Princípios de Comunicações Ópticas
Introdução a Física dos Semicondutores
Em 1930 houve um impulso nos estudos teóricos sobre semicondutores e em 1948 houve a invenção do transistor. Em comunicações ópticas usamos fontes de luz como laser de diodo e LED e os semicondutores são usados para detecção da luz (fotodetectores). Afinal de contas, para que se usar os semicondutores para detectar a luz?
As fontes ópticas alteram com facilidade a potência óptica emitida ao variar a corrente no dispositivo e com os semicondutores o tempo de resposta é curto, permitindo recuperação do sinal mesmo em elevadas taxas de transmissão.
Condutores
Tem a banda semi-preenchida. Pequeno aumento na Temperatura provoca excitação térmica dos elétrons E>Ef. Aplicando campo elétrico, elétrons próximos a Ef ocupam os estados excitados E>Ef. Elétrons estão livres para se mover com pequenos campos elétricos, isso porque o metal tem-se estados desocupados próximos aos ocupados.
Isolantes
Para haver condução em um isolante é necessário muita energia, pois a distancia entre a banda de condução e a banda de valência é relativamente grande, chamado de Gap de energia. Para haver condução terá que haver muita energia.
Semi-condutores
Análogo ao isolante, porém a distância do Gap é bem menor, a energia necessária para que haja condução é menor, ou seja, uma pequena Tensão já propicia energia para criar uma corrente. A condutividade cresce proporcionalmente com a temperatura.
Dopante: Altera a estrutura de bandas e altera a resistividade dos semicondutores. O processo de dopagem consiste em adicionar impurezas e é importante para fazer certos dispositivos.
Dopagem do tipo n: átomo com 5 elétrons de valência, 4 participam de ligações covalente e um elétron fica livre. Portadores de cargas são elétrons, negativos.
Dopagem do tipo p: átomo com 3 elétrons de valência, 3 participam da ligação covalente no semicondutor . 1 elétron fica deficiente na quarta ligação, com isso fica um buraco. `Portadores de cargas são buracos, positivos.
Dispositivos Semicondutores
Junção p-n: O semicondutor ficará com 3 regiões distintas (Região n, p e depleção). Região p é parte positiva, região n a negativa e entre elas existe a região de depleção. A região de depleção extende-se vários microns para cada lado da junção. Quando se aproxima a junção os elétrons doadores do lado n difundem para o lado p, deixando íons positivos para trás, portanto tempos uma região depletada de cargas móveis. Nesta região gera-se um campo elétrico que ajuda a varrer desta região cargas móvel. Esse campo cria uma barreira de potencia V que previne a difusão de buracos ou elétrons. A corrente é zero na junção se não aplicarmos voltagem externa.
Tensão direta: Quando aplicamos uma voltagem externa positiva ao lado p a barreira diminui e a corrente aumenta exponencialmente com a tensão aplicada.
Tensão reversa: Quando aplicamos uma voltagem externa positiva ao lado n a barreira aumenta e a corrente muito pequena satura para i quando V é aumentada.
Interação de fótons e elétrons em semicondutores
A energia associada a uma radiação eletromagnética de comprimento de onda λ é
E = hv = hc/λ
Onde h é a constante de Planck. Existem alguns mecanismos de interação de fóton e elétrons em semicondutores: Absorção, Emissão Espontânea e Emissão Estimulada.
Absorção: A onda eletromagnética transfere elétrons da BV para BC. Cria-se elétrons livres na BC e conseqüentemente ficam buracos na BV. Porém a eficiência de geração de elétrons livres depende de vários fatores. Não necessariamente para Ef muito grande teremos mais portadores.
Emissão Espontânea: Se temos elétrons na BC eles podem retornar para BV, recombinação de elétron-buraco. Ocorre luminescência (eletroluminescência) quando da aplicação de campo elétrico no semicondutor. Quando os elétrons decaem ocorre liberação de energia.
Ef = Eg = hc/λ
Emissão Estimulada: A recombinação de elétron com buraco pode ser provocada pela presença de um fóton. Emissão de fótons idênticos, monocromática, coerente e amplitude mais alta. Para que o processo seja eficiente é necessário um grande número de elétrons na BC, que decaiam para BV.
Fontes Ópticas para Comunicação
Os transmissores são emissores de luz e dependem de alguns fatores: performance dos sistemas de comunicação; largura espectral; ruídos. Dois emissores básicos em comunicações são o LED (light emitting diode) e o laser (Light amplification by stimulated emission of radiation). A modulação é feita diretamente sobre esses elementos.
A geração de luz é um processo que pode ser espontâneo, sendo aleatório e incoerente, ou pode ser estimulada por um fóton com energia igual a da transição, sendo cascata e coerente. Fótons espontaneamente obtidos são os agentes estimuladores para emissão de outros fótons.
O Diodo de heterojunção é feito pela união de diferentes materiais, consegue-se diminuir a região ativa implicando na diminuição de correntes de operação e portanto redução do calor gerado na junção. Light Emitting Diode (LED) é uma recombinação espontânea de portadores, conseqüentemente é uma luz incoerente e para qualquer direção. Um importante parâmetro prático é a resposta em freqüência que informa a resposta no tempo da emissão de luz à modulação criada pela corrente de injeção.
n: população de elétron na região ativa; τ: tempo de recombinação; d: espessura da região ativa; e: carga do elétron; J: densidade de corrente injetada.
Durante o pulso de corre: dn/dt = J/ed - n/τ esta equação nos leva a
n(t) = Jτ*(1-e^(-t/τ) ) / ed