Comunicatii Optice In Spatiu Liber

La începutul istoriei, necesitatea de a comunica la distanța a fost o reacție firească pentru viață într-o societate. Marele Homer în epopeea lui Iliada menționează semnale luminoase, acestea au fost focuri aprinse pe dealuri, ce semnalizau căderea orașului Troia. Xenofon în lucrarea lui Anabasis povestește despre același mod de corespondență între Persia și armata lui Xerxes în Grecia. Un mare dramaturg grec Eschil, în opera lui Agamemnon, chiar oferă detalii ale secțiilor de relee luminoase. Stații de relee au fost situate pe vârfurile munților Athos, Cithaeron și Aegiplanctus. Cu 400 de ani înainte de Hristos, tacticianul Enea a proiectat un cod bazat pe varierea numărului de torțe. Cu două secole mai târziu, Cleomenes și Polibiu au inventat un alt cod, folosind o combinație de semnale luminoase. Mai târziu oamenii din Cartagina au conectat Africa și Sicilia, folosind semnale luminoase. După ei romanii au adoptat formula și tot Imperiul Roman a fost conectat prin semnale de focuri, așa fel de balize erau plasate pe turnuri.

Fig. 1.1. O stație de telegraf a romanilor

Cezar a făcut utilizarea optimă a acestui sistem în timpul campaniilor sale in Vest. Focuri aprinse în puncte de mare înălțime de-a lungul drumurilor romane, au fost folosite pentru a transmite în mod rapid informații militare. Folosind astfel de focuri, generalul roman Aetius a transmis vestea victoriei sale în lupta cu Attila la Roma în anul 451 d.Hr. Chinezii au utilizat zmei cu lămpi, pentru a transmite semnale în același mod. În mod similar, aborigenii americani utilizau semnale de fum, pentru transmiterea informației. Marinarii au folosit semnale semafor de mult timp. Aceste procese de comunicare, deși foarte primitive, au dat baza pentru apariția mass-media optică. Viteza de transmisie nu a fost foarte mare, dar mesajele conțineau puținele informații, pentru că configurații posibile ale luminii au fost foarte limitate.

Preistoria telecomunicațiilor se extinde peste mii de ani, dar istoria telecomunicațiilor începe cu adevărat abia la sfârșitul secolului 18, cu apariția telegrafului optic lui Claude Chappe. Robert Hooke a inventat un semafor, care utiliza un cod prestabilit format din bețe de lemn.

Fig. 1.2. Telegraful lui Robert Hooke

Mașina constă dintr-un ecran mare, pentru că mesajul să fie vizibil de la mare distanța. În funcție de poziția, bețe de lemn formau o anumită literă. Acest sistem a fost îmbunătățit de fizicianul francez Guillaume Amontons. El a adăugat un telescop în sistem, pentru a citi semnale formate pe ecran de la distanța mai mare, în scopul pentru a stabili corespondență între două puncte îndepărtate. Pe parcursul secolului 18, au fost diverse proiecte de telegraf, dar totuși cel mai bun sistem a fost al lui Abbot Claude Chappe. Telegraful lui Claude Chappe a fost adoptat prin Convenție în anul 1793. Chappe a primit permisiunea de a utiliza turnuri și clopotnițe pentru a instala echipamente de telegraf între Paris și Lille. Această conexiune de lungime de 230 km a fost construită în timp record, între anii 1793 și 1794.

Fig. 1.3. Telegraful lui Chappe, instalat pe turn

Mai târziu, guvernul Louis-Philippe a aprobat construirea unei rețele proiectate pe modelul de o pânză de păianjen, cu Paris în centrul rețelei, în scopul de a îmbunătăți eficiența administrației sale. Această rețea a fost completată anterior cu legăturile principale, instalate între Paris și orașele franceze mari(Lille, Brest, Strasbourg), apoi au fost instalate legăturile concentrice, centrate pe Paris. Această rețea a oferit modalități alternative de a transmite telegrame dacă comunicarea cu Paris a fost tăiată. După aceasta, rețeaua a fost extinsă până la orașele fortificate din nordul țării, zonele comerciale din jurul coastei și marele orașe din sudul Franței. Astfel, în anul 1844, Franța a avut o rețea de 534 stații, care a acoperit mai mult de 5000 km.

Invenția lui Chappe a fost, de asemenea, foarte mult exploatată în alte țări, în special în Spania și Italia. În Rusia, țarul Nicolae I a stabilit legături între Moscova, Sankt Petersburg, Varșovia și Cromstadt. El a deschis legătura Moscova-Varșovia în anul 1838. Telegraful de spațiu liber a fost, de asemenea construit în Anglia și Suedia. Totuși, după anul 1845, a apărut telegraful electric, și treptat a înlocuit telegraful optic. Ultima stație rețelei în spațiu liber a fost scoasă în anul 1859.

Telegraful optic lui Chappe a fost repede și complet înlocuit de telegraf electric. De fapt telegraful lui Chappe nu a dispărut, el a fost transformat și a devenit un telegraf optic nou. Noul telegraf optic ar putea acționa în funcție de circumstanțe, cum ar fii transmisii dintre corpuri de armată în timp de pace sau de război. Ca și telegraful lui Chappe, acest nou telegraf producea semnale vizibile la distanțe mari, folosind telescoape. Totuși, aceste semnale au fost compuse din blițuri de lumina soarelui sau de lămpi de ulei. Semnale erau corespunzătoare codului Morse, care era un cod prestabilit. Mangin a propus un sistem îmbunătățit. Sursa a fost o lampă de ulei, care a folosit un set de oglinzi și un obturator. Lampa de ulei ar putea fi înlocuită de un sistem optic cu ajutorul luminii solare. Blițuri mai lungi sau mai scurți corespundeau liniilor și punctelor din alfabetul lui Morse.

Fig. 1.4. Telegraful optic lui Mangin

Viteza maximă de transmisie cu ajutorul blițurilor lui Morse a fost aproximativ 20 de cuvinte pe minut. Sistemul de lentile utiliza lumina soarelui în timpul zilei și lumina lămpilor de ulei în timpul nopții, aceasta a permis comunicare la distanțe de la 30 km până la 120 km. Semnale au fost observate cu ajutorul unui telescop montat pe aparatul de recepție. Pentru transmisie în gama maximă era necesar aer absolut curat, deoarece semnale luminoase erau absorbite de ceață sau fum.

1.2. Recepție și emisie semnalelor optice

Sursele de lumină și receptoarele de obicei sunt hibrizi de componente semiconductoare. Cele mai multe dintre ele sunt fabricate industrial și utilizate în multe cazuri, de exemplu fibre optice sunt disponibile comercial la un cost redus în cantități mari. În cazul propagării undelor luminoase în spațiu liber, cerințele sunt, practic, diferite de cele pentru undele ghidate de fibre optice peste lungimi mari. În spațiu liber, lumină-undă se propagă de la un transmițător prin aer în direcția unui receptor. Un emițător utilizat în sistem optic trebuie să fie sursa de radiație. Sursele de radiație sunt acele dispozitive optoelectronice ce au rolul de a transforma o altă formă de energie (de regulă de natură electrică) în radiație optică. Emițătoare optice folosite sunt semiconductoare care emit radiație, care sun diode electroluminiscente (Light Emitting Diodes – LED) sau diode laser. Aceste dispozitive au combinații de proprietăți utile în mărime, lungimi de undă disponibile, putere, liniaritate, simplitate în modulație,costuri mici, fiabilitate și se potrivesc foarte mult cu așa tip de sistem.

Diode sunt constituite din joncțiuni PN semiconductoare polarizate direct. În urma injecției de curent prin joncțiune, electronii din banda de conducție ai regiunii n traversează joncțiunea și se recombină cu golurile din banda de valență a regiunii p. Ca urmare a acestui proces de recombinare, energia dobândită de la câmpul exterior este eliberată sub formă de cuante luminoase. Materialele folosite la construcția diodelor sunt selectate dintre semiconductoarele care permit tranziția directă și sunt, de obicei, mult mai dopate cu impurități decât diodele electronice. Materialele semiconductoare folosite pentru construcția diodelor electroluminiscente sunt compuși pe bază de galiu. Siliciul și germaniul nu se folosesc pentru acest scop deoarece energia electrică este convertită mai degrabă în energie termică decât în energie luminoasă. Pentru producere al radiației este necesar de valori de densitatea de curent mai mari decât cu alte dispozitive electronice. Materialele folosite la construcția diodelor sunt selectate dintre semiconductoarele care permit tranziția directă și sunt, de obicei, mult mai dopate cu impurități decât diodele electronice.

. Modalități de generare a purtătorilor

Ca rezultat al absorbției radiației în corpul solid au loc următoarele modalități de generare a purtătorilor prin:

Absorbție intrinsecă

Absorbția pe purtători mobile

Absorbția cu emisie de electroni

Absorbția proprie în rețeaua cristalină

Absorbție intrinsecă. Electronii de valență preiau de la radiație energia fotonilor și cu ajutorul acesteia, trec din banda de valența în cea de conducție, generându-se astfel în cristal perechi electron-gol. Acest fenomen este util în optoelectronică și se produce numai dacă energia fotonului este mai mare decât banda interzisă. Fenomenul poate avea loc atât în domeniul infraroșu al spectrului, cât și în domeniul radiațiilor vizibile funcție de lărgimea benzii interzise.

Absorbția pe purtători mobili. Energia fotonilor este preluata de purtătorii liberi existenți în cristal, care în felul acesta își măresc energia cinetică sub acțiunea componentei de câmp electric a radiației luminoase.

Absorbția cu emisie de electroni. Când energia fotonilor este suficient de mare pentru a genera electroni liberi, a căror energie este mai mare decât energia de reținere, atunci electronii părăsesc corpul solid, realizându-se emisia.

Absorbția proprie în rețeaua cristalină. Radiația intră în interacțiune cu vibrațiile termice ale rețelei, iar energia fotonilor este convertită în fononi pe care îi preia rețeaua cristalină. Această energie nu produce fenomene optice și de aceea absorbția apare ca un fenomen nedorit care reduce intensitatea fenomenelor optoelectronice.

1.4. Modalități de recombinare a purtătorilor

Când un sistem fizic trece de la o stare cu energie mai mare la o stare cu energie mai mică, se eliberează o cantitate de energie egală cu diferența dintre energiile celor două stări.

În cazul corpurilor cu bandă interzisă directă, recombinările electron-gol se fac prin tranziții „verticale" cu păstrarea momentului mecanic al corpului, deci fără apariția fononilor; în acest caz, energia eliberată prin recombinare se transformă în lumină conform relației:

υh=ΔWS; (1)

Radiația produsă are:

frecvența: υ=ΔWS/h; (2)

lungimea de undă: λ=hc/ΔWS; (3)

Unde h reprezintă constanta lui Boltzmann, h=1,3806*10-23JK-1, c viteza luminii, ΔWS energia benzii indirecte.

În cazul corpurilor cu bandă interzisă indirectă, recombinările electron-gol se fac prin tranziții „înclinate", în care se modifică momentul mecanic al sistemului. Prin restabilirea momentului mecanic al corpului, energia eliberată prin recombinare se transformă în fononi, de aceea aceste corpuri nu sunt apte a fi folosite pentru dispozitive generatoare de lumină.

Emisia fascicolelor de fotoni în semiconductoare este atribuită recombinărilor radiative ale purtătorilor excedentari de sarcină(emisie spontană sau stimulată).

Fig.1.5. Trei procese fundamentale ce pot apare între două nivele energetice ale unui atom(E2,E1): absorbția, emisia spontană și stimulată.

Radiația poate fi generată ca urmare a combinării radiative a unui electron cu un gol în interiorul semiconductorului. Electronii și golurile se pot, de asemenea, combina non-radiativ, producând căldură în interiorul semiconductorului, dar fără emisie de radiație. Raportul tuturor recombinațiilor care au loc cu emisie de radiație este exprimat de indicele intern de eficiență ηi al dispozitivului sau randamentul cuantic.

(4)

Rr este numărul de recombinații radiative pe secundă

Rnr este numărul de recombinații non-radiative pe secundă

Din acest punct de vedere un semiconductor eficient (indicele intern de eficiență este mare) va avea mult mai multe combinații radiative decât cele non-radiative. Aceasta se realizează prin alegerea potrivită a materialelor semiconductoare și prin inundarea regiunii de emisie cu sarcini purtătoare. Această inundare cu sarcini purtătoare se face cu ajutorul barierelor de energie pentru a limita purtătorii în vecinătatea unei joncțiuni PN.

Energia E produsă în urma recombinărilor este aproximativ egală cu energia benzii interzise Ei a materialului. Dacă energia E rezultată în urma recombinărilor radiative corespunde unei frecvențe optice (E=hν), atunci există emisie de radiație. Pentru o sursă optică este de dorit ca tranzițiile radiative să domine total emisiile non-radiative.

1.5. Fenomene care stau la baza generării radiației optice

Sursele de radiație sunt acele dispozitive optoelectronice ce au rolul de a transforma o altă formă de energie (de regulă de natură electrică) în radiație optică. La baza generării de radiație stau două fenomene:

Incandescența

Luminiscența

Incandescența reprezintă emisia de radiație de către un corp încălzit, în virtutea efectului termic, electronii materialului trec din starea fundamentală într-o stare energetică suplimentară iar revenirea la nivelul de bază se face prin generarea de fotoni;

Luminiscența reprezintă orice modalitate de producere a radiației optice prin excitarea sistemelor atomice, ionice, moleculare, alta decât prin încălzire. Luminiscența poate fi de două feluri și anume:

Fluorescența la care emisia apare după un interval foarte scurt de timp de la apariția excitației (de ordinul ns, zeci de ns) și durează atâta timp cât este aplicată excitația;

Fosforescența unde emisia de radiație apare cu întârziere;

Cauzele luminiscenței:

Catodoluminiscența când se realizează bombardarea cu electroni a unui ecran al tubului catodic;

Fotoluminescența care reprezintă proprietatea unor materiale (cristale) care atunci când sunt iluminate, emit o radiație optică cu altă lungime de undă decât cea incidentă;

Electroluminiscența care reprezintă conversia directă a energiei electrice în radiație ca urmare a aplicării asupra unor solide a unui câmp electric;

Chemoluminiscența ce constă în eliberarea de fotoni ca urmare a unor reacții chimice;

Triboluminiscența reprezentând proprietatea unor materiale de a genera fotoni la apariția unor solicitări mecanice;

Sonoluminiscența este un fenomen în care prin stimulare ultrasonică se emite lumină în impulsuri foarte scurte.

1.6. TIPURI DE SURSE DE RADIAȚIE

În realizarea sistemelor optice de comunicații se utilizează ca (surse) generatoare ale radiației optice, atât surse coerente de radiație (laseri), cât și surse necoerente (LED). Atunci când propagarea radiației se realizează prin mediul deschis (atmosfera), este necesar să se asigure monocromaticitatea fasciculului, buna colimare a acestuia cât și o mare intensitate a radiației. La transmisia ghidată se pot utiliza și surse optice parțial coerente (diode laser) sau necoerente (LED). Pentru cablurile optice se utilizează aproape în exclusivitate diode laser si LED-uri. Funcționarea diodelor semiconductoare utilizate ca surse de radiație, optica se bazează pe fenomenul de recombinare radiativă a purtătorilor ce apare ca urmare a injecției acestora în joncțiunile polarizate direct (semiconductoare cu banda interzisă directă). În funcție de materialele utilizate, respectiv de lărgimea benzii interzise, acestea pot acoperi un domeniu spectral larg, de la ultraviolet la infraroșu. Alegerea lungimii de undă utilizate în comunicațiile optice este determinată în special de proprietățile de atenuare și dispersie a fibrei optice (a mediului de transmisie).

1.7. Dioda laser

1.7.1. Introducere

Diodele laser produc mai multă putere decât LED-urile și au un spectru mai coerent. Structura unei diode laser este asemănătoare cu cea a unui LED cu emisie transversală. Principala diferență între un LED cu emisie transversală și un laser cu emisie transversală, este aceea că, în cazul laserului, regiunea activă este mult mai subțire în plan vertical și mai îngustă în plan orizontal. În plus, sunt adăugate sisteme de oglinzi la capetele structurii care să asigure un feed-back optic (acest feed-back optic are rolul de a mări puterea câmpului optic, astfel încât emisiile stimulate să domine emisiile spontane ale unui laser). Structura de oglinzi mai are rolul de a reduce divergența unghiului radiației emise și de a îngusta spectrul acesteia. Heterojoncțiunile sunt folosite pentru a concentra, atât sarcinile purtătoare, cât și câmpurile optice pe direcție verticală.

1.7.2. Proiecția fascicolului

Pentru majoritatea diodelor laser, partea de ieșire a regiunii de emisie are o lungime de 150 – 500 µm, cu 5 – 20 µm lățime și 0,1 – 0,2 µm înălțime. Rezultă astfel, că proiecția radiației în câmp îndepărtat va avea o formă asimetrică, cu o divergență perpendiculară pe lățimea regiunii de emisie de 30 – 50o, iar cea paralelă de 5 – 10o. Această din urmă valoare este de cinci ori mai mică decât în cazul diodelor electroluminiscente, radiația emisă de diodele laser fiind mult mai coerentă.

1.7.3. Dependența de temperatură a diodelor laser

Una dintre problemele majore ale diodelor laser, este dependența temperaturii de curentul de prag. Sursele de lungime de undă lungă – InGaAsP, sunt mult mai sensibile la variația temperaturii decât sursele de lungime de undă scurtă – GaAlAs.

Diodele laser sunt construite cu radiatoare (cooler), pentru a se obține o temperatură de operare constantă, sau pot avea radiator termoelectric încorporat care să elimine căldura din cadrul diodei laser. Capacitatea cooler-ului trebuie să fie suficient de mare pentru a putea menține o temperatură de operare constantă în timpul funcționării diodei laser.

O altă metodă prevede includerea unui circuit de compensare a temperaturii care să minimizeze efectele variației termice. Acest circuit este alcătuit dintr-un fotodetector care captează o mică parte din radiația emisă și produce un curent proporțional cu puterea diodei laser. Printr-un mecanism de feed-back, curentul prin dispozitiv poate fi ajustat astfel încât să se obțină un nivel al puterii de emisie constant.

1.7.4. Date caracteristice

Puterea radiantă: o diodă laser cu homojoncțiune de GaAs furnizează o putere în impuls de până la 100W, la temperatura camerei și impulsuri de 10-8s;

Curentul de prag: – reprezintă curentul minim care trebuie aplicat diodei pentru a se produce radiație coerentă. Deoarece puterea radiată crește liniar cu curentul prin dispozitiv rezultă simplitatea modulării fasciculului optic prin modularea curentului direct (figura 1.7.);

Caracteristica spectrală – reprezintă caracteristica intensității radiației față de lungimea de undă (bandă foarte îngustă în comparație cu LED-urile );

Diagrama de directivitate – de regulă, se reprezintă distribuția spațială a intensității radiației generate în planul secțiunii și perpendicular pe aceasta;

Randamentul cuantic – reprezintă suma randamentelor ce caracterizează dioda laser:

randament cuantic intern (eficiență cuantică) – care este raportul dintre numărul de fotoni generați prin recombinări radiative și numărul de electroni de injecție;

randament cuantic extern – care este raportul dintre numărul de fotoni generați sau obținuți în exteriorul diodei și numărul de electroni incidenți.

1.7.5. Analiza unui modul de emisie optică cu diodă laser

Schema de principiu conține o diodă laser cu dublă heterostructură, o fotodiodă prin care traduce o parte din semnalul optic emis de laser în semnal electric de reacție pentru stabilizarea funcționării acestuia o fibră optică intermediară având un capăt sudat pe o suprafața emițătoare a diodei laser și celălalt capăt prevăzut cu un conector optic, și electronica de comandă și stabilizare a funcționării diodei laser.

1.7.6. Principiul de funcționare

Curentul generat de fotodioda PIN este injectat în două bucle de control: una pentru polarizarea diodei laser la o putere optică medie și alta stabilizează excursia de curent pe caracteristica statică a acestuia. Polarizarea laserului se realizează printr-o buclă de reacție conținând fotodioda receptoare, un amplificator A, un comparator C, și un amplificator de curent. Componenta continuă a fotocurentului detectat de fotodioda FD este convertită în tensiune de către amplificatorul A, care apoi se compară cu o tensiune de referință în comparatorul C .Tensiunea de eroare AU rezultată este integrată de către filtrul RsC , amplificată de T1 și comandă prin T2 și T3 curentul de polarizare al diodei laser. Stabilizarea excursiei de curent presupune controlul atât a puterii de vârf cât și a puterii minime a diodei laser. Pentru aceasta componenta alternativă a fotocurentului detectat este amplificată și injectată în două detectoare de vârf, unul de maxim și altul de minim. Semnalul diferență este la rândul său amplificat și comparat cu o tensiune de referință. Semnalul de eroare este apoi filtrat, și prin intermediul lui T1 determină valoarea amplificării cu circuitul de comandă al diodei laser.

Fig. 1.8. Circuit de stabilizare a funcționării diodei laser cu o singură cale de reacție

Aici o parte din semnalul optic de ieșire al diodei laser este detectat de o fotodiodă, amplificat de un amplificator integrator și comparat cu un semnal de referință. Semnalul eroare rezultat se aplică circuitului de comandă al diodei laser.

1.8. Diode electroluminiscente (LED-uri)

1.8.1. Generalități

Diodele electroluminiscente (Light Emitting Diode) sunt joncțiuni semiconductoare p-n din materiale cu bandă interzisă directă care polarizate direct emit radiație electromagnetică în gama optică. Lipsa cavității rezonante și injecția relativ mică de purtători prin joncțiune au ca rezultat o emisie de radiație incoerentă și de intensitate mică în comparație cu diodele laser.

Fig.1.9. Puterea de ieșire în funcție de curentul injectat într-o diodă LED

Fig.1.10. Spectru radiației emise

1.8.2. Principiul de funcționare

La echilibrul termic în cristalul p se găsesc goluri notate cu gv provenite din doparea cu impurități. Prin polarizare directă electronii minoritari din cristalul n sunt rejectați în cristalul p. Prin recombinarea electron-gol energia de recombinare este eliberată sub forma de radiație în domeniul optic, în urma proceselor de recombinare, sistemul nu revine la starea de echilibru termic, procesul fiind întreținut de bateria de polarizare. Practic energia cedată în urma recombinărilor nu este transformată în fotoni ci în fononi (cuante de energie mecanică). Rezultă de aici că randamentul conversiei energiei electrice în energie radiantă este mult sub 100%.

Fig. 1.11. Principiul de funcționare a LED-ului

Pentru construcția LED-urilor se utilizează de obicei GaAs (acest material are o bandă interzisă directă) care este caracterizat de o frecvență mare a radiației emise, practic se lucrează pe domeniul infraroșu.

Pentru a se converti radiația din domeniul infraroșu în domeniul vizibil se utilizează compuși de genul GaAs + P, astfel încât să se creeze nivele de energie suplimentare în banda interzisă astfel încât recombinarea să se facă în două etape.

LED-urile generează radiație optică sub formă necoerentă deoarece energia de recombinare nu este strict constantă pe de o parte ea depinzând de tehnologia de fabricare, și în plus, stratul energetic suplimentar datorat fosforului asigură în banda interzisă nu un nivel de energie strict, ci un interval de plasare suficient de larg.

Pentru obținerea unor structuri de diode electroluminiscente cu radianță ridicată se utilizează, ca și în cazul diodelor laser, heterojoncțiunile.

1.8.3. Tipuri de LED-uri

Sunt cunoscute trei mari tipuri de LED-uri a căror caracteristică este prezentată în figura 1.12. :

SE- LED cu emisie frontală sau de suprafață.

EE (ELED)- LED cu emisie laterală.

DSL-diode superluminiscente. Cele cu emisie de suprafață au deschiderea unghiului de suprafață mai mare decât cele cu emisie laterală, care au o emisie mult mai coerentă.

Fig. 1.12. Caracteristica de ieșire P0 (I) a diferitelor tipuri de LED-uri.

LED-urile cu emisie de suprafață:

LED-urile cu emisie de suprafață sunt reprezentate în figurile care urmează, figura 1.13. și figura 1.14.:

Fig. 1.13. InGaAsP – Emițător de suprafață de lungime de undă lungă

Fig. 1.14. GaAlAs – Emițător de suprafață de lungime de undă scurtă

Dispozitivele sunt constituite din duble heterojoncțiuni în jurul regiunii active. Radiația este emisă dintr-o regiune plană centrală a regiunii active, având un diametru între 20 – 50 µm. Așa cum este menționat mai înainte, este de dorit ca densitatea curentului să fie cât mai mare posibil în regiunea activă, iar aceasta este făcută vertical prin heterojoncțiune.

LED-urile cu emisie laterală:

LED-urile cu emisie laterală reorientează radiația de-a lungul unei axe transversale pe direcția fluxului de curent.

Una dintre cele mai reprezentative structuri de LED-uri cu emisie laterală, este reprezentată în figura 1.15., de mai jos. Cele patru straturi care sunt deasupra substratului sunt similare dispozitivelor cu emisie de suprafață. Stratul izolator din SiO2 este prevăzut cu un orificiu care are rolul de a ghida fluxul de curent spre regiunea activă, având drept urmare concentrarea acestuia.

Fig. 1.15. Reprezentarea unui LED cu emisie transversală – InGaAsP

Lățimea regiunii active pentru un emițător lateral este de obicei 50 – 70 µm, iar lungimea regiunii este 100 – 150 µm.

Heterojoncțiunile de pe ambele laturi ale regiunii active au un rol suplimentar în cazul emițătorilor laterali, ele acționând ca și ghiduri de undă care ajută la concentrarea radiației. Regiunea activă este proiectată să aibă un indice de refracție mai mare, iar materialele de-o parte și de alta a regiunii un indice mai mic. Substratul și stratul P+, fiind și mai departe de regiunea activă, vor avea un indice de refracție și mai mic. Din structura combinată a celor cinci straturi rezultă un ghid de undă optic. Radiația generată de regiunea activă este concentrată în această regiune cu ajutorul stratului activ și al celor două straturi adiacente. Această concentrare a radiației optice, împreună cu cea a sarcinilor purtătoare realizată de heterojoncțiuni, măresc eficiența procesului de generare a radiației optice.

Din cauza asimetriei, regiunea activă având o formă rectangulară, în partea de emisie a dispozitivului, caracteristica de radiație în câmp îndepărtat va fi eliptică, așa cum se vede în figura 1.16., iar cele două unghiuri sunt necesare pentru a putea descrie unghiul de divergență al dispozitivului. Din cauza efectelor difracției, unghiul perpendicular pe joncțiune va avea o divergență mai mare, care corespunde dimensiunii mai mici, de obicei 60o, iar unghiul paralel cu joncțiunea va avea valorarea mai mică, de 30o. În afară de această asimetrie, emițătorii transversali produc puteri mai mici, aproximativ 1/2-1/6, față de emițătorii de suprafață.

Fig. 1.16. Reprezentarea unui emițător lateral și a proiecției îndepărtate a radiației

Diode superluminiscente:

Atunci când într-o diodă electroluminiscentă se produce atât emisie spontană cât și emisie stimulată de radiație, diodele se numesc superluminiscente. O structură de diodă superluminiscentă este la fel cu cea a unei diode laser cu geometrie de bandă și dublă heterojoncțiune, exceptând faptul că regiunea activă este mai scurtă decât cea a cristalului, în scopul eliminării unei reacții optice de cuplaj între cei doi pereți de clivați care sunt semireflectorizanți, ai cristalului semiconductor.

Fasciculul optic emis printr-o fațetă laterală este necoerent și constă dintr-o emisie fotonică ce este amplificată printr-o singură trecere prin regiunea activă a joncțiunii. Din acest motiv diodele superluminiscente pot fi situate între diodele luminiscente cu emisie laterală și diodele laser cu geometrie de bandă.

Cu toate ca puterea emisa de LED este mică, iar divergența fascicolului este mare, acestea sunt larg utilizate datorită faptului că sunt ușor de construit, modulat și cu o bună fiabilitate. Sunt utilizate atât LED-uri cu emisie laterală cât și de suprafață (emisie frontală). Pentru a mări eficiența cuplării cu fibra optică se utilizează fie microlentile de cuplare, fie, din fabricație, se fixează o porțiune de fibră în apropierea suprafeței emisive.

Diodele electroluminiscente de mare radianță au o construcție apropiată de cea a diodelor laser, mai puțin cavitatea rezonantă. Pentru obținerea unei radianțe mari s-a restrâns aria emisivă la o suprafață foarte mică, sub aria miezului fibrei. Se mai numesc si emițătoare de tip Burns după numele celui care le-a realizat.

Din marea diversitate de tipuri de diode electroluminiscente în domeniul comunicațiilor optice se folosește un număr restrâns cu emisie în infraroșu. Fiind ușor de construit, ușor de modulat si cu fiabilitate buna aceste surse de radiație prezintă interes pentru comunicațiile optice în măsura în care puterea optică cuplată din fibră este acceptabilă. Ea este limitată din două considerente principale: pe de o parte puterea emisă de o diodă electroluminiscentă este mai mică decât cea a unui laser cu injecție, iar pe de altă parte eficiența cuplării este mică datorită divergenței fascicolului emis.

1.9. Schema bloc a unui sistem de comunicații optic

Modelul general al unui sistem de comunicații care utilizează lumina ca suport purtător este:

Fig. 1.17. Sistemul de comunicație optic

Informația analogică sau digitală furnizată de sursa de date este transpusă pe purtătoarea optică în blocul modulator. Blocul de emisie optică prelucrează semnalul modulat în vederea transmiterii sale pe canalul optic (colimare, adaptare).

Canalul optic poate fi mediul deschis (spațiul liber) sau ghidul optic. În afara comunicațiilor cosmice, de regulă se utilizează transmisia ghidată pe fibre optice (deoarece propagarea este independentă de condițiile de mediu).

La recepție, după prelucrarea optică în blocul de recepție optică (filtrare optică, focalizare, filtrare spațială, colimare, mixare cu oscilatorul local) semnalul optic ajunge la fotodetector, determinând apariția unui semnal electric, care este prelucrat ulterior electronic pentru extragerea informației utile.

1.10. Comunicațiile optice în domeniu militar

Comunicații optice sunt foarte importante în domeniu militar, în domeniu în care noile tehnologii electronice și informatice, încorporate în mijloace tehnice. De aceea comunicațiile optice devin mai complicate, pentru a asigura la nivel ridicat interdependența dintre știința modernă și sfera acțiunii militare.

Pe teatrul de luptă al viitorului forțele inamice vor fi localizate, urmărite și lovite în cât posibil simultan, datorită utilizării legăturilor informaționale, evaluării și procesării datelor și informațiilor prin calculator precum și controlul automat al focului. O dată cu apariția posibilității de a distruge ținta cu prima lovitură și datorită sistemului de urmărire în mod continuu inamicului, nevoia de forțe vii pe câmpul de luptă va fi redusă și mai puțin importantă. De aceea este așa de important introducere electronicii, informaticii și automaticii în domeniu militar.

Principalele caracteristici ale sistemelor informaționale sunt precizia de funcționare, capacitatea de rezoluție, stabilitatea la perturbații, viteza de lucru sau capacitatea de transmitere și raza de acțiune. În domeniu militar sistemele informaționale trebuie să îndeplinească și unele cerințe specifice, care sunt: funcționarea sistemului fără să se demaște, să nu poată fi descoperit, iar decodarea semnalelor transmise să nu poate fi ușor executată, să aibă greutate și volum redus, pentru transport ușor, să funcționeze în condiții grei, influențate de factori externi distructivi.

O caracteristică foarte importantă este stabilitatea la perturbații, ce reprezintă capacitatea sistemului de a-și menține valorile parametrilor funcționali în condițiile existenței și acțiunii perturbațiilor. Perturbațiile se suprapun peste semnalul util, care reprezintă mesajele, efectele acestei suprapuneri este apariția la ieșirea sistemului a unor semnale suplementare, inutile, ce pot defecta funcționarea normală a sistemului informațional. Pe măsura dezvoltării sistemului informațional, stabilitatea la perturbații reprezintă o importanță tot mai mare, pe de o parte datorită apariției numărului mare de surse de perturbații, iar pe de altă parte creșterea cerințelor față de calitatea sistemelor informaționale.

La rândul său, protecția la perturbații reprezintă un ansamblu de măsuri adoptate în scopul asigurării și funcționării normale a diferitelor dispozitivelor și sistemelor informaționale în medii cu poluare perturbativă de natura electromagnetică. Protecția la perturbații presupune, pe de o parte ridicarea imunității la perturbații a diferitelor echipamente electronice de calcul și automatizare, iar pe de altă parte reducerea emisiei a perturbațiilor de eventuali perturbatori.

Între alte domenii de vârf se află și cel al transmisiunilor cu ajutorul purtătoarelor optice cu performanțe deosebite, referitoare la stabilitatea la perturbații și interceptarea. Acest domeniu iese în evidență tot odată cu dezvoltarea celor mai noi tehnologii microelectronice, care sunt tot mai des utilizate în domeniile de natura militară și industrială. Fizionomia câmpului de luptă modern este prefăcută puternic de performanțele deosebite ale tuturor categorii de tehnică și armament militar utilizate în apărare. Acestea duc la complexitatea acțiunilor militare, care necesită introducerea și folosirea sistemelor de automatizare a conducerii trupelor pentru prelucrarea în timp, apropiat de cel real, a datelor, în scopul reducerii duratei operației de conducere, creșterii preciziei eficiența comenzii. Așa sisteme de conducere automatizate presupun cerințe specifice a sistemului de transmisiuni, fiind elementul esențial al sistemului informațional, referitoare la: viabilitate, capacitate de mascare, stabilitate, fiabilitate, interoperabilitate, operativitate, capacitate de reorganizare și etc. Echipamente de transmisiuni în domeniu militar reprezintă o sferă în care electronica și informatica au o importanță destul de mare. Modernizarea și perfecționarea în ritm rapid a echipamentelor și procedurilor informaționale, au adus la apariția teleinformaticii, adică sisteme informatice în timp real, utilizarea cărora permite controlarea unui anumit mediu prin primirea și emiterea informațiilor operaționale neinfluențate de timp(aproape timp real).

Dezvoltarea domeniului de transmisiuni a fost puternic impus în ultimii ani de posibilitatea de stocare, prelucrare și transmitere a unui volum imens de informații sub forma de date, datorită dinamicii mari a câmpului de luptă modern, care este caracterizat de transformări mari în scurtă perioadă de timp.

Ca urmare a acestei situații, în majoritatea țărilor au fost dezvoltate experimente și încercări de introducere a sistemelor optice în rețelele proprii de telecomunicații, astfel că, viitoarele dezvoltări în domeniu se vor realiza pe baza sistemelor optice. De altfel, numai sisteme optice oferă posibilitatea realizării practice a rețelei de servicii integrate de bandă largă, pe care se vor dezvolta în viitor rețelele de telecomunicații ale unor țări dezvoltate.