum se aratå în figura 10.5 b). Cubul constå din douå prisme separate printr-odepunere parÆial reflectantå.

Fig. 10.5 Cuplori direcÆionali cu divizori de fascicol

Divizorul de fascicul, el însuçi, nu poate fi folosit când se doreçte a se divizaputerea undelor, de-a lungul fibrelor. SpaÆiul ocupat de divizor este echivalentulunui gol, ceea ce produce mari pierderi în cuplajul fibrelor, deoarece razeledivergente emise de la portul de intrare, nu vor fi recepÆionate în totalitate.Problema se rezolvå prin focalizarea razelor incidente pe divizor çi apoirefocalizarea luminii divizate pe fibrele receptoare.

12

3

4

12

3

4

(a) PLAN (b) CUB


În figura 10.6 este prezentat uncuplor direcÆional de tipul divizor defascicul ce utilizeazå patru lentile GRINpentru colimare çi refocalizare. O lentilåGRIN este o porÆiune de fibrå opticå, ceare miezul un dielectric a cårui indicede refracÆie descreçte continuu cudistanÆa faÆå de axa fibrei. Cubul divizor,aliniazå porturile 1 çi 2 (respectiv 3 çi4). Cuplorul din figura 10.6 poate fiutilizat çi dacå lentilele GRIN se înlo-cuiesc cu lentile sferice convenÆionale.

În figura 10.7 este prezentatå o altåvariantå de cuplor direcÆional cu divi-zare de fascicul. Cuplorul este realizatdin douå lentile GRIN sfertde undå separate de un stratparÆial reflectant. Fibrele deconexiune sunt açezat de-plasat faÆå de axele lenti-lelor. Så consideråm intra-rea în portul 1. CombinaÆiade lentile va dirija luminaspre portul 2. Lumina re-flectatå de cåtre stratul par-Æial reflectant va ajunge la portul 3 iar pe portul 4 nu avem deloc transmisiede luminå.

Cuplorii cu divizare de fascicul sunt dispozitive cu divizare de amplitudine.Ele distribuie lumina prin împårÆirea amplitudinii undei incidente, pe porÆiuniledorite.

Existå çi cuplori direc-Æionali cu divizarea frontu-lui de undå, prin împårÆi-rea frontului de undå înpårÆi diferite çi direcÆiona-rea undelor separate spreporturile dorite. În figura10.8 este prezentat un cu-plor direcÆional ce funcÆio-neazå pe acest principiu.

Lumina ce iese din por-tul 1, cade pe cele douå oglinzi M1 çi M2, jumåtatea superioarå este dirijatåspre portul 2 de cåtre suprafaÆa concavå M1 iar jumåtatea inferioarå este dirijatå

Fig. 10.7 Cuplor direcÆional utilizând lentile sfert de undå

Fig.10.6 Cuplor direcÆional utilizândpatru lentile GRIN

1 2

3

4

CUB DIVIZOR

FIBRA

LENTILA GRINCOLIMATOR

Fig. 10.8 Cuplor direcÆional cu divizarea frontului de undå

1

2

3

M1

M2

2f

AXA M1

AXA M2


spre portul 3 de cåtre suprafaÆa reflectantå concavå M2. Aici raportul de divizareeste 1:1; prin alegerea diferitå a mårimii reflectorilor se poate modifica acestraport, evident reflectorul mai mare va intercepta mai mult din frontul deundå în detrimentul celuilalt. În figura 10.8 fibrele sunt plasate în apropiereacentrului de curburå çi uçor în afara axei fiecårui reflector. Pentru oglinzilereflectante, se çtie cå distanÆa focalå f, este la jumåtatea razei de curburå astfelcå fibrele se gåsesc la distanÆa 2f, de suprafaÆa oglinzilor. æinând seama delegile reflexiei pentru oglinzi, aceasta înseamnå cå mårirea este unitarå. Raportulimagine/obiect egal cu unitatea, ne asigurå cå nu vom avea o creçtere afasciculului divergent, astfel cå toatå lumina ce iese din fibra 1 va fi recepÆionatåde celelalte douå. Dacå intrarea luminii se face pe portul 2, vom avea ieçiredoar pe portul 1, la fel o intrarepe portul 3, va avea ieçire doarpe portul 1.

Cuplorul direcÆional din fi-gura 10.8 are doar trei porturiçi sunt necesari în sisteme decomunicaÆie tip duplex. Princonectarea a doi cuplori cu treiporturi obÆinem aça cum esteprezentat în figura 10.9 un cu-plor direcÆional cu patru porturi.

Cuplorii pot fi fabricaÆi çi înopticå integratå. În acest caz,ghizii de undå, sunt realizaÆi însticla substrat prin tehnici deschimb de ioni. Ghizii de undå,aça cum se aratå în figura 10.10sunt circulari, având deci formafibrei optice, dar çi pentru cåsimplificå conexiunea acestoracu restul sistemului cu fibråopticå.

Diametrul miezului çi aper-tura numericå sunt astfel calcu-late încât, så se adapteze fibreloroptice la care vor fi ataçaÆicuplorii direcÆionali integraÆi.Diametrele uzuale sunt m9µ ,

m50µ sau m5,62 µ pentru a aco-peri domeniul de fibre opticeatât monomod cât çi multimod. Fig. 10.11 Cuplor 1x8 obÆinut prin cascadarea

cuplorilor 1x2

Fig. 10.10 Cuplor direcÆional în opticå integratå

VEDEREDE SUS

VEDERE INSECTIUNE

Fig. 10.9 Cuplor direcÆional cu patru porturi

1 2

3 4


Cuplajul, aça cum se observå çi în figura 10.10 se formeazå datoritå structurii în Ya ghidului de undå inclus în substrat.

Cuplorul unu-la-doi (1 x 2), este celula de bazå pentru a construi blocuri cumai multe terminale, prin cascadare. În figura 10.11 se prezintå un cuplor 1 x 8ce se poate configura in cuploare 1 x 2 în structurå arborescentå.

Un cuplor direcÆional cu patru porÆi poate fi utilizat pentru a obÆine un cuplorîn T pentru o transmisie bidirecÆionalå de-a lungul unei magistrale de date detransmitere a informaÆiilor prin fibra opticå.

10.2.3 Cuplori în steaTehnica de producere a cuplorilor prin fuziunea miezului fibrelor având formå

biconicå poate fi utilizatå pentru a produce cuplori cu fibre multimod având maimult decât patru porturi.

În figura 10.12 este prezentat un cuplor în stea prin transmisie 8x8 çi uncuplor în stea prin reflexie 1x8. Ca çi în cazul cuplorului de bazå, fibrele multimodsunt sudate împreunå, în timp ce ele sunt sub tensiune mecanicå.

Fig. 10.12 Cuplori în stea a) prin transmisie b) prin reflexie

1234

5678

1'2'3'4'

5'6'7'8'

1234

5678

(a) (b)

În cazul cuplorului în stea printransmisie, puterea transmiså peoricare din porturi ajunge laieçire divizatå în pårÆi egale.Teoretic, porturile de intrare, saucele de ieçire, deci cele de peaceeaçi parte sunt izolate întreele. În figura 10.13 este prezen-tat modul în care cuplorul în stease interconecteazå cu terminalele.

În cazul cuplorului prin refle-xie în stea, lumina de la oricaredin porturile de intrare, mergela toate celelalte porturi. Elinterconecteazå terminalele açacum se prezintå în figura 10.13. Fig. 10.13 Conexiunea cuplorului stea prin reflexie

CUPLOR INSTEA PRINREFLEXIECU PATRUPORTURI

TCD

R

TCD

R

TCD

R

TCD

R

RECEPTOR -R

TRANSMITATOR- TCUPLOR DIRECTIONAL - CD


Deoarece prin fiecare fibrå conectatå în stea, trec atât date transmise cât çi recep-Æionate, este necesar un cuplor direcÆional pentru a separa cele douå semnale lafiecare terminal.

Pentru sisteme cu fibrå monomod, cuplajul în stea se realizeazå prin cascadareacuplorilor de tip 1x2, aça a fost prezentat în figura 10.11.

Pânå acum au fost prezentaÆi cuplorii în stea pasivi, ce au ca tråsåturi, siguranÆåçi preÆ de cost mic în comparaÆie cu dispozitivele active. Cuplorii în stea activi,sunt folositori atunci când se implementeazå reÆele LAN (Local Active Network),schema de principiu fiind reprezentatå în figura 10.14.

Fig. 10.14 Schema bloc a unui cuplor activ in stea

Cuplorul în stea activ, acÆioneazå ca un repetor, el primeçte semnal de la oricetransmiÆåtor, îl converteçte, din semnal optic în semnal electric, amplificândcurentul ce rezultå din conversie. Acest curent, atacå o surså de luminå,reproducând semnalul optic. Sursa de luminå îçi împarte puterea în cantitåÆiegale pentru fiecare receptor. În figura 10.15 este prezentatå una din metodelede divizare a puterii luminoase. Sursa de luminå trimite raze ce intrå în capåtulcu fibre optice conice sudate. La ieçire, pe fiecare din fibre vom avea repartizataaceeaçi cantitate de luminå.

Cuplorul activ în stea, poate conÆine dispozitive pentru detectarea coliziunilor,erorilor, între pachetele de date transmise simultan pe diferite terminale. Dacåapare un conflict, repetorul semnalizeazå staÆiei principale pentru a corecta acestlucru. Datoritå proprietåÆii de a regenera semnale çi de a detecta conflictele latransmisia datelor, cuplorii în stea activi, devin foarte flexibili.

T1

T2

Tn

R1

R2

Rn

RECEPTORI OPTICI SURSADE LUMINA

CUPLOR IN STEA ACTIV

ETAJ DE AMPLIFICAREDETECTIE DE PRAGDETECTIE ERORI

Comutatorii 171171171171171

10.3 ComutatoriiComutatorii cu fibrå opticå au rolul de a direcÆiona semnalele optice çi se

utilizeazå la reÆele, echipamente de måsurå çi în unele experimente. Vom descriedouå dispozitive: un comutator cu douå poziÆii çi un comutator de trecere (bypass)pentru a ilustra câteva caracteristici alecomutatorilor.

În figura 10.16 avem un comutator cu 2poziÆii. Intrarea de la portul 1 poate ficomutatå fie spre portul 2, fie spre portul 3.Çi pentru comutator se definesc relaÆii çicaracteristici asemånåtoare ce cele pentru cuplori. Se presupune cå portul 2 estecel utilizat la comutare.

Pierderea prin inserÆie (insertion loss) ILL , în decibeli este:

1

2IL P

Plog10L −= (10.9)

unde 1P este puterea ce intrå pe portul 1, iar 2P puterea ce emerge, din portul 2.Pierderile prin inserÆie depind de alinierea fibrelor, exact ca çi în cazul unuiconector simplu. În cazul comutatorilor, pierderile trebuie så fie mai mici de

dB5,1 , iar acestea trebuie så fie aceleaçi pentru toate poziÆiile comutatorului.IntermodulaÆia (crosstalk-CT) este o måsurå, a cât de bine este izolat portul

necuplat çi este dat de:

1

3CT P

Plog10L −= (10.10.)

unde 3P este puterea ce emerge din portul 3.Valori tipice pentru CT sunt între dB6040 − çi depind de proiectarea specificå

a comutatorului.Reproductibilitatea, (proprietatea comutatorului de a îçi menÆine pierderile

prin inserÆie indiferent de sensul de parcurgere a traiectoriei) este mult mai im-portantå decât însåçi valoarea la care pierderea prin inserÆie se realizeazå. Uncomutator bun are ca valori reproductibile a pierderilor prin inserÆie pânå la dB1,0 .

Viteza de comutaÆie (cât de rapid este comutatorul când trece de pe o poziÆiepe alta) este de asemenea un factor important în unele aplicaÆii. Comutareapoate fi fåcutå electromecanic. În acest tip de dispozitiv, o bobinå prin care trece

Fig. 10.15 Metodå de retransmitere a luminii

IESIREAFIBRELOR

SURSA DELUMINA

FIBRE SUDATE

Fig.10.16 Comutator cu 2 poziÆii

12

3


un curent electric atrage un magnet de care este ataçat dispozitivul optic. Înacest mod pot fi deplasate oglinzi, lentile çi prisme. Când prin bobinå nu maitrece curent, sistemul mecanic aduce dispozitivul optic în poziÆia iniÆialå. SeobÆin astfel timpi de comutare deordinul câtorva milisecunde.

Comutatorul din figura 10.17constå dintr-o prismå glisantå çisistemul de lentile ataçate fiecåreifibre optice. În poziÆia aråtatå lu-mina trece de la portul 1 la portul2. Lentilele GRIN se aflå la interfaÆadintre fibrå çi prismå. În interiorulprismei lumina se reflectå totalschimbându-çi direcÆia. Pentru adirecÆiona lumina de la portul 1 la3 prisma este mutatå pe direcÆiaaråtatå în figurå, pentru a aliniafasciculele între fibrele 1 çi 3.

Lentile colimatoare sunt necesare pentru a elimina pierderile de inserÆie, datorateîmpråçtierii fasciculului çi pentru a ne asigura cå toate razele cad pe prisma reflectantåsub un unghi mai mare decât unghiul critic, pentru a avea reflexie totalå. Prisma cuunghi drept nu numai cå reflectå lumina dar çi translateazå fasciculul paralel cu elînsuçi, realizând çi alinierea fibrelor optice, de intrare çi de ieçire.

În figura 10.18 este prezentatå funcÆionarea unui comutator de trecere (tip„bypass“). În starea de trecere, sunt cuplate porturile 1 çi 4, iar 2 çi 3 sunt izolate.În starea urmåtoare, sunt conectate între ele porturile 1 çi 2 çi respectiv 3 çi 4.

Fig. 10.18 Schema comutatorului de trecere

Comutatorul de trecere poate fi inclus într-o reÆea T pentru a transfera date, açacum este prezentat în figura 10.19.

Terminalul poate fi inclus sau scos din reÆea dupå dorinÆå, astfel cå o staÆie,care nici nu transmite, nici nu recepÆioneazå date, poate fi ocolitå. În mod similar,comutatorul de trecere poate fi folosit într-un nod al unei reÆele în inel. În loculterminalului, în figura 10.19, se poate introduce un repetor pe magistrala dedate. Dacå repetorul trebuie înlocuit, pentru cå s-a stricat, atunci el poate fiocolit, fårå a se perturba întreaga reÆea, în aceastå aplicaÆie comutatorul detrecere, jucând rolul unui element de siguranÆå.

2 3

41

2 3

STAREA DE TRECERE STAREA DE COMUTARE

41

Fig. 10.17 Comutator cu douå poziÆii,cu prismå glisantå

1

2

3

FIBRE

LENTILEGRIN

PRISMAGLISANTA

Comutatorii 173173173173173

Un al doilea repetor, de asemenea ataçat la magistrala de date printr-un canalde trecere, poate fi introdus în reÆea, pentru a prelua funcÆiunile repertorului ces-a stricat. În aceastå strategie, redundanÆa, îmbunåtåÆeçte siguranÆa reÆelei, deçi,în felul acesta creçte complexitatea sistemului.

În figura 10.20 este prezentat un comutator de trecere, electromecanic. Înstarea de trecere, lumina trece direct între porturile 1 çi 4. În starea de comutare,oglinzile de la capetele pårÆii mobile a electromagnetului, redirecÆioneazåfasciculul optic, între porturile 1 çi 2, respectiv 3 çi 4.

Fig. 10.19 Includerea comutatorului într-o reÆea de tip T

Fig. 10.20 Comutator electromecanic

Pentru a minimiza pierderile de inserÆie se introduc de asemenea lentile GRIN.Când electromagnetul primeçte curent, bara de fier este atraså în câmpulmagnetic, astfel cå poziÆioneazå cele douå oglinzi de la capetele ei, pentru aredirecÆiona fluxul de luminå. La întreruperea curentului, arcul elastic readucebara în poziÆia iniÆialå, de trecere.

COMUTATOR DE TRECERE

CD

CD

RT

MAGISTRALAFIBRE

MAGISTRALAFIBRE

LL

Fe

LL

1

2 3

4

Electromagnet

OFF

STAREA DE TRECERE

LL Fe

LL

1

2 3

4

ON

STAREA DE COMUTARE

Electromagnet

Lentile GRIN Lentile GRIN


10.4 Izolatorul cu fibrå opticåDiodele laser sunt foarte sensibile la energia luminoaså reflectatå înapoi, de

cåtre restul sistemului. Lumina retro-reflectatå måreçte zgomotul în fascicululemis, degradând performanÆele sistemului. Fotonii retro-împråçtiaÆi reintrå încavitatea laser unde ei sunt amplificaÆi çi în mare, participå la efectul laser, încompetiÆie cu fotonii, deja prezenÆi în cavitate, din stårile atomice excitate.Deoarece fotonii retro-reflectaÆi sunt în fazå cu unda existentå în cavitatea laser,ei forÆeazå dioda så reporneascå o nouå oscilaÆie. Noua oscilaÆie este în fazå cufasciculul de luminå datorat fotonilor retro-împråçtiaÆi. Ca rezultat dioda laserîçi schimbå aleator, faza radiaÆiei la ieçire, mårind nivelul de zgomot al sistemului.

Deranjamente importante apar la retro-reflexiile ce se produc foarte aproapede transmiÆåtor. Cele care se produc mai departe de acesta sunt atenuate defibrå çi de conectori (sau de orice altå componentå), devenind neglijabile cândajung la dioda laser. Aceasta înseamnå cå trebuiesc avute în vedere modalitåÆide micçorare a luminii retro-reflectate în apropierea transmiÆåtorului.

Reflexiile nedorite pot fi minimizate în foarte multe feluri în practicå.Componentele, fibra sau orice lentilå în sistem, pot avea straturi antireflectantepentru a reduce amplitudinea undei retro-reflectate.

Capetele fibrei pot fi rotunjite astfel cå razele reflectate så nu se propageînapoi spre transmiÆåtor, fiind astfel îndepårtate din domeniul modurilor depropagare permise. Conectorii çi cuplorii sunt astfel proiectaÆi încât så minimizezecantitatea de luminå reflectatå.

Pentru a defini pierderile prin retroreflexie (return loss) se introduce mårimea

RL , care exprimatå în decibeli este:

i

rR P

Plog10L −= (10.11)

unde iP este puterea incidentå pe componenta opticå, iar rP puterea reflectatå.În majoritatea cazurilor, componentele bine proiectate, au valori ale coeficientului

RL între 30 çi 40 dB, deçi sunt cazuri când sunt cerute valori ale acestuia între 50çi 60 dB.

De exemplu fie o diodå laser ce transmite lumina pe o fibrå opticå este separatåde fibrå printr-un gol mic de aer. Dacå indicele de refracÆie al fibrei este 5,1n2 = ,

valoarea coeficientului de reflexie este 2

21

21

nnnn

R

+−

= adicå 04,05,115,11

R =

+−= ,

adicå 4% din luminå este reflectatå, astfel cå pierderea prin retroreflexie estedB98,1304,0log10LR =−= .

Un izolator optic va asigura un nivel mic al luminii retroreflectate, fiind asimilatcu o linie de transmisie cu singurå direcÆie, adicå va permite propagarea doarîntr-o singurå direcÆie de-a lungul fibrei.

Izolatorul cu fibrå opticå 175175175175175

Structura de bazå a unui astfel dedispozitiv este prezentatå în figura10.21. Izolatorul este constituit din doipolarizori liniari çi un rotator Faradayla 450. Un fascicul de luminå ce vine dinstânga este polarizat de polarizorul LPaça cum se aratå în figura 10.21.c), undarezultantå, trecând prin rotator. În cazulgeneral, un rotator Faraday, roteçte undaliniar polarizatå, cu un unghi determinatde proprietåÆile rotatorului Faraday.Pentru izolator înså, unghiul de rotaÆietrebuie så fie de 450, astfel cå fascicululce emerge, din rotator este polarizatliniar çi rotit la 450 faÆå de verticalå.Polarizorul din dreapta, RP este aliniatla 450 faÆå de verticalå, permiÆândtrecerea undei de la stânga la dreapta.Dacå acum consideråm un fascicul cecålåtoreçte de la dreapta la stânga ca înfigura 10.21 d), acesta va fi polarizat la450 de cåtre RP çi intrå în rotatorulFaraday unde va fi rotit cu încå 450, încâtla ieçirea din rotator fasciculul incidentdin dreapta, va fi polarizat orizontal açacum se aratå çi în figurå. Polarizorul LPva bloca trecerea fasciculului polarizatliniar. Putem spune cå, lumina nu va circula, de la dreapta la stânga în izolator.Trebuie aråtat înså cå rotaÆia Faraday nu este un fenomen reciproc. Unghiul derotaÆie q, exprimat în radiani, pentru un rotator Faraday este:

VHL=θ (10.12),

unde V este constanta Verdet, o måsurå a acÆiunii efectului Faraday, H esteamplitudinea câmpului magnetic aplicat, iar L este lungimea de interacÆiune.Pentru o sticlå de tip silicat, V are valoarea A/rad1068,4 6−⋅ .

Ca material transparent ce prezintå un efect Faraday puternic, se foloseçte unaliaj de Fe cu Ytriu, 1233 OFeY , numit comercial YIG. La aplicarea un câmpmagnetic, pe un astfel de monocristal, se produce o rotaÆie Faraday.

Aça cum s-a aråtat, cerinÆa principalå a unui izolator, este aceea de a protejadioda laser de lumina retroreflectantå. În figura 10.22 este prezentat un astfelde izolator ce cupleazå dioda laser cu fibra opticå.

Sfera YIG acÆioneazå çi ca o lentilå, pentru a focaliza lumina de la diodå pefibrå, dar çi pentru a roti planul de polarizare. Nu este necesar un polarizorînaintea sferei YIG deoarece lumina la ieçirea diodei laser este deja polarizatå.

Fig. 10.21 Izolator cu rotaÆie Faraday

POLARIZORPT

POLARIZORPR

ROTATOR FARADAY 450

(a)

x

y

x

y

450PT

PR

(b)

x

y

x

y

450E

E

(c)

IESIREINTRARE

x

y

x

y

450

E

E

(d)

IESIREBLOCATA INTRARE


Dacå avem în vedere figura 10.23, pierderile prin inserÆie (insertion loss) aleunui izolator ILL , sunt legate de eficienÆa transmisiei pe direcÆia inverså depropagare çi sunt date de:

in

iesIL P

Plog10L −= (10.13)

Lumina retroreflectatå va fi rotitå la 900 faÆå de cea a diodei laser, astfel cå nuo va influenÆa pe aceasta. Câmpul magnetic este aplicat prin intermediul unuimagnet permanent (nu este prezentat în figurå).

Fig. 10.22 Izolator cuplat cu o diodå laser

Fig. 10.23 Izolator pentru direcÆia stânga dreapta

SFERA YIG

DIODALASER

POLARIZOR

FIBRA MONOMOD

IZOLATORPin Pies

FIBRA FIBRA

INTRARE IESIRE

Factorul de izolare (isolation), ISL , este o måsurå a eficienÆei transmisiei, atuncicând izolatorul lucreazå pe direcÆia inverså (pierderi mari). El este dat de relaÆia:

r,in

r,iesIS P

Plog10L −= (10.14)

unde r,iesP este puterea inseratå în portul de ieçire (pe direcÆia inverså), iar r,inPeste puterea ce emerge, de la portul de intrare.

Un izolator ideal, nu ar trebui så aibå pierderi pe direcÆia de propagare directå,iar pe direcÆia inverså acestea så fie infinite.

În practicå, datoritå reflexiilor, la interfaÆarea componentelor çi a imperfec-Æiunilor atât la polarizor, cât çi la rotator, performanÆa izolatorului nu este chiaridealå. Ca çi valori, se dau pentru pierderile de inserÆie în jur de dB1 , iar pentrucanalul de izolare în jur de dB30 .

10.5 Alte componente10.5.1 Atenuatorul

Atenuatorii optici fac posibilå modificarea intensitåÆii luminii în fibrå.AplicaÆiile în care se utilizeazå, fie testeazå receptorii la diferite nivele de luminå(pentru a determina domeniul dinamic al receptorului), fie cå ajusteazåintensitatea luminii pentru a preveni saturaÆia receptorului.

Alte componente 177177177177177

Atenuarea se mai poate realiza çi prin dezalinierea fibrelor aça cum se aratåîn figura 10.24 b), fie prin mårirea distanÆei dintre fibre, fie prin deplasarealateralå reciprocå.

10.5.2 CirculatorulUn circulator optic, ca principiu

prezentat în figura 10.25, direcÆio-neazå semnalul secvenÆial de la unport la urmåtorul. Adicå semnalulce intrå pe portul 1 iese pe portul2, cel ce intrå pe portul 2 iese peportul 3, iar intrarea pe portul 3are ieçirea pe portul 1.

Pierderile prin inserÆie sunt sub1 dB iar izolarea este peste 25 dB.Circulatorul se utilizeazå pentru adecupla semnalul transmis de celrecepÆionat ce cålåtoreçte prinaceeaçi fibrå (adicå în sisteme bidirecÆionale, aça cum se aratå çi în figura 10.26).Circulatorul foloseçte un rotator Faraday ca cel folosit în cazul izolatorului.

În figura 10.24 a) este prezentat un atenuator prin absorbÆia luminii. Prinrotire discul introduce o atenuare în calea luminii, deoarece el are pe diferiteporÆiuni absorbÆii diferite.

Fig. 10.24 Tipuri de atenuatori

Fig. 10.26 Sistem de transmisie full-duplex

DISC DEABSORBTIE

FIBRA OPTICAFIBRA OPTICA FIBRE OPTICE

a) b)

FIBRA OPTICA

RECEPTOR

RECEPTOR

RECEPTORTRANSMITATOR

TRANSMITATOR

TRANSMITATOR

Fig. 10.25 Schema unui circulator cu fibrå opticå

1

2

3


10.5.3 Dispozitiv de control a stårii de polarizare în fibråEste un dispozitiv cu fibrå opticå pentru a determina o anumitå stare de

polarizare a luminii. Deçi majoritatea sistemelor cu fibrå opticå opereazå indepen-dent de starea de polarizare, existå sisteme în care aceasta este importantå.Amintim sistemele cu detecÆie coerentå sau senzorii interferometrici.

Cel mai simplu dispozitiv de control al pola-rizårii se obÆine prin înfåçurarea fibrei opticepe un disc a cårui diametru este de ordinulcentimetrilor. În mod obiçnuit, se conecteazå înserie douå sau trei fibre de acest tip (figura 10.27).

Rotind discurile în jurul axei fibrei ce trans-mite semnalul, se produce o schimbare a indicilorde refracÆie pentru cele douå fascicule polarizate ortogonal ce traverseazå fibra.Prin rotirea adecvatå a discurilor poate fi obÆinutå orice stare de polarizare doritå.

10.6 ReÆele duplex de distribuÆie a informaÆieiprin fibra opticå

În multe din cazurile de transmisie a informaÆiei se folosesc douå fibre optice,una pentru transmisia çi alta pentru recepÆia semnalului într-o legåturå de tippunct-la-punct (point-to-point link). Într-un sistem full-duplex (ce permitetransmisia simultanå în ambele direcÆii de-a lungul aceleiaçi fibre) seeconomiseçte fibrå opticå ceea ce este un avantaj evident în cazul legåturilorla distanÆå lungå.

În figura 10.28 este prezentatå schema unui sistem full-duplex ce are câte uncuplor direcÆional la fiecare terminal.

Fig. 10.28 Sistem de comunicaÆie full-duplex

În acest caz cuplorii ideali de tip 3dB, vor introduce pierderi de 6dB pe fibråîntre emiÆåtor çi receptor. Pierderile prin supradimensionare çi cele din conectorvor micçora puterea recepÆionatå la portul îndepårtat.

T

R

CD

T

R

CD

1 12 2

33 44

FO

Fig. 10.27 Controlul stårii depolarizare în fibrå

FIBRA OPTICA

DISCURI

ReÆele duplex de distribuÆie a informaÆiei prin fibra opticå 179179179179179

10.6.1 ReÆeaua de tip TPrin utilizarea reÆelelor de tip T, figura 10.29, se pot conecta mai multe

terminale. Fiecare terminal are un emiÆåtor çi un receptor. Trunchiul comun defibrå, numit çi bus sau magistralå de date, poartå informaÆia intre acestea.Terminalele sunt prevåzute cu cuplori în T. Cuplorul în T prezentat în figura10.30, permite fluxul de informaÆie bidirecÆional pe magistrala de date.

Aça cum se observå çi în figurå, doi cuplori direcÆionali formeazå un cuplor înT. Terminalul 1 çi N sunt legaÆi prin intermediul unui singur cuplor.

O reÆea de tip T, cu mai multe terminale, nece-sitå un factor de despicare foarte mare. În felulacesta suntem asiguraÆi cå semnalele ce vin dela terminalul cel mai îndepårtat va avea suficientåputere pentru a fi detectat. Så presupunem cåsemnalul trebuia så treacå prin 1N − terminale.Pentru receptorul conectat la ultimul terminalpierderea totalå va fi:

TAPTHP LL)1N(L +−= (10.15)

de unde putem concluziona cå pierderea totalå,în decibeli, creçte liniar cu numårul de terminale.

În orice sistem real, trebuie så luåm în conside-rare pierderile ce apar la conexiunile din cadrulreÆelei. Fiecare intrare çi ieçire a cuplorului nece-sitå câte un conector, astfel cå între terminalele 1 çi N existå 2N conectori. Dacåpentru un conector pierderea în decibeli este CL atunci relaÆia de mai sus devine:

CTAPTHP NL2LL)1N(L ++−= (10.16)

Pierderile devin importante la creçterea numårului de terminale. În plus trebuieÆinut cont çi de uçurinÆa în conectare, de caracteristicile receptorului, posibilitateade deteriorare la conectare. Un terminal din reÆeaua în T va primi mai multåputere de la un terminal adiacent decât de la unul de la distanÆå. De aceeareceptorul trebuie så fie capabil så proceseze semnale ce au un spectru larg denivele de putere, adicå receptorul trebui så se adapteze unui spectru dinamic.

Fig. 10.29 Interconectarea a N terminale într-o reÆea T

1

2 3 N-1

NCD CD

CUPLOR T

FO

Fig. 10.30 ReÆea tip T cu douåcuploare direcÆionale

T R

CD

1

2 3

4

CD1 2

34

BUS BUS


Deteriorarea localå într-o reÆea de tip T nu va opri comunicaÆia în sistem. Ofisurå în bus-ul fibrei va face ca sistemul så fie divizat în alte douå subsisteme încare fluxul de informaÆie va trece intact pe fiecare ramurå. Deteriorarea unuiadin cuplorii în T va elimina fluxul de informaÆie cu terminalul de care aparÆinedar va låsa restul sistemului så funcÆioneze. Prin secÆionarea fibrei pe bus çiinserarea unui nou cuplor T vom putea face ca informaÆia så revinå la terminaluleliminat temporar.

10.6.2 ReÆeaua de tip steaO alternativå la reÆeaua de tip T, pentru reÆele multiterminale, este configuraÆia

în stea, aça cum se prezintå în figura 10. 31.În aceastå configuraÆie, un cuplor stea de transmisie, interconecteazå N

terminale. Cuplorul are 2N porturi çi poate fi considerat ca un cuplor direcÆionalcu mai mult de patru porturi. Cuplorul în stea distribuie puterea în mod egal lafiecare din porturile receptoare de la oricare din porturile transmiÆåtoare açacum este prezentat çi în figura 10.32. Un dispozitiv ideal va împårÆi putereacelor N intråri fårå pierderi.

Fig. 10.31 ReÆea tip stea Fig. 10.32 DistribuÆia de putere de la orice portde intrare la toate porturile de ieçire

EficienÆa transmisiei pentru fiecare port este N1 pierderea prin inserÆie (îndecibeli) fiind:

N1

log10LIN −= (10.17)

1 2 N

CUPLORIN STEA

1' 2' N '

TRANSMITATORI

RECEPTORI

1 2 N

1' 2' N '

PORTURI DE INTRARE

PORTURI DE IESIRE


Dacå vom avea doi conectori, fiecare având pierderile CL çi EL , atunci pierderiletotale pentru cuplorul în stea sunt:

CE L2LN1

log10L ++

−= (10.18)

Atunci când existå interconectate mai mult de 5 terminale reÆeaua de tip steaeste foarte eficientå çi aceasta deoarece variaÆia logaritmicå a pierderilor creçtemult mai puÆin cu N numårul de porturi, în raport cu pierderile din reÆeaua detip T. Pentru fiecare din porturile noi adåugate, în reÆeaua de tip T semnalultrebuie så treacå prin doi sau mai mulÆi conectori, în timp ce pentru reÆeaua detip stea, nu va modifica numårul de conectori prin care trebuie ca semnalul såtreacå în drumul lui de la transmiÆåtor la receptor.

Så comparåm pierderile în cele douå tipuri de reÆele, în T çi în stea, cândadåugåm un terminal, de la 10 la 11 terminale. Så presupunem un factor dedespicare 9:1 çi pierderi de inserÆie de dB1 pentru cuplorul de tip T iar pentruambele sisteme utilizarea conectorilor în care pierderile så fie de dB1 . PentrureÆeaua în T, din relaÆia 10.6a, avem cå pierderile prin stråpungere dB46,1LTHP =la care mai adåugåm pierderile de dB2 din conectori adicå vor fi în total pierderide dB46,3 . Ceea ce înseamnå cå prin adåugarea unui nou terminal putereareceptatå scade cu aproape 50% din valoarea iniÆialå. Pentru reÆeaua de tip stea,pierderile se modificå de la ( ) dB10101log10 =− la ( ) dB4,10111log10 =− o creç-tere de numai dB4.0 .

Pentru sistemele ce au puÆine terminale, pierderile în reÆeaua de tip T pot fiacceptabile, mai ales atunci când se minimizeazå pierderile prin conectori CL lacuplarea porturilor cu bus-ul de fibrå. Pentru un numår de terminale mai marede 10, reÆeaua de tip T nu mai este rentabilå dar este avantajoaså la un numårmai mic de terminale deoarece prin legare terminalelor în reÆea de tip T seeconomiseçte foarte multå fibrå opticå. În reÆeaua de tip stea existå cabluri sepa-rate de la cuplorul central la fiecare terminal.

Pentru creçterea eficienÆei, cuplorul în stea într-o reÆea ce are N terminale artrebui så aibå 2N porturi, adicå toate porturile så fie utilizate. Un cuplor cu maimult de 2N porturi introduce mai multe pierderi decât este prevåzut çi de aceeaadåugarea unui nou terminal la un sistem existent necesitå çi schimbareacuplorului în stea (så aibå încå un port disponibil la care så ne putem lega).

În comparaÆia fåcutå mai sus pentru cele douå tipuri de reÆele am presupus cåprin introducerea noului port nu avem pierderi suplimentare, ceea ce este corectpentru cazul când avem doar douå porturi, deçi pierderile prin supradimensionarecresc cu numårul de porturi. Pierderile prin supradimensionare pot så se modificede la dB1 pentru 16 porturi (N=8) la dB3 pentru 128 porturi (N=64).

În reÆeaua de tip stea, deteriorare unei ramuri de conectare întrerupeconexiunea la acel terminal, iar deteriorarea cuplorului în stea determinåîntreruperea comunicaÆiei.


10.6.3 ReÆeaua de tip inelAça cum se aratå în figura 10.33 prin

intermediul fibrelor optice putem conectamai multe terminale într-o reÆea de tipinel. ReÆeaua în inel înseamnå conectareaîn serie a legåturilor independentepunct-cu-punct. Fiecare nod al ineluluiare câte un emiÆåtor çi un receptor, func-Æiunea nodului fiind aceea a unui rege-nerator activ.

Dupå ce receptorul detecteazå mesajulçi este citit, datele sunt regenerate çi apoiretransmise spre urmåtorul terminal. În inel, puterea de la orice transmiÆåtoroptic pleacå spre un singur receptor. Nu se împarte din fluxul de putere aça cumse întâmplå în cazul reÆelei în stea sau în T. Din acest motiv, în cazul reÆelei îninel, se pot interconecta mai multe terminale faÆå de celelalte douå tipuri dereÆele, adicå reÆeaua în inel nu este limitatå datoritå pierderilor de distribuÆie deputere, dar çi nodurile active sunt mult mai complexe decât cele pasive dincelelalte douå tipuri de reÆea. Dacå unul din noduri se defecteazå atunci întregulsistem nu mai funcÆioneazå, lucru care se întâmplå çi atunci când apar defecÆiunipe fibra opticå prin care se transmite semnalul.

Pentru a rezolva aceastå problemå existå mai multe posibilitåÆi. Se poate inseraun comutator electromecanic de trecere (bypass) pe nodul defect pânå cânddefecÆiunea se remediazå çi instalarea unui al doilea inel, figura 10.34a, reuçindu-seastfel mårirea redundanÆei sistemului. Cel de-al doilea inel transmite informaÆiaîn direcÆie opuså faÆå de primul, dar în mod obiçnuit doar primul inel este activ,astfel cå atunci când un nod sau o fibrå cade, sistemul så poatå fi funcÆional pentrurestul nodurilor. În figura 10.34b este aråtat drumul semnalului atunci când seproduce o cådere a sistemului çi reÆeaua se reconfigureazå ea însåçi.

Fig. 10.34 ReÆea în inel: a) configuraÆia de bazå b) nodul 4 defect

InterfaÆa de distribuÆie a datelor prin fibrå precum çi reÆeaua cu acoperire localå(LAN) utilizeazå o arhitecturå de inel dualå.

1

2 3

4

N 5

FIBRA

1

2 3

N 5

FIBRA

NOD DEFECT

a) b)

Fig. 10.33 ReÆeaua în inel

1

2 3

4

N 5


10.6.4 Sisteme de distribuÆie hibrideÎn proiectarea sistemelor cu fibre optice multiterminale mult mai flexibile

sunt combinaÆiile de reÆele în stea cu cele în inel. O combinaÆie de tip stea-T, culegåturå directå intre ele, se foloseçte atunci când reÆeaua de tip stea leagåterminalele din locaÆii apropiate, pe când cea de tip T va lega terminalele ce seaflå la distanÆe mari.

O altå alternativå la distribuÆia semnalului pe distanÆe mari este introducerea derepetori activi pentru compensarea pierderilor de semnal prin fibrå. În figura 10.35se aratå modul de cuplare a unui repetor activ într-o reÆea stea-stea.

Fig. 10.35 ReÆea de tip stea-stea cuplatå prin intermediul unui repetor activ

10.6.5 Sisteme multifibråÎn cazul sistemelor cu N terminale,

acestea se pot lega direct prin conec-tarea fiecårui terminal la toate celelalteaça cum este aråtat în figura 10.36.

La capåtul fiecårui transmiÆåtor osingura surså ilumineazå månun-chiul de 1N − fibre. Pentru a mårieficienÆa, suprafaÆa de emisie a surseieste uniform repartizatå pe capåtulmånunchiului de fibre. Fiecare capåtal fibrei are un corespondent lareceptorul aflat la distanÆå. La fiecarereceptor ajunge un capåt al fibrei dela fiecare transmiÆåtor. Månunchiulde fibre ilumineazå câte un fotode-tector, la care suprafaÆa activå trebuie

REPETOR

T T

CUPLORIN STEA

R R

T T

CUPLORIN STEA

R R

Fig. 10.36 ReÆea cu legåturi multifibrå

T

R

R

T

TR

RT


så fie cel puÆin la fel de mare ca çi cea a månunchiului de fibre. Deçi o astfel deconfiguraÆie are utilizeazå foarte multe fibre, ea are çi câteva avantaje. În primulrând, pot fi utilizaÆi emiÆåtori cu suprafaÆå mare (ce pot avea puteri mult maimari decât cei cu suprafaÆå de emisie micå). În al doilea rând, puterea semnaluluice se introduce în fibrå nu este atenuatå de cåtre conectori sau de cåtre cuploriide distribuÆie, aça cum se întâmplå în cazul sistemelor în stea sau T, iar pierderileîntre terminale vor fi mult mai mici. Dacå nu este necesarå transmisie întrefiecare terminal, cablurile de fibrå opticå corespunzåtoare pot fi eliminate.

ReÆeaua într-un sistem multifibrå este mai rentabilå decât cea care realizeazålegåturi de tip punct-cu punct între terminale. De exemplu o legåturå punct-cupunct necesitå 1N − transmiÆåtori çi 1N − receptori la fiecare terminal, rezultândîn final )1N(N − transmiÆåtori çi )1N(N − receptori. Pentru 4 terminale legate însistem punct-cu-punct sunt necesari 12 transmiÆåtori çi 12 receptori, în schimbîn cazul legårii celor 4 terminale în sistem multifibrå, sunt necesari doar 4transmiÆåtori çi 4 receptori.

10.7 Multiplexarea prin divizarea lungimii de undåFasciculele optice cu diferite lungimi de undå se propagå fårå a interfera unul

cu altul, astfel cå se pot utiliza mai multe canale de informaÆie (fiecare avândpurtåtoarea, pe lungimi de undå diferite) pentru a transmite simultan informaÆiipe o singurå fibrå opticå. Acest mod de transmisie se numeçte multiplexareprin divizarea lungimii de undå (WDM – Wavelength-Division-Multiplexing)çi creçte capacitatea unei fibre de a transmite informaÆii pe o purtåtoare.

Capacitatea de transmisie a informaÆiei depinde de materialul din care estefåcutå fibra, de dispersia ghidului de undå çi de distorsiunile de mod, limite decare se Æine seama când se ia în considerare doar o lungime de undå. Mårindnumårul de unde purtåtoare, creçte proporÆional çi capacitatea de transmisie.

Un multiplexor optic, aça cum se aratå çi în figura 10.37a, primeçte lumina,informaÆia, de la surse individuale, çi o transmite fibrei optice. În staÆia de recepÆie,demultiplexorul optic separå diferitele unde purtåtoare de informaÆie, înaintede fotodetecÆia semnalelor individuale, figura 10.37b. Atât multiplexorii cât çidemultiplexorii au ataçate fibre optice la porÆiunile lor de intrare çi de ieçire.Este posibil ca så înlocuim fibrele de la intrarea multiplexorului direct cu surseoptice integrate în dispozitiv.

Fig. 10.37 Schema unui a) multiplexor optic, b) demultiplexor optic

λ1λ2

λS

INPUTFIBERS

TRANSMITTINGFIBER

λ1, λ2, .............. λS

(a) Multiplexer

λ1λ2

λS

OUTPUTFIBERS

TRANSMITTINGFIBER

λ1, λ2, .............. λS

(b) Demultiplexer

Multiplexarea prin divizarea lungimii de undå 185185185185185

În mod similar, putem avea la ieçire, fotodetectori integraÆi în dispozitivul dedemultiplexare. Adesea acelaçi dispozitiv poate fi utilizat ca multiplexor saudemultiplexor (MUX/DEMUX).

Foarte importante sunt çi aici pierderile prin inserÆie çi intermodulaÆia(crosstalk). Referindu-ne la figura 10.37a, pierderea prin inserÆie pentru canalul1, este fracÆiunea din puterea de intrare, la lungimea de undå 1λ , care ajunge lafibra ce transmite informaÆia. Un MUX/DEMUX are proprietatea de uniformitate,dacå pierderile prin inserÆie sunt aproape aceleaçi pe fiecare canal. IntermodulaÆia,(crosstalk) înseamnå atenuarea undei, måsuratå la porturile diferite, de cel lacare se transmite informaÆia. Referindu-ne la figura 10.37b, intermodulaÆia esteacea fracÆiune din puterea de intrare cu lungimea de undå 1λ , ce ajunge la ieçireaîn fibrå, cu componenta de lungime de undå 2λ .

IntermodulaÆia, este o problemå importantå, în cazul recepÆiei informaÆiei,când douå sau mai multe semnale pot interfera cu semnalul util.

În figura 10.38, sunt prezentate curbele pierderilor prin inserÆie pentru unMUX/DEMUX cu opt canale. Cele opt curbe reprezintå pierderile de transmisiepentru fiecare din cele opt canale.

Fig. 10.38 Pierderile prin transmisie pentru un MUX/DEMUX cu 8 canale

De exemplu, primul canal este centrat pe nm1530=λ , al doilea penm1534=λ çi aça mai departe din 4 în 4 nm pânå la canalul 8 unde nm1558=λ .

Lårgimea de bandå pe canal este de 2 nm. În acest exemplu pierderile de inserÆiesunt mici, aproximativ 1 dB, iar izolarea între canalele adiacente (crosstalk-ul)este joaså (mai mult de 35 dB dacå lungimile de undå ale surselor sunt centrateaça cum am aråtat mai sus çi dacå consideråm lårgimea de bandå de 2 nm).

Multiplexorul descris în figura 10.38 lucreazå în cea de-a treia fereastrå opticå,unde pierderile pe fibrå sunt mici çi unde amplificatorii de luminå (dopaÆi cuErbiu), lucreazå foarte bine. Datoritå acestui fapt sistemele WDM sunt utilizateîn legåturile sub mare, având deci capacitate mare de transmisie a datelor çiputând fi folosite în cabluri de transmisie foarte lungi.

Multiplexorii au fost proiectaÆi så accepte multe canale (mai mult de 100) culårgime de bandå çi distanÆe între lungimile de undå sub nm1 . Când sunt maimult de 2 sau 3 canale WDM, spunem cå avem un sistem WDM dens. În figura

0

-15

-30

1530 1534 1538 1542 1546 1550 1554 1558

LUNGIMEA DE UNDA (nm)

TR

AN

SM

ISIA

(dB

)


10.39 este prezentat un sistem WDM cu trei canale. În forma ei cea mai simplå,aceastå reÆea este unidirecÆionalå. Ea poate lucra în ambele direcÆii dacådispozitivele de separare a lungimilor de undå sunt bidirecÆionale. Atunci cândlucreazå în mod bidirecÆional, trebuie så existe çi cuplori direcÆionali la fiecarecapåt, pentru a separa undele transmise de cele recepÆionate. Sistemele pe osingurå purtåtoare pot fi reproiectate så lucreze prin multiplexare WDM, fibraråmâne aceeaçi, doar terminalele trebuie înlocuite în mod adecvat.

Adeseori se utilizeazå o combinaÆie WDM care lucreazå pe un canal la m3,1 µçi pe altul la m5,1 µ . DiferenÆa mare între lungimile de undå simplificå proiectareamultiplexorului. Similitudinea caracteristicilor fibrelor (atenuarea çi lårgimeade bandå), la aceste lungimi de undå fac ca sistemul så fie foarte practic. Sepoate utiliza de asemenea un canal adiÆional care så lucreze la nm900800 − ,dar pierderile çi dispersia mare în acest domeniu de lungimi de undå, limiteazålungimea de transmisie çi lårgimea de bandå a întregii legåturi.

În figura 10.40 este prezentat un sistem WDM care lucreazå într-o reÆeafull-duplex de transmitere a informaÆiei în ambele sensuri.

Proiectarea multiplexoarelor se face Æinând cont fie de dispersia unghiularå,fie de filtrarea opticå. Pentru dispersia unghiularå se folosesc, prisme optice saureÆele de difracÆie aça cum se prezintå în figura 10.41. ReÆeaua de difracÆie poatefi acoperitå cu un metal pentru a îi måri factorul de reflexie.

Fig. 10.39 MUX/DEMUX cu 3 canale Fig. 10.40 ReÆea full-duplex

Fig. 10.41 ModalitåÆi de obÆinere a dispersiei unghiulare

Filtrele optice, din figura 10.42, sunt straturi subÆiri de materiale transparentecu indici de refracÆie diferiÆi. Ele lucreazå pe baza fenomenului de interferenÆå.InterferenÆa în strat subÆire, va face ca la o anumitå lungime de undå, lumina såtreacå prin filtru, iar lumina având celelalte lungimi de undå så fie reflectatå. În

MUX2

1

3

DMUX

1'

2'

3'

λ1λ2

λ3

λ1, λ2, λ3λ1

λ2

λ3

TRANSMITATOR RECEPTOR

MUX/DMUX

T

R

DMUX

R

T

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

RECEPTOR

MUX/

TRANSMITATOR

λ1, λ2, λ3λ1

λ2

λ3

λ1, λ2, λ3

λ1 λ2 λ3

PRISMA RETEA DE DIFRACTIE PRIN REFLEXIE

Multiplexarea prin divizarea lungimii de undå 187187187187187

figura 10.42 este prezentatcazul în care douå filtre înserie, separå (sau combinå)lumina la trei lungimi deundå diferite.

În cele mai multe cazurisistemul MUX/DEMUX in-clude çi lentile pentru a cap-tura razele divergente ceajung la intrarea în fibrå, pentru a direcÆiona razele pe elementele de combinare/separare sau pentru a refocaliza lumina pe fibra de ieçire din sistem. Rolullentilelor fiind çi acela de a elimina pierderile în golurile de aer care s-ar forma.De asemenea, lentilele sunt cele care colimeazå, focalizeazå, fasciculul ce cadepe dispozitivul de selecÆie a lungimii de undå, çi acest lucru este necesar deoareceatât componentele cu dispersie unghiularå cât çi filtrele optice sunt dependentepe unghiul de incidenÆå pe ele. Razele incidente ce sunt divergente la intrare vorfi divergente çi pe elementul de separare a lungimilor de undå, fiecare dinlungimile de undå având un anumit domeniu unghiular pe care se propagå.

Mårirea domeniului unghiular înseamnå micçorarea posibilitåÆii de a separaspaÆial undele de diferite lungimi de undå, de aici rezultând çi importanÆa faptuluicå lumina trebuie så fie bine focalizatå de-a lungul fibrei.

În figura 10.43 este prezentat multiplexorul/demultiplexorul cu reÆea dedifracÆie, unde pentru simplificarea desenului este desenatå doar raza centralåasociatå fiecårei fibre. Fasciculele ce ies din orice fibrå sunt divergente, iar celecare intrå în fibrå sunt fascicule convergente.

Fig. 10.43 MUX/DEMUX cu reÆea de difracÆie

Fasciculele sunt colimate, în spaÆiul dintre lentilå çi reÆeaua de difracÆie. Peprima fibrå intrå în sistem lumina cu cele trei lungimi de undå çi apoi estedispersatå de cåtre reÆeaua de difracÆie ajungând så fie separate çi trimise pecelelalte trei fibre. Când este folosit ca demultiplexor, rezultå fascicule de luminåcu lungimile de undå 1λ , 2λ çi 3λ . Lentila colimeazå fascicolele, înainte ca razeleså cadå pe reÆeaua de difracÆie. ReÆeaua de difracÆie selecteazå spaÆial cele treilungimi de undå, dupå care lentila le focalizeazå separat pe fiecare din fibrele dela ieçirea din dispozitiv. Acest dispozitiv este unul bidirecÆional, atunci când estefolosit ca multiplexor, se inverseazå direcÆia de propagare a razei. Intrårile pe

RETEA

λ3

λ2

λ1

LENTILA GRIN

FIBRE OPTICE

λ1, λ2, λ3

Fig. 10.42 Filtrarea opticå

λ1, λ2, λ3

λ1 λ2

λ3

F1 F2


cele trei fibre de jos sunt adunate de cåtre reÆeaua de difracÆie çi focalizate pelinia de transmisie (fibra din partea de sus a desenului). Multiplexorul din figura10.44 foloseçte o combinaÆie dintre o lentilå GRIN çi filtre optice. Filtrul F1, lasåså treacå lumina cu lungimea de undå 1λ . Ca çi în multiplexorul din figura 10.43,lentila colimeazå lumina emergentå de la fibrele optice çi dupå ce razele suntreflectate de filtrul F2 sau de oglindå, ea focalizeazå razele pe fibrele de ieçire.

Fig. 10.44 MUX/DEMUX cu filtre optice

Când este folosit ca demultiplexor, lumina cu lungimile de undå 1λ çi 2λ intråpe lentilå pe fibra din partea de sus a desenului. Filtrul F2 reflectå lumina cu 1λ ,aceasta va cålåtori prin partea de jos a fibrei, va trece prin filtrul F1 çi va intra pecanalul 1, în acelaçi timp filtrul F2 va låsa så treacå lumina cu 2λ care va fireflectatå de cåtre oglinda înclinatå, astfel încât lumina este direcÆionatå så cadåpe canalul 2 de transmisie. Filtrul F1 care reflectå lumina cu lungimea de undå

2λ , eliminå intermodulaÆia, prin minimizarea energiei luminii cu lungimea deundå 2λ care ar putea cådea pe canalul 1.

Când este utilizat ca çi multiplexor, razele de luminå cu lungimea de undå 1λintrå prin intermediul lentilei pe canalul 1, iar cea cu 2λ pe canalul 2. Filtrul F2,oglinda çi lentila combinå cele douå lungimi de undå pentru a ajunge la fibratransmiÆåtoare. În cazul multiplexorului nu este necesar filtrul F1.

Existå o varietate mare de sisteme MUX/DEMUX, cele douå tipuri de dispozitiveconÆin elementele necesare minime pentru a realiza un astfel de sistem. Ele sedovedesc a fi simple çi au avantajul cå utilizeazå aceeaçi lentilå pentru a cuplaporturile de intrare çi de ieçire. Existå çi multiplexoare care folosesc lentileseparate, pentru fiecare port. Avantajul unei astfel de configuraÆii este acela cåfiecare lentilå poate fi centratå axial cu axa fibrei, çtiut fiind cå lentilele auaberaÆii foarte mici pe direcÆia lor axialå.

O variantå de multiplexor pentru sistemele monomod se bazeazå pe cuploruldescris în secÆiunea 10.2.1. Deoarece coeficientul de cuplare ( )β∆ din relaÆia10.7 depinde de lungimea de undå çi lungimea de cuplaj CL este diferitå, ladiferitele lungimi de undå. Raportul pierderilor prin ramificaÆii 13 P/P în funcÆiede lungimea de interacÆiune este prezentat în figura 10.45.

Fie cazul unui cuplor ce are lungimea de interacÆiune de 1CL3 (de trei ori

lungimea de cuplaj ce corespunde lui 1λ ). Pentru acest cuplor, aça cum este

λ1, λ2

REFLEXIE λ2

λ2

λ1

LENTILAGRIN

FIBRA DE INTRARE

λ2

λ1

REFLEXIE λ1 FILTRUL F2

FILTRUL F1

CANAL 1CANAL 2

ReÆele de difracÆie tip BRAGG cu fibrå opticå 189189189189189

prezentat çi în figura 10.46 o in-trare la portul 1 cu lungimea deundå 1λ va fi în întregime trans-miså pe portul 3. Pe de altå parte,intrarea cu 2λ are cuplaj zero cuacest port, astfel cå va emerge înîntregime la portul de ieçire 2. Cualte cuvinte, cuplorul acÆioneazå caun demultiplexor, prin separareacelor douå lungimi de undå inci-dente pe portul 1.

Pe de altå parte, o intrare cu 1λpe portul 3 çi o intrare cu 2λ peportul 2, vor avea ieçirea ambele peportul 1, astfel cå avem acum unmultiplexor.

Fig. 10.46 Schema de principiu a unui cuplor care funcÆioneazå ca demultiplexor

10.8 ReÆele de difracÆie tip BRAGG cu fibrå opticåReÆeaua de difracÆie tip BRAGG

cu fibrå opticå, se realizeazå cu ofibrå opticå care are de-a lungulaxei miezulului, valori periodice aleindicelui de refracÆie, aça cum esteprezentatå în figura 10.47.

La intrare o undå cu lungimeade undå egalå cu jumåtate dinperioada de repetiÆie Λ va fi reflectatå de fiecare datå când întâlneçte variaÆia deindice de refracÆie çi îçi schimbå faza. ReÆeaua acÆioneazå ca un reflector, iar fascicu-lele reflectate îçi schimbå faza. Fascicolul reflectat se supune legii lui Bragg, fiind

deci împlinitå condiÆia 2λ=Λ , iar lungimea de undå λ se considerå måsuratå în

miezul fibrei doar pentru reflexia cea mai puternicå, cea de ordinul I. Putemspune cå reÆeaua devine rezonantå la acea lungime de undå care satisface legealui Bragg. Atât lungimea L a reÆelei (indicatå în figurå), cât çi adâncimea la carese schimbå indicele de refracÆie sunt doi parametri importanÆi. Fascicolele de

DEMULTIPLEXORCU DIVIZAREA LUNGIMII DE

UNDA

1 2

34

λ2

λ1

λ1, λ2

Fig. 10.45 DependenÆa lungimii de interacÆiunede raportul pierderilor prin ramificaÆie

λ2λ1

Lc1 2Lc1 3Lc1

LUNGIMEA DE INTERACTIUNE

P3/

P1

0

0,5

1,0

Fig. 10.47 ReÆea de difracÆie BRAGGL

MIEZ

Λ


luminå care nu se supun legii lui Bragg råmân neafectate, ele sunt transmise maideparte. De fapt fibra opticå de tip Bragg acÆioneazå ca un filtru.

ReÆeaua de difracÆie cu fibra opticå de tip Bragg se obÆine prin expunereamiezului fibrei la o luminå puternicå din domeniul ultraviolet (UV). Lumina UVcade pe o mascå de fazå producând o figurå de interferenÆå ce produce schimbåriperiodice de structurå în miezul fibrei. Rezultå o variaÆie stabilå çi permanentå aindicelui de refracÆie a miezului fibrei.

AplicaÆiile fibrei optice de tip Bragg sunt diverse în domenii ca:

a) filtre pentru sisteme WDM;b) oglinzi selective la lungimi de undå, pentru laserii cu fibrå;c) stabilizarea lungimii de undå a diodelor laser;d) måsuråtori de forÆe mecanice çi temperaturå în senzori cu fibre optice

compozite;e) compensåri de dispersie;f) stabilizarea câçtigului çi egalizarea în amplificatori cu fibrå dopatå cu erbiu;g) filtre pe lungimi de undå bine stabilite;h) filtre cu lungimi de undå acordabile.

În figura 10.48 este prezentatå schema unui MUX/DEMUX cu fibrå opticå tipBragg. Dispozitivul are douå cuploare çi douå reÆele de difracÆie. ReÆelele dedifracÆie sunt proiectate så producå reflexia luminii cu lungimea de undå 4λ çiså o retransmitå pe portul 4. Pentru a explica modul cum lucreazå ca demultiplexorså consideråm cå lumina cu cele patru lungimi de undå 1λ , 2λ , 3λ çi 4λ intrå peportul 1 în fibra de transmisie. Lumina cu lungimea de undå 4λ este reflectatå dereÆeaua de difracÆie çi datoritå defazajului ce apare, ea emerge pe portul 4.Celelalte unde trec prin reÆeaua de difracÆie çi emerg pe la portul 3. Aceste undepot fi extrase similar prin demultiplexare la portul 3 care poate fi proiectat pentruoricare din celelalte trei lungimi de undå.

Fig. 10.48 Filtru WDM cu reÆea BRAGG din fibrå opticå

Cu toate cå nu este specificat în figurå, dispozitivul poate acÆiona çi ca unmultiplexor. Dacå unda cu 4λ ar fi incidentå la portul 2 iar 1λ , 2λ , 3λ ar fi incidentela portul 1 ele s-ar combina çi ar emerge din portul 3.

1 2

34λ1, λ2, λ3

λ4 REFLECTAT

λ4

λ1, λ2, λ3, λ4

λ4 REFLECTAT

ReÆele de difracÆie tip BRAGG cu fibrå opticå 191191191191191

ReÆeaua de difracÆie cu fibrå opticå poate fi acordatå la o anumitå lungime deundå, dacå se modificå perioada cu care apar variaÆiile indicelui de refracÆie, lucrucare se poate realiza fie mecanic fie termic. Mecanic, înseamnå cå fibra este alungitåsau comprimatå, iar termic înseamnå cå se modificå temperatura fibrei. Acesteasunt de fapt principiile care stau la baza funcÆionårii senzorilor cu fibrå pentru adetermina forÆe mecanice sau temperaturi, dar çi a filtrelor acordabile.

În acest capitol au fost prezentate tehnicile de bazå pentru comunicaÆiilebidirecÆionale în sisteme multiterminale prin intermediul tehnologiilor cu fibråopticå. Utilizarea fibrelor optice creçte interesul pentru sistemele multiterminale.Dintre arhitecturile de reÆele pe care le poate utiliza, proiectantul unui astfel desistem de comunicaÆie trebuie så aleagå varianta cea mai bunå. Proiectantul trebuieså ia în considerare, cantitatea de fibrå necesarå precum çi pierderile ce pot apareîn sistem. De exemplu la un anumit numår de terminale configuraÆia în T, necesitåmai puÆinå fibrå opticå decât configuraÆia în stea çi într-un sistem de comunicaÆiece acoperå o suprafaÆå mare este foarte importantå reducerea lungimii cablului defibrå opticå ceea ce înseamnå cå implementarea fizicå a terminalelor va determinacantitatea de fibrå necesarå çi configuraÆia optimå a reÆelei.

Pierderile într-o reÆea în T, cresc mult mai repede decât într-o reÆea în stea çidin acest punct de vedere este mai avantajoaså configuraÆia în stea dar çi prinaceea cå puterea recepÆionatå çi debitatå, este aceeaçi la fiecare terminal.

Într-o reÆea în T, puterea recepÆionatå de la diferiÆi receptori este diferitå iarreceptorii trebuie så fie sensibili la un domeniu larg al puterilor de la intrare.

Problemele legate de nivelul puterilor, atât la intrare cât çi la ieçirea unuisistem în orice configuraÆie, se rezolvå prin introducerea repetorilor deçi prinaceasta creçte complexitatea çi costul sistemului.

Multiplexarea creçte cantitatea de informaÆie ce poate fi transmiså prinintermediul unei fibre prin faptul cå este posibilå propagarea simultanå a maimultor purtåtori cu frecvenÆe din domeniul optic. În sistemele multiterminaleînså, creçterea de cantitate de informaÆie, compenseazå faptul cå în acestea trebuieså fie mult mai multe complexe.

În concluzie, sistemele complexe cu fibrå opticå, necesitå o proiectare optimåpentru distribuÆia semnalului optic çi çi-au gasit aplicaÆii atât în reÆelele de tipLAN dar çi prin faptul cå s-au dezvoltat oraçe acoperite în întregime cu reÆele dinfibrå opticå pentru a transmite informaÆii rapid çi eficient.

192192192192192 Capitolul 11 Modularea opticå

Capitolul 11 ModularModularModularModularModularea opticåea opticåea opticåea opticåea opticå

În optoelectronicå modularea semnalului optic împrumutå din tehnicile demodulare ale semnalului electronic. În afara analogiei cu electronica, semnaluloptic mai are çi câteva particularitåÆi pe care le vom pune în evidenÆå.

11.1. Circuite de modulare cu LED-uriModularea analogicå

În figura 11.1 este prezentatå schema de modulare analogicå çi cerinÆeleminime pentru a realiza aceastå modulare cu ajutorul diodei electroluminescente.Modularea analogicå necesitå o polarizare a diodei în curent continuu, pentru aavea întotdeauna un curent rezultant astfel încât dioda så fie polarizatå direct.În lipsa acestuia, sau la o valoare necorespunzåtoare a curentului, partea negativåa semnalului este tåiatå (redresatå).

Fig. 11.1 Modularea analogicå cu ajutorul unui LED

Pdc

Pute

reop

tica

Curent

Timp

Idc

PSP

Timp

iS

ISP

Circuite de modulare cu LED-uri 193193193193193

Curentul total în diodå este:

tsinIIi SPdc ω+= (11.1)

iar puterea opticå corespunzåtoare la ieçire este:

tsinPPP SPdc ω+= (11.2)

unde SPP este puterea semnalului la vârf çi o denumim ca fiind puterea în curentalternativ, vezi figura 11.2.

Fig.11.2 a) variaÆia curentului prin LED b) puterea opticå la ieçire

Dacå i este curentul prin LED, atunci numårul de sarcini pe unitatea de timpeste eiN = , unde e sarcina electronului. Dacå η este fracÆiunea de sarcini carese recombinå çi produc fotoni, puterea opticå la ieçire va fi:

ie

ENEP g

gη

=η= (11.3)

unde gE lårgimea benzii interzise, este datå în Jouli.Datoritå relaÆiei de liniaritate dintre puterea opticå çi curentul prin dioda

electroluminescentå, variaÆiile de curent de la intrare sunt urmårite la ieçire,prin variaÆia puterii optice. Sursa opticå, LED-ul, poate restricÆiona viteza de transfera informaÆiei. La frecvenÆe de modulare mici, SP1SP IaP ⋅= unde iPa1 ∆∆= (pantacurbei din figura 11.1). La frecvenÆe mari, joncÆiunea çi capacitåÆile parazite,scurtcircuiteazå rapid curentul reducând puterea de curent alternativ. Principalalimitare în modularea la frecvenÆå înaltå este τ, timpul de viaÆå al purtåtorilor,adicå timpul mediu necesar sarcinilor injectate de a se recombina. Curentul demodulare, trebuie så se modifice lent în comparaÆie cu τ. Råspunsul LED-ului laun semnal electric de pulsaÆie ω este:

22SP1

SP1

IaP

τω+= (11.4)

La valoarea lui τ=ω 1 , puterea în curent alternativ se reduce cu un factor de0.707. La receptor, curentul generat de detector este proporÆional cu puterea

Timp

Idc+ISP

Idc

Idc-ISP

Cur

ent

Timp

Pdc+PSP

Pdc

Pdc-PSP

Put

ere

optic

a

a) b)


opticå. Atunci când puterea opticå se reduce cu 0.707, curentul alternativ detectat,va scådea çi el cu acest factor, iar puterea electricå în receptor (care esteproporÆionalå cu påtratul curentului) va scådea cu 5.0707.0 2 = (adicå o atenuarecu dB3 ). Din acest motiv numim, τ1 , ca fiind modulare cu lungime de bandåla dB3 a LED-ului, sau lårgimea de bandå electricå de dB3 a acestuia. În unitåÆide frecvenÆå, herÆi, lårgimea de bandå la dB3 este:

πτ=− 2

1f dB3 (11.5)

LED-urile comerciale au valori de lårgimi de bandå între MHz1001− , iar celespeciale valori peste MHz300 . Pentru determinarea performanÆelor modulåriise utilizeazå forme de undå sinusoidale, reprezentate fie de o funcÆie sinus, fiede una cosinus.

Factorul de modulare 'm este raportul dintre amplitudinea curentuluialternativ çi valoarea curentului continuu.

dc

SP'

II

m = (11.6)

Valorile amplitudinilor se modificå în intervalul SPdc II + çi SPdc II − . Factorul'm are valoarea egalå cu unitatea când SPdc II = , deoarece SPI poate avea cea mai

mare valoare atunci când dcI este jumåtate din curentul maxim permis prin diodå.Factorul de modulare opticå m este dat de raportul puterilor

dc

SP

PP

m = (11.7)

çi vom putea scrie cå ( )tsinm1PP dcSP ω+= . De unde, prin combinarea relaÆiilorde mai sus avem:

221

'mm

τω+= (11.8)

relaÆie care ne aratå modul în care factorul de modulare opticå descreçte cufrecvenÆa de modulare. Pentru 1<<ωτ (modulaÆie cu mult sub lårgimea de bandåa LED-ului la dB3 ), 'mm = .

Dintre diversele circuite cu modulare analogicå a unui LED îl descriem pe celdin figura 11.3 unde curentul de colector Ci al tranzistorului, este cel care treceprin LED. Într-un amplificator convenÆional, în locul LED-ului se pune o rezistenÆåde sarcinå SR , iar rezistenÆa eR se pune în paralel cu un capacitor. Pentru aînÆelege modul de operare al modulatorului så consideråm caracteristica curen-tului de colector, în funcÆie de tensiunea colector emitor a tranzistorului, prezentatåîn figura 11.4. Tensiunea de alimentare dcV , rezistorii aR çi bR dau curentul depolarizare a bazei BI , care va polariza direct joncÆiunea bazå-emitor, ceea ce vaface ca prin colector så avem un curent (în aceastå analizå, cu litere mari vomnota valorile în curent continuu).


Curentul de colector rezultant este BC II β= unde β este factorul de amplificareîn curent al tranzistorului, dar CI este chiar curentul ce polarizeazå LED-ul, notatdcI în relaÆia (11.1). Fårå semnal de intrare, tranzistorul lucreazå în punctul Q al

caracteristicii. Aceasta se întâmplå în cazul amplificårii, în clasa A, definitå prinaceea cå punctul de funcÆionare Q este mult peste curentul de colector de tåiere.Tåierea curentului apare atunci când curentul de bazå scade la 0.

Semnalul de tensiune de la intrare INV , produce un curent de bazå, variabilcare se adunå cu curentul BI . Curentul de colector variabil în timp, este replicå acurentului alternativ din baza tranzistorului. Punctul Q este astfel ales, încâtcurentul total în bazå så nu producå tåierea curentului de colector, dar nici såducå tranzistorul la saturaÆie, ca în cazul unui curent de colector prea mare.Rezistorul eR , stabileçte punctul de lucru al tranzistorului.

AplicaÆia 1Så presupunem cå avem un tranzistor cu siliciu a cårui caracteristicå este prezentatå în

figura 11.4 cu valorile rezistenÆelor, Ω= k2Ra , Ω= k5Rb , Ω= 50RIN çi Ω= 60Re ,alimentat la o tensiune V5Vdc = . Aça cum se vede çi din figura 11.3 avem pentru βvaloarea aproximativå de 40. Cåderea de tensiune 0V , în polarizare directå a joncÆiuniiemitor-bazå este de V6.0 pentru tranzistorii cu siliciu çi V2.0 pentru cei cu germaniu.RezistenÆa echivalentå 1R , a lui aR çi bR este:

ba

ba1 RR

RRR

+=

Aceçti doi rezistori dau naçtere unei tensiuni echivalente:

V75.3VRR

RV dc

ba

b1 =

+=

Fig. 11.3 Modulator analogic Fig. 11.4 Caracteristica CEc Vi − a unui tranzistor

Vdc

C

Ra

ie

LED sau RS

iC

Rin

eiB

Re

VIN

Rb

1 2 3 4 5

102030405060

250500 75010001250

iB = 1500 µAcurentul din bazã

0

VCE (V)

i C (

mA

) dreapta de sarcinãQ


în serie cu 1R . Curentul de colector este:

( )( ) mA5.30

R1RVV

Ie1

01C =

β++−β=

çi deci curentul de bazå va fi:

A763II CB µ=β= .

Dreapta de sarcinå este determinatå de relaÆia:

dcdCEeC VvvRi =++

unde dv este tensiunea pe diodå, iar valoarea micå a curentului de bazå prinrezistenÆa eR , va face ca acesta så fie ignorat, çi vom presupune cå CE ii ≅ .Tensiunea dv este aproape constantå pentru curenÆii de polarizare de ordinulmA çi o luåm în calcul cu valoarea de V4,1 astfel cå relaÆia pentru dreapta desarcinå devine:

6,3vRi CEeC =+

Vom putea deci så gåsim coordonatele diferitelor puncte pe aceastå dreaptå,când 0vCE = atunci mA60606,3iC == de unde rezultå coordonata punctuluisuperior de pe dreapta de sarcinå. Pentru punctul Q, mA31Ii dcc == astfel cå

( ) V7,160031.06,3vCD =−= , cele douå puncte putând determina dreapta desarcinå. Se poate vedea cå, pentru curentul de bazå nu putem avea valori maimari de A1400µ pentru ca så nu se satureze curentul de colector, ceea ce corespundeunui curent maxim de colector de mA55 . Amplitudinea curentului de semnal este

mA243155ISP =−= rezultând un factor de modulare 8,03124m' == aceastaînsemnând cå circuitul lucreazå cu o modulare de aproximativ %80 .

Modulatorii analogici trebuie så dea naçtere unei variaÆii de putere opticå,care så reproducå cât mai bine forma de undå a mårimii de intrare fie ea curent,sau tensiune. Aça cum s-a mai precizat neliniaritåÆile apar, fie datoritåcaracteristicii putere-curent, fie datoritå joncÆiunii, a încålzirii ei.

Neliniaritatea LED-ului se poate cerceta modelând caracteristica de ieçireprintr-o relaÆie de forma:

2s2s1dc iaiaPP ++= (11.9)

unde si este curentul de semnal çi dcP , puterea produså de curentul continuuconstant. Ultimul termen exprimå neliniaritatea, dacå se doreçte precizie maimare pot fi adåugaÆi termeni în care si apare la valori de ordinul 3, 4. ç.a. Pentruo valoare a curentului de intrare tsinIis ω= , puterea opticå produså este:

t2cosIa5,0tsinIaIa5,0PP 221

22dc ω−ω++= (11.10)

Ultimul termen, ce oscileazå cu o frecvenÆå dublå faÆå de semnalul de intrare,este distorsia parazitå a armonicii de ordinul doi. Se defineçte distorsia armonicilortotale (total harmonic distortion – THD) în funcÆie de puterea electricå la receptor:


leifundamentaaelectricaputereararmoniceloaelectricaputerea

THD = (11.11)

Deoarece puterea electricå este proporÆionalå cu påtratul puterii opticeincidente, THD poate fi scris çi ca:

( )( )2

2

leifundamentaaopticaputereararmoniceloaopticaputerea

THD = (11.12)

iar când este exprimatå în dB avem:

THDlog10THDdB −= . (11.13)

Pentru o singurå intrare sinusoidalå gåsim:

2

1

2

aIa

25,0THD

= (11.14)

Valorile distorsiunilor sunt cuprinse între dB6030 − sub nivelul semnalului.Pentru un curent tsinItsinIi 2211s ω+ω= , ce are douå componente de frecvenÆå,

avem la ieçire o putere:

[ ]t)cos(t)cos(IIa)t2cosIt2cosI(a5,0

)tsinItsinI(a)II(a5,0PP

21212122221

212

2211122

212dc

ω+ω−ω−ω+ω+ω−

−ω+ω+++=(11.15)

În afara armonicelor, spectrul de putere mai conÆine combinaÆia frecvenÆelorde intrare (suma çi diferenÆa lor în acest caz). Aceste combinaÆii dau ceea ce senumeçte distorsie de intermodulare. În sistemele multicanal, ca de exempluun cablu de televiziune cu distribuÆie de programe în reÆea, în care avem nume-roase frecvenÆe purtåtoare, intermodulaÆia poate cupla puterile între canale;bineînÆeles cå se cautå ca aceste efecte så fie minimizate pentru a preveni suprapu-nerea imaginilor de la diferite canale.

Problema neliniaritåÆilor, se aplicå çi în cazul diodei laser, atunci când ealucreazå la curenÆi peste valoarea de prag.

În principal, sursele de luminå sunt cele ce produc neliniaritåÆile într-un sistemcu fibrå opticå, deoarece fotodetectorii au caracteristici de liniaritate foarte bune,iar circuitele de transmisie çi recepÆie cu tranzistor, pot fi proiectate cu caracteristicide liniaritate extrem de bune. Fibra însåçi mai poate introduce o distorsiune, dealtfel neglijabilå, a formei de undå analogice.

Modularea digitalåSpre deosebire de modularea analogicå, cea digitalå nu necesitå existenÆa

curentului de polarizare. Modularea digitalå este prezentatå în figura 11.5.


Dioda este modulatå de o surså decurent, care stinge çi aprinde, LED-ul.Circuitul digital pur çi simplu stingeçi aprinde LED-ul. În starea OFF (stins)emisia de luminå a LED-ului este micårezultând un raport de puteri ON/OFF(aprins/ stins) mare. În starea ON(aprins) este de dorit ca prin LEDcurentul så fie independent de måri-mea semnalului de intrare, astfel cåputerea de ieçire va fi aceeaçi pentruorice puls, chiar dacå la intraresemnale succesive au o micå variaÆie.

Circuitul prezentat în figura 11.6prezintå douå modalitåÆi pentru ailustra cele de mai sus.

Pentru circuitul serie, figura 11.6a), comutatorul deschis stinge LED-ul; laînchiderea lui çi va apårea un curent:

R

vVI ddc −= (11.16)

unde vd este cåderea de tensiune pe diodå în polarizaredirectå, iar R çi tensiunea de alimentare dcV ,vordetermina curentul pentru un anumit tip de diodå.Un comutator ideal (cu rezistenÆå neglijabilå çi astfelcådere de tensiune neglijabilå pe el) nu va afectaamplitudinea curentului. RezistenÆa R funcÆioneazåca un limitator, protejând dioda de curenÆii excesivi.Modulatorul cu comutatorul în paralel, cu dioda çirezistenÆa R legate în serie, figura 11.6b, funcÆioneazå similar cu circuitul seriei.Închizând comutatorul, acesta va çunta LED-ul, trecând curentul la maså.Deschizând comutatorul tot curentul va trece prin ramura ce conÆine LED-ul,aprinzându-l.

În circuitele practice se utilizeazå tranzistori pentru a realiza mecanismul decomutaÆie.

În figura 11.7 este prezentatå o schemå cu tranzistor pentru un modulatordigital serie. Caracteristica tranzistorului ce lucreazå în regim de comutaÆie esteprezentatå în figura 11.8. Se observå cå avem un curent de colector mic, atuncicând curentul în bazå este zero (corespunzând unui comutator deschis) çi cåtensiunea colector-emitor este micå (mai micå de 0,3 V) când curentul de bazåeste mare (condiÆie corespunzând comutatorului închis). Pentru condiÆia ON(aprins) curentul CI este:

Fig. 11.6 Modulatoridigitalia) serie, b) paralel

Vdc

LED

S

R

Vdc

LED

S

R

a) b)

Fig. 11.5 Modularea digitala cu LED

Pute

reop

tica

Curent

Timp

Timp

Puterea optica la iesire

i


R3,0vV

I ddcc

−−= (11.17)

çi este destul de apropiat de relaÆia (11.16) care este una pentru un circuit ideal. Pelângå comutaÆie, tranzistorul are çi avantajul amplificårii semnalului. Un curent mic(de aprox. mA1 ) controleazå curentul din LED de ordinul mA10050 − . RezistenÆeleR1 çi R2 sunt alese pentru adaptarea de impedanÆå dintre semnal çi tranzistor.

Capacitatea C de la intrare, måreçte viteza circuitului. Acest modulator poatelucra pânå la frecvenÆe de 30 MHz.

AplicaÆia 2Pentru modulatorul cu comutator serie så gåsim curentul prin diodå çi curentul prin

baza tranzistorului necesar pentru a avea starea ON (LED aprins). Vom folosicaracteristica tranzistorului din figura 11.8 iar cåderea de tensiune pe diodå o consideråmca fiind 1,4 V. Fie V5Vdc = çi valoarea lui Ω= 45R .

Så calculåm dreapta de sarcinå, considerând cå ecuaÆia ce o descrie este:

dcdCEC VvvRi =++ (11.18)

Când 0vCE = avem iC = 80 mA, iar când 0iC = , V6,3vCE = . Unind aceste douåpuncte obÆinem dreapta desenatå în figura 11.8 iar punctul de funcÆionare vatrebui så fie situat pe aceasta, excepÆie fåcând cazul în care se lucreazå la curenÆimici, când çi tensiunea pe diodå cade la zero. În cazul în care curentul prin bazåeste zero, curentul de colector este çi el zero çi întreaga tensiune de alimentarecade pe tranzistor çi avem cå V5Vv dcCE == aça cum reiese çi din figura 11.8. Înstarea ON (aprins) curentul de bazå trebuie så fie suficient de mare astfel încât

Fig. 11.7 Modulator digital cu tranzistor

Fig. 11.8 Caracteristica tranzistorului în comutaÆie

Vdc

C

R1

b

LED

c

eiB

R2

iC

Vin

R

1 2 3 4 5

100

20

ON

40

8060

00.40.81.21.6iS = 2 mA

0

VCE (V)

i C (

mA

)Dreapta de sarcina

iC

OFF

0.3


micile variaÆii ale amplitudinii de la intrare så nu influenÆeze curentul de colector,din figurå reiese cå acest lucru se întâmplå când mA6,1iB ≥ . Curentul de colectoreste saturat (adicå nu creçte la creçterea curentului din bazå) pentru acei curenÆide bazå care satisfac condiÆia de mai sus çi se calculeazå cu relaÆia 11.17:

mA7345

3,04,15Ic =−−=

Atât timp cât mA6,1iB ≥ , curentul prin diodå (çi puterea opticå), va fi acelaçipentru toate impulsurile de la intrare.

11.2 Circuite çi metode de modulare cu dioda laserÎn schemele de modulare, dioda laser, pune proiectantului mai multe probleme

decât cele cu LED.Problemele ce apar se datoreazå:

a) existenÆei curentului de prag;b) dependenÆa curentului de prag de fenomenul de îmbåtrânire a diodei laser;c) dependenÆa de temperaturå a curentului de prag;d) dependenÆa de temperaturå a emisiei de luminå cu lungimea de undå.

Sistemele digitale lucreazå in general, pentru starea OFF, chiar sub curentulde prag. Curentul continuu este pragdc II ≅ . Lucrul cu curenÆi în apropierea celuide prag, minimizeazå întârzierea care ar putea apare la comutarea în starea ON.Çi în acest caz, modularea analogicå necesitå un curent de polarizare peste celde prag pentru a lucra în regiunea liniarå. Creçterea curentului de prag datoritåîmbåtrânirii sau a dependenÆei de temperaturå va duce la descreçterea puteriide ieçire, dacå curentul va råmâne acelaçi.

Modificårile purtåtoarei de luminå sunt de ordinul C/nm2.0 o , ceea ceînseamnå o modificare de frecvenÆå de C/GHz89 o la lungimea de undå nm82.0 .În anumite aplicaÆii aceastå modificare este nesemnificativå dar pentru altele eapoate fi importantå.

Pentru legåturi (transmisii) ce funcÆioneazå în apropierea dispersiei minimea lungimii de undå, o deplasare faÆå de lungimea de undå optimå scade lårgimeade bandå a sistemului. Sistemele cu multiplexare de lungimi de undå necesitåde asemenea un grad înalt de stabilitate a purtåtoarei, pentru a minimizainterferenÆele (crosstalk-ul) dintre canalele adiacente. DependenÆa de temperaturåpoate fi evitatå prin råcirea diodei, avându-se în vedere fie o råcire termoelectricå,fie prin includerea în materiale cu capacitate caloricå mare.

VariaÆiile de curent de prag pot fi corectate prin creçterea (sau descreçterea)curentului continuu pentru a compensa dependenÆa de temperaturå, saudependenÆa de îmbåtrânire a acestuia. Acestea se pot realiza automat prin controlcu reacÆie inverså.

Circuite çi metode de modulare cu dioda laser 201201201201201

Prezentåm tehnicile de bazå atât pentru modularea analogicå cât çi pentrucea digitalå fårå a Æine cont de cele douå tipuri de dependenÆe ale curentului deprag: temperaturå çi îmbåtrânire.

Modularea analogicåCircuitul din figura 11.3 (în care a fost descriså modularea analogicå cu ajutorul

unui LED) este identic çi pentru modularea cu diodå laser. Am aråtat cå pentruLED valoarea curentului ar fi mA31 . O diodå laser DL, poate avea curentul deprag mA75 çi necesitå un curent de polarizare de mA25 ceea ce înseamnå cåavem nevoie de un curent total de mA100 . Curentul adiÆional poate fi dat de osurså de curent continuu cu impedanÆå mare, conectatå direct la diodå (lacolectorul tranzistorului din figura 11.4). O bobinå plasatå în serie cu aceaståsurså, decupleazå circuitele de curent alternativ de cele de curent continuu. Çi înacest caz se pune problema liniaritåÆii. Încålzirea joncÆiunii DL produce deviaÆiide la liniaritate ale caracteristicii putere-curent peste curentul de prag. Pentru odiodå laser bunå se acceptå distorsiuni pânå la dB30 .

Modularea digitalåÎn figura 11.9 este prezentatå o schemå

pentru modulaÆie digitalå la viteze mariutilizând un tranzistor MESFET GaAs,utilizat la viteze de ordinul s/Gb1 .

Circuitul este proiectat ca modulatorcu comutaÆie paralelå. Tensiunea pepoarta tranzistorului MESFET GSv (fiezero, fie negativå) controleazå fluxul decurent în circuit. Când GSv este micå,rezistenÆa canalului DRENA-SURSA estemicå, iar o tensiune negativå de valoaremare va determina ca rezistenÆa ca-nalului så fie mare. În starea OFFtensiunea pe poartå este micå, permi-Æând ca o parte din curentul ce treceprin R1 så evite ramura ce conÆine diodalaser çi aceasta va trece prin tranzistor.

Tensiunea pe poartå este calculatåastfel încât curentul prin diodå så fieaproape de valoarea lui de prag. Ocreçtere a tensiunii pe poartå (creçterespre valori negative) determinå ca dioda laser så emitå luminå. În acest dinurmå caz curentul de la sursa de alimentare va trece prin dioda laser datoritåfaptului cå tranzistorul MESFET va prezenta o rezistenÆå mare. Tensiunea pediodå (de obicei sub 2 V) este mai micå decât DSv (tensiunea drenå–surså)necesarå tranzistorului MESFET. Rezistorul R în serie cu dioda, asigurå pentru o

Fig. 11.9 Modulator digital cu DL

Vdc

CD

LED

G

S

R1

I1

VGS

R

I

GaAsMESFET


anumitå tensiune DSv funcÆionarea diodei în starea ON/OFF. Çi aici capacitateaC, îmbunåtåÆeçte viteza de comutare a circuitului.

Pentru modulatorii digitali, nu se pune problema liniaritåÆii caracteristiciidiodei laser, dar se iau precauÆii ca så existe prin diodå un curent constant (çiastfel putere opticå transmiså, så fie constantå) la fiecare puls, lucru pe carecircuitul din figura 11.9 îl realizeazå. Când GSv este mare, curentul de drenå DIeste aça de mic încât nu afecteazå valoarea I, a curentului prin dioda laser, astfelîncât aproape tot curentul dat de cåtre sursa de alimentare trece prin diodå. Înaceste condiÆii sursa de tensiune çi rezistorii 1R çi R determinå curentul prindioda laser, adicå, curentul din dioda laser în starea ON nu depinde de tensiunea

GSv atât timp cât aceastå tensiune este mai mare decât un nivel minim.

11.3 Formate de modulare analogicåPânå acum am aråtat modul cel mai simplu de modulare analogicå, transmisia

variaÆiei unui curent sinusoidal singular. Transmisia în banda opticå utilizeazåsemnalul purtat de fascicolul de luminå, modulat la frecvenÆele din banda debazå a semnalului. De exemplu, banda de bazå pentru comunicaÆii pe purtåtoareopticå pentru un singur canal, a unui semnal vocal, ar trebui så conÆinå frecvenÆede modulare de la câÆiva zeci de hertzi pânå la KHz4 . Deoarece puterea opticåse modificå în funcÆie de curentul de intrare, vom numi acest tip de modulare,modulare în intensitate IM (Intensity Modulation). Modularea în intensitateeste diferitå de modularea în amplitudine AM (Amplitude Modulation), utilizatåpentru o purtåtoare din domeniul radio-frecvenÆå, când amplitudinea purtåtoareiçi nu puterea ei, variazå proporÆional cu informaÆia purtatå de undå. În majoritateacazurilor în sistemele cu fibrå opticå se foloseçte acest tip de modulare, IM,excepÆie fåcând cazul când se utilizeazå modularea în frecvenÆå a sursei optice.

Existå çi alte formate de modulare analogicå, çi pentru a le pune în evidenÆåvom rescrie relaÆiile (11.1-11.2) astfel:

tcosIIi mSO ω+= (11.19)tcosPPP mSO ω+= (11.20)

unde OI este curentul total, mω este frecvenÆa de modulare, iar OP , puterea opticåmedie. Aceste relaÆii se aplicå atât pentru LED-uri cât çi pentru diodele laser. Întoate cazurile pe care le discutåm, curentul OI este ales astfel ca så ne situåm peporÆiunea liniarå a caracteristicii putere-curent a sursei.

Modularea cu subpurtåtoare AM/IMModularea în amplitudine, plaseazå mesaje, semnale a cåror frecvenÆe sunt

mult mai mari decât cele conÆinute în banda de bazå. Forma de undå rezultantåare un spectru în jurul frecvenÆei purtåtoarei sau altfel spus, modularea înamplitudine AM, deplaseazå banda de bazå într-o nouå regiune a spectruluielectromagnetic. StaÆiile de radio AM emit pe diferite purtåtoare de frecvenÆeastfel cå ele pot fi recepÆionate individual prin utilizarea filtrelor acordabile pe

Formate de modulare analogicå 203203203203203

frecvenÆele purtåtoarei. Dupå recepÆionarea semnalului, acesta este demodulatçi adus în domeniul de frecvenÆe iniÆial. Modularea în amplitudine a unui singursemnal sinusoidal poate fi scriså ca:

( ) tcostcosm1Ii pmS ωω+= (11.21)

unde pω este frecvenÆa purtåtoarei. Pentru a avea semnalul nedistorsionat trebuieca 1m ≤ iar o modulare %100 înseamnå 1m= .

Spectrul semnalului este prezentat în figura 11.11 iar în figura 11.12 suntprezentate formale de undå ale semnalelor.

La relaÆia 11.21 se poate aduna çi curentul continuu de polarizare OI . AstfelobÆinem o surså opticå ce va produce modularea în intensitate a fascicolului deluminå, datoritå semnalului modulat în amplitudine, acesta fiind principiulmodularii AM/IM.

Modularea AM/IM då naçtere unei puteri optice:

( ) tcostcosm1PPP pmSO ωω++= . (11.22)

Curentul detectat, fiind proporÆional cu puterea opticå are aceeaçi forma caîn relaÆia 11.22, adicå pentru curentul detectat trebuie så utilizåm la recepÆiecircuite care så demoduleze acest curent.

Avem avantajul cå purtåtoarea opticå oscileazå foarte rapid, în comparaÆiecu subpurtatoarea RF care este mai lentå.

Multiplexarea prin divizarea-frecvenÆeiPrin modularea subpurtåtoarei pot fi transmise simultan de-a lungul fibrei

mai multe mesaje. Fiecare mesaj trebuie så moduleze câte o subpurtåtoare iarspectrul acestora trebuie så nu se suprapunå, adicå så se situeze pe canaleadiacente, altfel se produc interferenÆe. Aça cum rezultå çi din figura 11.11,fiecare canal ocupå o lårgime de bandå egalå cu, dublul celei mai mari frecvenÆe

Fig. 11.11 Spectrul undei modulate în amplitudine

Fig. 11.12 Formele de undå pentru modularea în amplitudine

mp ω−ω pω mp ω+ω0

Frecventa

Banda de baza

Purtatoarea

Purtatoaremodulata inampltudine


de modulaÆie, adicå o jumåtate de bandå se situeazå deasupra subpurtåtoarei,cealaltå dedesubt çi de aceea alegând lårgimea de bandå dublul frecvenÆei se vaevita suprapunerea semnalelor. Dupå fotodetecÆie, ele vor fi separate prin filtrarede cåtre receptor. Numårul de subpurtåtoare çi deci de canale este limitat delårgimea de bandå a fibrei optice. Transmisia simultanå a mai multor mesajeutilizând subpurtåtoare de radio frecvenÆå se face prin intermediul multiplexåriiprin divizarea frecvenÆei FDM (Frequency-Division Multiplexing). FDM estediferitå faÆå de multiplexarea prin divizarea lungimii de undå, descriså în capitolulanterior, unde s-au folosit diferite purtåtoare optice pentru a separa canalele detransmisie. Pentru creçterea numårului de mesaje transmise se pot folosi ambeletipuri de multiplexare. Sistemul astfel proiectat ar trebui sa aibå câteva surse,fiecare cu lungimi de undå diferitå çi fiecare intensitate så fie modulatå de cåtrecurentul modulat cu frecvenÆa multiplexatå.

Apar çi în acest caz câteva probleme legate de neliniaritatea caracteristiciiputere-curent care duce la apariÆia unui cuplaj între canale (crosstalk). Oricarear fi neliniaritåÆile din sistem (circuitul de transmisie, fotodetector sau cel derecepÆie) acestea trebuie evaluate çi minimizate pentru a reduce cuplajul. Maimult dacå mai multe canale moduleazå o surså, atunci curentul din fiecare sursåtrebuie så fie adaptat, pentru ca så avem un curent total prin care så se menÆinåcaracteristica liniarå a emiÆåtorului. Proiectantul trebuie så se asigure cå vârfulde curent, prin combinarea mai multor canale, trebuie så råmânå mai mic decâtcel suportat de surså, altfel aceasta se va distruge. Dar existå çi aspectul cå, prinreducerea curentului pe fiecare canal se micçoreazå çi cantitatea de putere transmisåpentru fiecare din semnalele transmise. Calitatea semnalului va fi afectatå nunumai de reducerea puterii transmise dar çi de pierderile care apar în cuplori,conectori, sau orice altå componentå. În ciuda acestor dificultåÆi, cablurile deteleviziune au folosit cu succes transmisia de tip AM FDM. Modularea înamplitudine, AM, utilizatå în televiziune, are avantajul faÆå de modularea infrecvenÆå FM sau digitalå, cå nu mai este necesarå conversia din formatul AM asemnalului iniÆial, când acesta ajunge la receptorul TV convenÆional çi de asemeneaun semnal modulat AM ocupå o lårgime de bandå mai micå decât prin modulareaFM sau digitalå. Deoarece costurile echipamentelor de conversie digitalå vor scådea,ne açteptåm ca så creascå sistemele de transmisie digitalå în televiziune.

Modularea cu subpurtåtoare FM/IMÎn sistemele convenÆionale de modulare în frecvenÆå FM, ce lucreazå la

frecvenÆe radio, informaÆia transmiså este conÆinutå în faza undei purtåtoare,curentul putând fi descris de o relaÆie de forma:

( )[ ]ttcosIi pS θ+ω= (11.23)

çi unde mesajul este descris de variaÆia în timp a fazei undei, θ.Dacå modularea se face cu o singura sinusoidå la frecvenÆa, πω= 2f mm ,

curentul ia forma:

Formate de modulare analogicå 205205205205205

( )tsintcosIi mpS ωβ+ω= (11.24)

unde β este coeficientul de modulare.Spectrul unui semnal modulat FM, ocupå o regiune din jurul frecvenÆei

purtåtoarei, πω= 2f pp iar spectrul are o lårgime de bandå totalå de:

B2f2BT +∆= (11.25)

unde B este lårgimea de bandå, în banda de bazå (egalå cu mf pentru o singuråsinusoidå) iar f∆ este deviaÆia maximå de frecvenÆå çi este datå de relaÆia:

mff β=∆ (11.26)

mf fiind cea mai mare frecvenÆå de modulare din mesaj. În cele mai multe cazuri,lårgimea de bandå, în banda de bazå este egalå cu cea mai mare frecvenÆå demodulare mf , astfel cå:

( )β+= 1f2B mT (11.27)

Pentru valori mici ale factorului de modulare, 1<<β , lårgimea de bandå totalåa sistemului este tocmai mf2 , aceeaçi, ca çi în cazul sistemelor modulate înamplitudine. Pentru valori mari ale lui β, spectrul semnalului modulat în frecvenÆåîl depåçeçte cu mult pe cel al semnalului modulat în amplitudine.

Adåugând un curent continuu, relaÆiei (11.23) sau (11.24), çi modulând înintensitate o surså opticå (IM – Intensity Modulation), va rezulta o modulare pesubpurtåtoare FM/IM. Pentru o singurå undå sinusoidalå, puterea opticå semodificå astfel:

( )tsintcosPPP mpSo ωβ+ω+= (11.28)

Curentul detectat are aceeaçi formå ca çi puterea opticå. InformaÆia conÆinutåde faza semnalului este extraså prin intermediul circuitelor de demodulare înfrecvenÆå convenÆionale.

Prin utilizarea modulårii FM/IM se pot minimiza efectele neliniaritåÆilor multmai bine decât în cazul modulårii AM/IM deoarece informaÆia este extraså dinfaza undei, nu din amplitudinea ei. Dacå lårgimea de bandå este de MHz10 sepot transmite prin fibrå opticå în cazul modulårii FM/IM semnale de televiziunede mare calitate.

Simultan se pot transmite mai multe canale modulate în frecvenÆå prinmultiplexarea cu divizare de frecvenÆå, în acelaçi mod ca çi în cazul modulåriiîn amplitudine cu subpurtåtoare. Deoarece lårgimea de bandå FM este maimare numårul mesajelor transmise este mai mic decât în banda AM çi estelimitat de domeniul de frecvenÆe transmise de cåtre fibra opticå. SubpurtåtoareleFM trebuie så fie separate la distanÆe egale cu lårgimea de bandå TB datå derelaÆia (11.27).


11.4 Formate de modulare digitalåMesajele transmise în format analogic pot fi codificate pentru transmisia

digitalå. Utilizarea transmisiei digitale are câteva avantaje printre care amintim:

1. LED-urile çi diodele laser, DL, pot fi comutate rapid ceea ce însemnå lårgimide bandå mari, atât fibrele optice cât çi fotodetectorii având lårgimi de bandåmari. Astfel sistemele cu fibrå opticå pot lucra la viteze de date comparabilecu cele necesare aplicaÆiilor în domeniul video.

2. Semnalele analogice pe fibra opticå sunt degradate de neliniaritåÆile din diodalaser sau de cele corespunzând caracteristicii putere-curent. Semnalele digitalesunt mai puÆin afectate de aceste neliniaritåÆi deoarece se folosesc doar douåcel mult trei nivele de putere çi unul din ele este zero. Spre deosebire detransmisia analogicå unde forma undei trebuie så se påstreze cu precizie, întransmisia digitalå receptorul constatå doar existenÆa impulsului în fiecareinterval al bitului transmis nu çi forma impulsului.

3. Pentru minimizarea erorilor sistemele digitale utilizeazå coduri de verificarede eroare çi transmisia redundantå a informaÆiei pentru a minimiza erorile.

4. Legåturile optice digitale sunt compatibile cu sistemele digitale ne-optice. Deexemplu, o reÆea de conectare cu microprocesoare lucreazå numai cu semnaledigitizate dar o astfel de reÆea poate avea legåturi atât cu cabluri de sârmå câtçi cu cabluri de fibrå opticå. În orice aplicaÆie ce genereazå date în formatdigital, se preferå legåtura digitalå în locul celei analogice.

5. Impulsurile digitale pot fi uçor regenerate de cåtre repetori, care vor reformaimpulsul ce intra în sistem çi îl vor amplifica astfel încât så fie eliminate atâtatenuårile cât çi distorsiunile acestuia. Prin introducerea repetorilor se potconstrui legaturi pe fibrå opticå pe distanÆe de ordinul miilor de kilometri. Çisemnalele analogice pot fi amplificate de cåtre repetori, dar forma de undå alor nu mai poate fi restauratå aça de uçor ca în cazul digital çi de aici preferinÆade a avea transmisii digitale.

6. Lårgimea de bandå pentru transmisia digitalå poate fi reduså prin tehnici decomprimare.

7. Sistemele digitale dau naçtere la semnale cu o calitate mult mai bunå decâtcele analogice, chiar çi la distanÆe mari. CerinÆele principale fiind creçtereacalitåÆii semnalelor transmise pe distanÆe lungi.

Prezentåm în continuare câteva procedee de codificare a semnalelor digitale,compatibile cu transmisia pe fibrå opticå.

Pulse-Code Modulation – Modulare codurilor de pulsuri – PCMConsiderând preluarea termenilor din electronica digitalå, cei referitori la

codificare fårå trecere prin zero (non-return-to-zero, NRZ) çi cu trecere prin zero(return-to-zero, RZ), prezentåm în figura 11.13 exemple privind modularea PCM.Deoarece modularea opticå PCM înseamnå comutarea sursei optice on-off(deschis-închis) ea se mai numeçte çi On-Off Keying (OOK).

Formate de modulare digitalå 207207207207207

Spectrul unui tren de impulsuri NRZ, conÆine o componentå de curent continuumare. Valoarea acesteia într-o perioadå de timp scurtå depinzând de valoareadatelor. O serie de valori 1, are o componentå de curent continuu mai maredecât un tren de impulsuri alternative de 0 çi 1 sau o succesiune de zerouri. Lareceptor, semnalul de curent continuu determinå parÆial punctul de lucru alamplificatorilor de semnal. Schimbarea curentului modificå punctul de lucru,ceea ce duce la o variaÆie nedoritå (drift) a caracteristicii receptorului. Un maredezavantaj este acela cå o codificare NRZ necesitå un cuplaj de curent continuu.

În cazul codårii RZ cuplajul capacitiv în curent alternativ blocheazåcomponenta de curent continuu, minimizând drift-ul çi acesta este un avantaj înraport cu codificarea NRZ, deçi într-o fibrå opticå cu lårgime de bandå fixatå,numårul semnalelor transmise cu codare NRZ este de douå ori mai mare decâtcele transmise cu codare RZ.

Oricare ar fi metoda de codare, receptorul trebuie så cunoascå viteza (rata)cu care ajung biÆii de date (viteza de ceas – clock rate). În cazul codårii NRZ,seria alternativå de 1 çi 0 pune în evidenÆå clock-ul, în schimb o succesiune de 1sau de 0 îl mascheazå. Pentru codarea RZ, clock-ul poate fi måsurat atunci cândapare o succesiune de 1 dar nu çi atunci când apare orice altå combinaÆie. Vitezade ceas (clock rate) poate fi deduså din trenul de impulsuri dacå se utilizeazåmetoda de codificare numitå Manchester, çi prezentatå în figura 11.14.

Fig. 11.13 Formate de codificare NRZ çi RZ

Fig. 11.14 Formatul codificårii Manchester

În acest format, polaritatea semnalului se schimbå în centrul fiecårui intervalal bitului. DirecÆia acestei tranziÆii determinå starea logicå. Trecerea de la nivelulmare la nivel mic înseamnå 1 logic, iar de la nivelul mic la mare, 0 logic, astfel cånumeroasele tranziÆii permit receptorului så evalueze clock-ul, din distribuÆia devalori 1 çi 0 în datele transmise. Deoarece datele sunt conÆinute în tranziÆiileîntre nivele, este foarte util cuplajul în curent alternativ.

1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 DATE

COD NRZ

COD RZ

1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 DATE

COD NRZ

CODMANCHESTER


În concluzie, codificarea Manchester prezintå avantajul cå poate evalua timpiide acces çi foloseçte cuplajul în curent alternativ, cerinÆele privind lårgimea debandå, råmân aceleaçi pentru codarea RZ çi pentru codarea NRZ, care trebuieså fie dublå ca distanÆå.

Atunci când nu este importantå cunoaçterea clock-ului alegerea cea mai bunåeste o codare RZ cu cuplaj în curent alternativ çi aceastå combinaÆie poatebeneficia la receptor de un circuit de control cu câçtig automat (Automatic GainControl) AGC. Dacå la receptor apare un çir de date 0, circuitul AGC creçteamplificarea. În aceste condiÆii, urmåtorul puls logic 1 va fi amplificat mult maimult decât se doreçte. Adicå în general, fiecare puls va fi amplificat cu o mårimedeterminatå de çirul de date care l-a precedat, ceea ce face ca så îngreuneze lareceptor recunoaçterea corectå a datelor.

Codificarea bipolarå,prezentatå în figura 11.15, pe trei nivele rezolvåproblema stabilitåÆii sistemului. Acest tip de codare, då naçtere unui semnal,puls, de fiecare datå când se schimbå datele. În aranjamentul din figurå,transmiÆåtorul comutå pe întreaga putere timp de o jumåtate de interval a bitului,ori de câte ori un 0 urmeazå dupå un 1, apoi revine la nivelul de semi-putere(jumåtate din putere) çi råmâne aça, pânå când apare din nou 1 logic, dupå careputerea revine la valoarea ei medie. Acest cod se poate aplica numai pentru dateNRZ, çi este un cod cu detecÆie de vârf (edge detection). Se observå cå nivelulde putere medie (datoratå curentului continuu) nu se va schimba, în raport cuforma datelor. Aceastå caracteristicå apare deoarece pulsurile de nivel 1 çi 0alterneazå întotdeauna. Se stabileçte un mod de lucru stabil chiar çi pentru unreceptor cu AGC, deoarece se menÆine un nivel de referinÆå fixat de valoareacurentului continuu.

Fig. 11.15 Codarea bipolarå

TransmiÆåtorul bipolar deçi are çi el trei nivele, este totuçi un sistem binardeoarece spre receptor sunt trimise date în format 0 çi 1.

Figura 11.16 prezintå modul în care se proiecteazå un transmiÆåtor pe treinivele. Când ambele comutatoare sunt deschise nu existå flux de curent rezultândprimul nivel, puterea egalå cu zero. La închiderea comutatorului 1S prin LEDtrece curentul:

RvV

I ddc −= (11.29)

1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 DATA

COD NRZ

CODAREBIPOLARA

Formate de modulare digitalå 209209209209209

unde dv este cåderea de ten-siune pe dioda LED în polarizaredirectå. Acest curent este jumå-tate din curentul maxim admisde diodå, LED, rezultând celde-al doilea nivel, la jumåtatedin puterea opticå maximå. Prinînchiderea çi a celuilalt comu-tator, rezistenÆa serie cu diodaLED scade la jumåtate, 2R ,dublând curentul ce trece prindiodå. LED-ul va emite putereamaximå creând cel de-al treileanivel. Circuitul din figura 11.16a) poate fi realizat utilizândcomutatori cu tranzistori açacum se aratå în figura 11.16 b).Tranzistorii sunt în starea off (corespunzând poziÆiei deschis a comutatorului)când curenÆii din bazå ( 1i çi 2i ) sunt zero, iar atunci când aceçti curenÆi suntpozitivi, se trece în starea on. æinând cont de cåderea de tensiune V3.0vCE ≅ cândtranzistorul este în starea închis, curentul prin diodå la nivelul doi devine:

RvvV

I CEddc −−= (11.30)

Pentru nivelul trei se poate adåuga o prepolarizare prin plasarea unei rezistenÆeîn paralel cu tranzistorul comutator. Atunci când ambele comutatoare suntdeschise, prin diodå va trece un curent dependent de valoarea rezistenÆeiadåugate.

Se poate înlocui LED-ul cu o diodå laser, dar prepolarizarea trebuie calculatåpentru ca så avem curentul pentru primul nivel, în apropierea curentului deprag al diodei laser.

Alte formate digitaleExistå çi alte modalitåÆi de codificare a sistemelor digitale ce pot fi imple-

mentate cu ajutorul legaturilor prin fibra opticå çi acestea vor fi descrise mai jos.Modularea poziÆiei pulsului (pulse-position modulation PPM) înseamnå cå

o undå în format analogic este måsuratå periodic iar informaÆia despreamplitudinea fiecårei eçantionåri este transmiså prin intermediul unui singurpuls optic de duratå foarte scurtå. Fiecare puls are aceeaçi înålÆime, iar din poziÆiasemnalului puls în interiorul ferestrei de timp alocate fiecårei eçantionåri gåsiminformaÆia despre amplitudinea undei analogice. Fereastra de timp este apoicomparatå cu durata pulsului. Întârzierea pulsului faÆå de un punct de referinÆåeste proporÆionalå cu amplitudinea eçantionatå. Receptorul PPM este cel care

Fig. 11.16 Proiectarea unui transmiÆåtor cu 3 nivele

I

Vdc

S2

R

LED

S1

R

I

Vdc

R

LED

R

i2i1

a) b)


determinå când soseçte im-pulsul. În figura 11.17 esteprezentatå modularea prinpoziÆia pulsului.

Modularea duratei im-pulsului – PDM, se aseamånåcu cea PPM. Se transmitepentru fiecare bit dar acumdurata impulsului este pro-porÆionalå cu amplitudineaeçantionatå. În figura 11.17este exemplificat acest modde modulare prin comparaÆiecu cel PPM.

O altå posibilitate pentrucomunicaÆiile pe fibrå opticå,este metoda de codareînchis-deschis a unei subpurtåtoare OOK, (On-Off Keying). În acest caz unoscilator din domeniul de radio frecvenÆå, închide, asociindu-se valoarea binarå 1,sau deschide (valoare binarå 0) o surså opticå.

Formate binare au çi metodele de codare prin modificare de frecvenÆå,(Frequqncy-Shift Keying) FSK çi codare prin modificarea fazei, (Phase-ShiftKeying), PSK. În metoda, FSK, frecvenÆa subpurtåtoarei determinå starea logicå;de exemplu, frecvenÆa 1f poate fi asociatå stårii binare 1, iar frecvenÆa 2f ståriibinare 0. În modularea PSK, faza subpurtåtoarei determinå starea, polaritateapozitivå reprezentând o stare binarå 1 çi o polaritate negativå o stare binarå 0.

Toate cele trei metode, OOK, FSK çi PSK, se bazeazå pe faptul cå mutå spectrulsemnalului ce moduleazå informaÆia de la frecvenÆe mici la frecvenÆe apropiatede cea a subpurtåtoare. Modularea cu subpurtåtoare digitalå, are avantajul cåpoate fi utilizatå çi în cazul multiplexårii cu divizare în frecvenÆå, similarå cutransmisia simultanå a mesajelor analogice multiple.

Complexitatea transmiÆåtorului sau a receptorului depinde de schema decodificare. Formatele de tip PPM, PDM, subpurtåtoare OOK, subpurtåtoare FSK,subpurtåtoare PSK, necesitå o proiectare mai complicatå decât cea în formatPCM. Din acest motiv, PCM este des folosit în sistemele cu fibrå opticå. În foartemulte cazuri factorul care decide ce tip de modulare se utilizeazå estecompatibilitatea cu sistemele de comunicaÆie electronice. Evident cå, cu cât sedoreçte ca receptorul så fie mai sensibil sau erorile cât mai mici, cu atât estenecesar un echipament cât mai complex.

Multiplexarea prin divizare în timpMultiplexarea prin divizare în timp (Time-Division Multiplexing), TDM,

permite mesajelor digitale så fie transmise pe aceeaçi line prin multiplexare întimp. Spre deosebire de sistemele de multiplexare WDM, în care mesajele se

Fig. 11.17 Modularea PPM çi PDM

MESSAGE

SAMPLES

SEMNAL

PPM

PDM

TIME

Receptori cu heterodinare opticå 211211211211211

propagå simultan, TDM, trimite intercalat, biÆi sau grupuri de biÆi (cuvinte saucaractere) aparÆinând diferitelor mesaje înainte de a fi transmise. Procesul estereversibil, la receptor, impulsurile aparÆinând mesajelor individuale sunt separateçi trimise spre destinaÆiile specifice, aça cum se aratå în figura 11.18. În practicåcomutatoarele TS çi RS (electronice sau optice) sunt sincronizate. Sistemul dinfigurå, intercaleazå cuvinte de lungime 4 biÆi, pe N canale (N mesaje).Comutatorul TS aduce secvenÆial eçantioanele de la fiecare canal, producând unsingur cadru de N cuvinte cu lungimea de 4 biÆi la fiecare ciclu. Un exemplupractic este chiar sistemul de telefonie. Mesajele vocale sunt eçantionate de 8000de ori pe secundå, iar cuvintele de 8 biÆi lungime reprezintå amplitudinea fiecåruieçantion. Cei 8 biÆi pot descrie 256 de nivele unice, adicå amplitudinea semnaluluivocal este cuantizat pe 256 de nivele. Viteza de transmisie a unui singur mesajvocal este bps640008000*8 = . Dar o fibrå opticå poate transmite informaÆii laviteze mult mai mari, ceea ce înseamnå cå a transmite numai Kbps64 ar finefolositor. Prin utilizarea TDM, se utilizeazå fibra opticå mult mai eficient petoatå lårgimea de bandå disponibilå.

Trebuie menÆionat cå metoda de multiplexare TDM, poate fi combinatå cucea WDM pentru a creçte numårul de mesaje care traverseazå o singurå fibrå.

Fig. 11.18 Multiplexarea prin divizare în timp

11.5 Receptori cu heterodinare opticåAça cum s-a aråtat, fotodetectorii dau naçtere unui curent proporÆional cu

puterea opticå incidentå pe ei. Detectorii råspund la fluctuaÆiile intensitåÆiiluminoase, mårime independentå de schimbårile de fazå sau de frecvenÆå aleundei luminoase. De aceea, metodele de detecÆie directå în care se utilizeazåmodularea frecvenÆei unei surse optice devin inefective. Prin folosirea metodelorde detecÆie heterodinå se pot întâlni sisteme cu modulare a frecvenÆelor optice.

DetecÆia prin heterodinareÎn cazul detecÆiei prin heterodinare, numitå çi detecÆie coerentå, un fascicul

de luminå (oscilatorul local) este suprapus, mixat, cu o undå modulatå, la intrareaunui fotodetector, aça cum se aratå çi în figura 11.19. Detectorul heterodinå

1 10 0 1 10 0

1 100 1 100

1 101 1 1011 100 1 10111 0

.....

0

NC 2C 1CC1

C2

CN

TRANSMITATOR LINIE DE TRANSMISIE RECEPTOR

ST SR

C1

C2

CN


converteçte schimbårile de fazå ale purtåtoarei optice, în schimbåri de fazå aleintensitåÆii optice. Aceste din urmå variaÆii sunt reproduse în forma de undå acurentului detectat, fåcând posibilå recepÆia çi demodularea undelor opticepurtåtoare, modulate în frecvenÆå. Receptorii heterodinå sunt proiectaÆi pentrudetectarea semnalelor digitale modulate în intensitate.

Fig. 11.19 DetecÆia prin heterodinare opticå

ES+EOL

SEMNALPE FIBRA

FOTO -DETECTOR

PROCESOR DESEMNAL

OSCILATORLOCAL

+

FIBRA

DIVIZOR DE FASCICUL

FOTODIODA

LASER(OSCILATOR LOCAL)

OSCILATORLOCAL

DCFOTODETECTORSEMNAL

(a)

(b)

(c)


O analizå simplå aratå în ce mod sistemele cu heterodinare permit detecÆiaundelor modulate. Câmpurile electrice, SIGE ale semnalelor transmise çi aleoscilatorului local, LOE sunt:

( )[ ]ttcosEE oSSIG θ+ω= (11.31)

( )[ ]tcosEE IFoLLO ω+ω= (11.32)

unde oω este frecvenÆa purtåtoarei optice, IFω frecvenÆa intermediarå, iar ( )tθconÆine mesajul modulat în frecvenÆå. În cazul modulårii unei singure unde( ) tsint mωβ=θ , β fiind indicele de modulare. RelaÆia 11.31, poate fi scriså çi pentru

un semnale modulat OOK. În acest caz, θ este constant, iar amplitudinea semnaluluiSE ia una din valorile binare 0 sau 1 depinzând de valoarea ce se transmite. Pentru

modularea FSK, ( )tθ este fie t1ω fie t2ω . FrecvenÆa oscilatorului local IFCLO ω+ω=ω ,este deplasatå faÆå de cea a purtåtoarei, Cω cu frecvenÆa intermediarå IFω care deobicei se aflå în domeniul undelor de radio frecvenÆå. În cazul în care 0IF =ω , nuexistå deplasarea de frecvenÆå çi spunem cå avem un sistem cu detecÆie homodinå.

Curentul detectat, este proporÆional cu I, intensitatea fascicului de luminåincident, care, aça cum s-a aråtat este proporÆionalå cu påtratul câmpului electrictotal. Adicå:

( )2LOSIG EEI += (11.33)

utilizând cele douå relaÆii (11.31-11.32) çi fåcând simplificårile corespunzåtoareobÆinem:

( )[ ] ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ].ttt2costtcosEE

t2cos1E5.0t2t2cos1E5.0I

IFcIFSL

IFc2lC

2S

ω+θ+ω+θ−ω++ω+ω++θ+ω+=

(11.34)

Trei termeni din aceastå expresie sunt centraÆi pe frecvenÆa C2 ω , (dublulfrecvenÆei purtåtoarei optice). Aceastå frecvenÆå este mult mai mare decâtfrecvenÆa de råspuns a fotodetectorului, astfel cå toate componentele deintensitate cu frecvenÆa apropiatå de aceasta sunt eliminate la recepÆie. Eliminareatermenilor cu frecvenÆå mare se explicå prin faptul cå, curentul detectat esteproporÆional cu intensitatea opticå medie, iar media este luatå pentru un intervalde timp lung în comparaÆie cu perioada semnalului optic, dar acest interval detimp este scurt atunci când se comparå cu perioada frecvenÆei intermediare IFω .Intensitatea medie devine:

( ) ( )[ ]ttcosEEEE5.0I IFLS2S

2L θ−ω++= . (11.35)

Puterea opticå corespunzåtoare, care este proporÆionalå cu intensitatea, este:

( )[ ]ttcosPP2PPP IFSLSL θ−ω++= (11.36)

unde LP çi SP sunt puterile corespunzåtoare oscilatorului local çi a celui purtåtorde semnal.


Curentul prin fotodetector este:

hfeP

iη= (11.37)

çi conÆine un termen de curent continuu,

( )SLdc PPhfe

i +η= (11.38)

çi un termen cu frecvenÆa intermediarå:

( )[ ]ttcosPPhf

e2i IFLSIF θ−ωη= (11.39)

Termenul de curent continuu este eliminat prin filtrare, iar cel ce frecvenÆaintermediarå este amplificat. Demodulatorii electronici convenÆionali vor extrageinformaÆia conÆinutå în ( )tθ . Dacå sistemul este de tip OOK (mai degrabå decâtmodulat în frecvenÆå) atunci faza θ råmâne fixå çi informaÆia va fi conÆinutå de

LP . InformaÆia incluså în curentul IFi creçte cu puterea oscilatorului local, astfelcå oscilatorul local acÆioneazå ca un amplificator de semnal, ceea ce duce lacreçterea sensibilitåÆii receptorului.

În relaÆiile de mai sus s-a presupus cå emiÆåtorii de luminå sunt perfectmonocromatici, în practicå înså se pot utiliza diode laser de la care obÆinem unul dintipurile de luminå: liniar polarizatå, monomod longitudinal sau monomod transversal.

DetecÆia prin heterodinare, depinde de interferenÆa dintre fasciculele luminoaseale oscilatorului local çi al celui purtåtor de informaÆie. Câmpurile nu vor interferanumai dacå ele sunt identic polarizate, aceasta explicând çi necesitatea ca surselede luminå så dea luminå liniar polarizatå. Din påcate majoritatea fibrelor numenÆin starea de polarizare a undei, direcÆia de polarizare se poate roti, stareaschimbându-se de la o poziÆie la alta. De asemenea factorii din mediul înconjuråtor(modificårile de temperaturå, vibraÆiile) pot cauza variaÆii aleatoare ale stårii depolarizare, astfel cå pentru sisteme de heterodinare sunt necesare fibre monomodspecial fabricate pentru a menÆine starea de polarizare.

În figura 11.19 sunt prezentate douå tehnici pentru a combina fasciculele dela oscilatorul local çi cel purtåtor de informaÆie, utilizând un divizor de fascicul(beam splitter) figura 11.19,(b) çi un cuplor direcÆional cu fibrå monomod, figura11.19 (c). Pentru îndeplinirea acestei condiÆii se proiecteazå cuplori direcÆionalispeciali. FrecvenÆa de offset, deplasare, dintre oscilatorul local çi cea atransmiÆåtorului se poate acorda prin reglaj foarte fin, folosind proprietateadiodelor laser de a emite luminå cu lungimea de undå dependentå de temperaturade lucru a diodei laser. Douå diode laser identice dar care lucreazå la temperaturiuçor diferite vor emite luminå cu lungimi de undå diferite. Temperatura diodeilaser trebuie menÆinutå cu precizie de zecimi de grade Celsius pentru ca frecvenÆaIF så nu se schimbe prea mult. De exemplu, o diodå laser îçi poate schimbalungimea de undå cu C/GHz20 o . Pentru ca deplasarea de frecvenÆå så fie maimicå de MHz100 , variaÆiile de temperaturå trebuie så fie de mai mici de C005.0 o .


Modularea în frecvenÆå a diodei laserFrecvenÆa de oscilaÆie a unei diode laser

ce emite monomod, depinde de amplitudineainstantanee a curentului injectat. Se poateexplica acest lucru astfel: curentul influen-Æeazå atât densitatea de purtåtori cât çi tem-peratura în stratul activ al semiconductorului,iar la rândul lor aceçti doi factori influenÆeazåindicele de refracÆie çi aça cum s-a aråtatfrecvenÆa de rezonanÆå depinde de indicelede refracÆie. FrecvenÆa de rezonanÆå, adicåfrecvenÆa la ieçire, se schimbå ori de câte orise schimbå curentul. În acest fel, modularea curentului prin diodå producemodularea în frecvenÆå a luminii emise de aceasta, putem så o consideråm cafiind o modulare a indicelui de refracÆie. În figura 11.20. este prezentat circuitulutilizat pentru modularea în frecvenÆå a diodei laser çi pare a fi similar cu uncircuit de modulare a intensitåÆii.

Curent continuu, dcI , face ca punctul de funcÆionare a diodei så se situeze pemijlocul regiunii liniare a caracteristicii curent-putere. Curentul alternativ demodulare trebuie så fie mic (câÆiva miliamperi) pentru a minimiza modularea înintensitate nedoritå, ce poate apare. Se utilizeazå limitatori electronici pentru areduce variaÆiile de amplitudine înainte de a demodula semnalul. Curentul alternativproduce frecvenÆa de modulare a purtåtoarei optice. Pentru modularea cu o singuråundå sinusoidalå la frecvenÆa mf deviaÆia de frecvenÆå este mff β=∆ çi se modificåliniar cu vârful amplitudinii curentului alternativ. De exemplu, pentru o diodålaser AlGaAs deviaÆia de frecvenÆå este de ordinul mA/MHz200 la o frecvenÆå demodulare de MHz300 . Ceea ce înseamnå cå dacå curentul alternativ oscileazå laaceastå frecvenÆå de MHz300 atunci deviaÆia de frecvenÆå creçte cu MHz200 lafiecare creçtere cu mA1 a valorii vârfului curentului alternativ.

AplicaÆia 3Dacå o diodå are deviaÆia de frecvenÆå de mA/MHz200 çi lucreazå cu frecvenÆa de

modulare de MHz300 så calculåm indicele de modulare dacå vârful de curent alternativeste mA1 çi mA5 . La mA1 , deviaÆia de frecvenÆå este MHz200f =∆ , iar la mA5 este

MHz1000f =∆ . Pentru indicele de modulare folosim formula mff∆=β astfel cå obÆinem67.0300200 ==β la mA1 çi 33.33001000 ==β la mA5 .

O altå modalitate, alternativå modularii interne prin modificarea curentuluisursei, este aceea cå putem så introducem informaÆia pe purtåtoarea opticå, dinexterior. Pentru sistemele digitale se utilizeazå modulatori electro-optici çiacusto-optici ce pot acÆiona asupra fasciculului de luminå. Ei pot modula atâtintensitatea cât çi starea de polarizare a luminii. Toate aceste forme de modularepot fi detectate çi demodulate de cåtre un receptor heterodinå.

Fig. 11.20 Modularea în frecvenÆå a unei diode laser DL


Douå fascicule de luminå identice ce vin de la dioda laser DL, se propagå înambele direcÆii într-o bobinå cu fibrå opticå monomod. Dacå bobina este înrepaus cele douå fascicule råmân identice. Când bobina se roteçte în jurul axeisale, fasciculul care se propagå pe direcÆia de rotaÆie îçi schimbå faza, în raportcu celålalt fascicul. Modificarea de fazå este:

Ωλπ=θ

cAN8

(11.40)

unde Ω este viteza de rotaÆie måsuratå în s/rot , N este numårul de spire alebobinei de fibrå opticå iar A este aria bobinei. Modificarea poate fi måsuratåprin detecÆie homodinå. Dacå luåm în considerare cå 0IF =ω çi så consideråm cå

2/PPP oSL == unde oP este puterea din fiecare fascicul atunci:

( )θ+= cos1PP o (11.41)

în care θ este diferenÆa de fazå ce apare atunci când bobina de fibrå opticå seroteçte. Curentul detectat este:

( )θ+η= cos1hfeP

i o (11.42)

astfel cå în amplitudinea fotocurentului sunt incluse atât valoarea fazei modificatecât çi viteza de rotaÆie.

Multiplexarea prin divizarea frecvenÆei opticeMai multe mesaje pot fi transmise simultan de-a lungul fibrei optice prin

multiplexare prin divizarea frecvenÆei optice, (Optic Frequency- DivisionMultiplexing) OFDM combinatå cu detecÆia heterodinå. În figura 11.22 esteprezentatå o astfel de schemå.

În anumite aplicaÆii ale fibrelor optice (mai ales cele unde fibra este folositåca senzor) acÆiunile din mediul înconjuråtor moduleazå faza purtåtoarei optice.Un astfel de exemplu este giroscopul cu fibrå opticå prezentat în figura 11.21.

Fig. 11.21 Giroscop cu fibrå opticå


N diode laser identice sunt acordate pe frecvenÆe diferite, prin stabilizarea latemperaturi diferite a diodelor laser, pentru a emite frecvenÆele N21 ,,, ωωω KK .Diodele sunt modulate cu mesajele ce se transmit. Ieçirea fiecårei diode estecuplatå cu o fibrå opticå çi de aici ele se cupleazå cu fibra de transmisie. Lareceptor, lumina de la un singur oscilator local se suprapune cu fiecare fascicultransmis, dând naçtere la diferite frecvenÆe intermediare pentru fiecare canal.FrecvenÆele N21 ,,, ωωω KK sunt sortate electronic prin intermediul unor filtre.Viteza de råspuns a fotodetectorului çi cea a receptorului vor determina numårulmaxim de frecvenÆe intermediare IF.

O alternativå la acest sistem este înlocuirea oscilatorului local ce are frecvenÆafixå, cu unul cu frecvenÆa acordabilå în acest caz fiind necesar doar un filtrupentru frecvenÆa intermediarå IF. Un anumit canal va fi detectat atunci cândfrecvenÆa purtåtoarei optice va diferi de cea a oscilatorului local cu o valoareegalå cu valoarea frecvenÆei intermediare IF. În acest caz toate celelalte canalevor avea frecvenÆele intermediare în afara benzii de trecere a filtrului IF. Pentrua recepÆiona un alt canal, se modificå frecvenÆa oscilatorului local. În acest tipde sistem o staÆie de transmisie trebuie så poatå fi acordabilå pe oricare dincanalele pe care este trimiså informaÆia.

Cele douå metode, OFDM çi WDM sunt într-un anume fel similare. Ambelefolosesc surse optice separate pentru fiecare canal, dar au çi diferenÆeimportante. Sisteme de multiplexare OFDM necesitå detecÆie prin heterodinare,iar cele cu multiplexare WDM, detecÆie directå. Sistemele cu WDM sorteazåcanalele în domeniul optic (înainte de fotodetecÆie) iar OFDM le separåelectronic (dupå fotodetecÆie). Separarea electronicå a canalelor la frecvenÆeradio este mult mai selectivå decât separarea opticå, astfel încât canaleleadiacente au întindere spaÆialå mult mai micå çi aceasta duce la transmisia amult mai multå informaÆie în regiunile de lungime de undå unde pierderileprin fibra opticå sunt mici.

Fig. 11.22 Multiplexarea prin divizarea frecvenÆei optice


DetecÆia prin heterodinare are câteva avantaje çi anume:

face posibilå legåturi optice modulate în frecvenÆå; receptorii heterodinå sunt mai sensibili decât cei cu detecÆie directå; un

receptor mai sensibil asigurå o calitate bunå a semnalului çi lungimi decablu de transmisie mari nefiind necesarå utilizarea repetorilor. Chiar dacåeste necesar så existe repetori, aceçtia sunt plasaÆi la distanÆe mult maimari în comparaÆie cu sistemele care folosesc detecÆia directå.

Sistemele cu heterodinare au o complexitate mai mare çi un preÆ de cost mairidicat faÆå de cele cu detecÆie directå. În plus, existå câteva cerinÆe pe caresistemul cu heterodinare trebuie så le îndeplineascå:

diodele laser trebuie så fie monomod; sursa de transmisie çi dioda laser a oscilatorului local trebuie så fie stabilizatå

în frecvenÆå astfel încât så nu avem deplasarea, frecvenÆei intermediare IF; în multiplexor, alinierea fasciculului corespunzåtor semnalului çi a

fasciculului corespunzåtor oscilatorului local este criticå; cele douå fronturide undå trebuie så fie identice;

mårimea petei luminoase (a spotului), direcÆiile de propagare çi de polari-zare a celor douå fascicule trebuie så fie aceleaçi.

Modularea în format digital este mult mai des utilizatå, în raport cu modulareaanalogicå. Argumentele au în vedere câteva din avantajele sistemelor digitale:

calitatea semnalului mult îmbunåtåÆitå; cåi de transmisie a semnalului mult mai lungi; repetorii de o construcÆie mult mai simplå; uçurinÆa modulårii (comutarea sursei optice pe aprins-stins); neliniaritatea surselor optice, care ar degrada un semnal analog pentru un

semnal digital nu este o problemå.

Transmisia digitalå a mesajelor ce provin de la semnale analogice (semnalvocal, semnal video) are principalul dezavantaj cå trebuie ca semnalele så fieconvertite în format digital la transmiÆåtor çi apoi reconvertite în format analogicla recepÆie. Costul echipamentelor de reconversie analog-digital çi digital-analogsunt rezonabile când transmisia nu se face la distanÆe mari.

Dacå în proiectarea sistemului de transmisie a informaÆiilor nu este impus unanumit mod de modulare, atunci trebuie så fie luate în considerare ambele for-mate de modulare, atât digital cât çi analogic çi gåsitå varianta care minimizeazåîn primul rând costurile la o calitate a transmisiei optimå.


Bibliografie

1. Booth K., Hill S., The Essence of Optoelectronics, Prentice Hall Eu., ISBN0-13-533654-6,1998

2. Capmany J., Javier Fraille-Pelaez F. , Marti J., Fundamentos de Comuni-caciones Opticas, Editorial Sintesis, ISBN 84-7738-599-8, 2001;

3. Chaimowicz J-C, Introduction a l’optoelectronique, Dunod Paris, ISBN2-10-001292-4, 1992;

4. Curatu E., Echipamente pentru prelucrarea opticå a informaÆiei, Institutul deoptoelectronicå, Bucureçti, 1995

5. Doicaru V., Pârvulescu M., Transmisii prin fibre optice, Editura Militarå,Bucureçti, ISBN 973-32-0347-5, 1994;

6. Doicaru V., Niculescu C.R., Laseri cusemiconductori çi aplicaÆii, EdituraTehnicå, BucureÆti 1978;

7. Dragu I., Dispozitive videocaptoare çi videoreproductoare, Editura Tehnicå 1979.8. Gagliardi R., Karp S., Optical Communications, John Willey &Sons, ISBN

0-471-54287-3,19959. Hecht Jeff, Understanding Fiber Optics, Prentice Hall London, ISBN

0-13-956145-5, 199910. Hedencourt L., Lilen H., Optoelectronique, Dunod, Paris, ISBN 2-10-002717-4,

1995;11. Keiser G., Optical Fiber Communications, Second Edition, McGraw -Hill, ISBN

0-07-100785-7, 199112. Keiser G., Optical Fiber Communications, Third Edition, McGraw -Hill, ISBN

0-07-116468-5, 199113. Laug M., Optique et Information, Cepadues-Editions, Toulouse, ISBN

2.85428.434.8 ,199714. Maciejko R., Optoelectronique, Persses Internationales Polytechnique,

Montreal, ISBN 2-553-01028-1, 2002;15. Nan S., Munteanu I., BåluÆå Gh., Dispozitive fotonice cu semiconductori,

Editura Tehnicå, Bucureçti, 1986;16. Niculescu Cl.R., Iosif I.M., IniÆiere în comunicaÆiile prin fibre optice, Editura

Tehnicå, Bucureçti, 198217. Ramaswami R., Sivarajan K.N., Optical Networks, A Practical Perspective,

Morgan Kaufmann Publishers, ISBN 1-55860-655-6, 2002

220220220220220 Bibliografie

18. Senior J.M., Optical Fiber Communications, Principles and Practice, SecondEdition, Prentice Hall, ISBN 0-13-635426-2, 1992

19. Sterian P., Transmisia opticå a informaÆiei, Editura Tehnicå 1981.20. Tribillon J-L., Traitement Optique de l’Information & Reconnaisance des Formes

par Voie Optique, Teknea, Toulouse, ISBN 2-87717-X, 199821. Tricker R., Optoelectronics and Fiber Optic Technology, Newnes Oxford, ISBN

0-7506-5370-1,200222. Vancea R., Recunoaçterea formelor, aplicaÆii, Ed. Academiei 1989.23. Vlad V., Prelucrarea opticå a informaÆiei, Editura Tehnicå 1984.24. Voiculescu E., MariÆa T., Optoelectronicå, Editura Albastrå, Cluj-Napoca,

ISBN 973-9443-96-625. Wilson J., Hawkes J.F.B., Optoelectronics, Prentice Hall, UK, 198326. Zamfira C-tin Sorin, Optica Tehnicå, Reprografia UniversitåÆii Transilvania

Braçov, 1995

-OptoElectronică-Sorin Constantin Zamfira

Documents

Transcript of -OptoElectronică-Sorin Constantin Zamfira