Dispozitive Semiconductoare cu Utilitate In Telecomunicatii

Dispozitive semiconductoare cu utilitate in telecomunicații

Propusă de Departamentul

Tehnologia Informației și Comunicații

Lucrare de Licență

la

Facultatea de Inginerie Electrică, Electronică și Tehnologia Informației

Universitatea VALAHIA din Târgoviște

Facultatea de Științe Inginerești

Universitatea Europei de Sud-Est Lumina

susținută de

Toader A.(Radu) Daniela

Specializarea – Tehnologii și Sisteme de Telecomunicatii

iulie 2016

SUPERVIZATĂ DE

Conf. Univ. Dr. ADRIAN BETERINGHE

Reproducerea se poate face doar cu permisiune din partea autorului

Toader A.(Radu) Daniela

AUTOR LUCRARE / AUTHOR OF THESIS

Inginer (B.Sc.)

GRAD / DEGREE

Inginerie Electronică și Telecomunicații

DOMENIU / DOMAINE

Dispozitive semiconductoare cu utilitate in telecomunicații

TITLUL LUCRĂRII / TITLE OF THESIS

Adrian BETERINGHE

COORDONATOR LUCRARE / THESIS SUPERVISOR

CO-SUPERVIZOR LUCRARE / THESIS CO-SUPERVISOR

EXAMINATORI LUCRARE / THESIS EXAMINERS

Nicolaeta ANGELESCU

Dinu COLȚUC

Henri-George COANDĂ

Florian ION

Gabriel PREDUȘCĂ

Henri – George COANDĂ

DECAN FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ / DEAN OF ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY

Reproducerea se poate face doar cu permisiune din partea autorului

Dispozitive semiconductoare cu utilitate in telecomunicații

Toader (Radu) Daniela

Abstract

Obiectivul acestei lucrari este de a înțelege fundamentele și aplicațiile dispozitivelor optoelectronice semiconductoare. Lucrarea începe cu introducerea în optoelectronică fundație, cunoaștere, proprietăți electronice ale semiconductoarelor și procese optice in semiconductori. Că vrem sau nu aceste dispozitive sunt pretudindeni și da ne influențează viața, cum ar fi diode emițătoare de lumină (LED-uri), lasere, fotodetectori și celule solare.În tehnica pe langa elemente semiconductoare sunt folosite si combinații semiconductoare ca: sulfurile, carburile si oxizii. Subiectele pe care le intenționeaz să le acopăr,vor fi materiale clasice dar nu foarte in profunzime.

Cuvinte cheie: semiconductoare, procese optice și Light Emitting Diode , ghiduri de undă optice și fotodetectori.

Abstract

The aim of this work is to understand the foundations of the applications and optoelectronic devices semiconductors. The work shall start with the introduction in Optoelectronics & Foundation, knowledge, electronic properties of semi-conductor products and processes optical drive in the solid state drive. That we want or not these devices are pretudindeni and give influence life, such as light emitting diodes (leds), lasguns, fotodetectori and solar cells.In the technique in addition to the semiconductor components are used and semiconductor combinations that: sulfurile, fused and nitrogen oxides. The subjects which they intentioneaz to cover shall be classical materials but not very in depth.

Key words: semiconductor products, processes optical and Light Emitting Diode , guides the wavelength optical and fotodetectori.

Thesis Supervisor: ADRIAN BETERINGHE

Assoc. Prof., Ph.D.,

Information Technology and Communications Department

Exact and Engineering Sciences Faculty

Lumina – The University of South-East Europe

Anexa 1

UNIVERSITATEA EUROPEI DE SUD-EST LUMINA

FACULTATEA DE ȘTIINȚE EXACTE ȘI INGINEREȘTI

Specializarea: Tehnologii și Sisteme de Telecomunicații Anul universitar 2015 – 2016

TEMA

proiectului de licență a absolventei

Toader A.(Radu) Daniela

Tipul proiectului:

Aplicativ

Domeniul: Inginerie electronică și telecomunicații

Implementabil in cadrul unei (unor) lucrări didactice

Domeniul: Inginerie electronică și telecomunicații

Fundamental

Domeniul: Inginerie electronică și telecomunicații

Tema proiectului:

Dispozitive semiconductoare cu utilitate in telecomunicații

Conținutul proiectului:

CAPITOLUL 1 – UNDE ELECTROMAGNETICE

1.1 Ecuațiile lui Maxwell – Câmp electromagnetic

1.1.1 Ecuațiile lui Maxwell.

1.1.2 Câmp electromagnetic; energia câmpului electromagnetic

1.2 Unda Eectromagnetică. Ecuația de Propagare. Proprietăți

1.2.1 Unde electromagnetice Ecuația de propagare

1.2.2 Spectrul undelor electromagnetice

1.2.3 Starea de polarizare a undelor electromagnetice

CAPITOLUL 2 – DISPOZITIVE OPTOELECTRONICE SEMICONDUCTOARE

2.1 Dispozitive receptoare de radiație electromagnetică

2.1.1 Noțiuni generale

2.1.2 Fotorezistori

2.1.3 Fotodiode (Fotoelemente)

2.1.4 Fototranzistori

2.1.5 Optocuploare

2.1.6 Fotodetectori mărimi caracteristice

2.2 Dispozitive de radiație electromagnetică emițătoare

2.2.1 Diode luminescente

2.2.2 Multiplexoare și demultiplexoare

2.2.3 Filtre în straturi subțiri

2.2.4 Rețele Bragg gravate în fibră

2.2.5 AWG

CAPITOLUL 3 – AMPLIFICATOARE OPTICE

3.1 Amplificatoare cu fibră dopată cu erbiu

3.1.1 Amplificatoare Raman

BIBLIOGRAFIE

Locul unde va fi implementat proiectul :

Laboratorul de Fizică – E334. – Universitatea Europei de Sud-Est LUMINA;

Bibliografie:

1.1 Crețu, E., Ș.A. – Calculul Și Construcția Aparaturii Optoelectronice, Ed. A.T.M., București, 2001.

1.2 Voiculescu E., Marita T., Optoelectronica,Ed. Albastra Cluj Napoca, 2001

1.3 Sporea D., Barca Galateanu, Circuiteoptoelectronice,Ed.Militara Bucuresti, 1986 Texas Instruments, Optoelectronics Designer's Catalog,Ti Co., Usa, 1993-2003

1.4 Feynman, Richard P., Leighton, Robert B., Sands, Matthew: The Feynman Lectures On Physics, New Millenium Edition, Vol. Ii, Basic Books, New York, 2010

1.5 Griffiths, David J, Introduction To Electrodynamics, Pearson Cummings, San Francisco, 2008.

DIRECTOR DEPARTAMENT

Conf. Univ. Dr. Adrian BETERINGHE

CONDUCATOR ȘTIINȚIFIC

Conf. Univ. Dr. Adrian BETERINGHE

Tema a fost data spre împlinire la data 04.02.2015

NUMELE si SEMNATURA STUDENTULUI

TOADER A.(RADU) Daniela

Listă figuri

Capitolul 1

Figura 1. 1 Undă Electromagnetică Reprezentare Grafică [A20],[A31] 14

Figura 1. 2 Unde Electromagnetice Spectrul [A20]. 15

Figura 1. 3 Spectrul Radiațiilor Electromagnetice Împărțit După Criteriul Lungimii De Undă În Câteva Domenii, De La Frecvențele Joase Spre Cele Înalte [A20],[A25]. 16

Figura 1. 4 Descompunerea Intensității Câmpului Electric Planul Transversal [A15] 18

Figura 1. 5 Curbă Descrisă De Vârful Vectorului În Timpul Propagării Proiecția În Planul (Xoy) [A17] [A18],[A24]. 19

Figura 1. 6 Undă Polarizată Liniar [A17] ,[A18], [A24]. 19

Figura 1. 7 Undă Polarizată Eliptic [A17],[A18],[A24] 20

Figura 1. 8 Undă Nepolarizată [A17], [A18],[A24]. 20

Figura 1. 9 undă Parțial Polarizată [A17],[A18],[A24]. 21

Capitolul 2

figura 2. 1 Structura Unui Fotorezistor [A1],[A2],[A3], 23

Figura 2. 2 A).Traductor Optic ; B).Detector Pentru Măsurarea Unor Mărimi Fotometrice [A17],[A31] 24

Figura 2. 3 Joncțiune P-N Fotosensibilă Caracteristica Curent-Tensiune[A31] 24

Figura 2. 4 A) Fototranzistor Simbol B) Fototranzistor Caracteristica [A17],[A31] 25

Figura 2. 5 Optocuplor Pus În Practică [A17],[A31] 26

Figura 2. 6 Optocuploare Tipuri Diferite [A17],[A31] 26

Figura 2. 7 Arăspunsul Spectral Al Unui Detector Termic Comparat Cu Un Fotodetector Ideal[A31] 27

Figura 2. 8 A Diagrama Benzi Energetice Joncțiune P-N , N Puternic Dopată; 29

Figura 2. 9 A) Heterostructură Dublă A Unei Led; Care Se Formează Între Doi Semiconductori Cu Lărgime A Benzii Interzise Diferită (Gaas Și Algaas); B) Diagramă Simplificată, Structura De Benzi Energetice; C) Polarizată Direct; D) Schemă A Fotonilor Care Sunt Emiși În Exteriorul Dispozitivului Și Nu Se Recombină În Stratul Algaas [A26],[A31]. 31

Figura 2. 10 Dioda Cu Algaas Spectrul De Emisie (Valori Normalizate Față De Maximul De Emisie La 25°C) [A17],[A18]. 32

capitolul 3

Figura 3. 1 Edfa Diagrama Bloc [A17]. 34

Figura 3. 2 Edfa Caracteristici [A17],[A31]. 34

Listă tabele

Capitolul 1

Tabel 1. 1 Sistemul Hewlwtt-Packard-Clasificare Unde Electromagnetice [A20] 17

Tabel 1. 2 Limita Dintre Radiația Infraroșie Și Microunde [A20] 17

Capitolul 2

tabel 2 . 1 Domeniul Spectral Semiconductori[A17],[A31] 28

Tabel 2 . 2 Semiconductori Materiale, Lungimile De Undă De Emisie, Câștiguri Externe Tipice. (I Bandă Interzisă Indirectă D , Bandă Interzisă Directă,)[A31]. 30

Introducere

Optoelectronica descrie fenomene și aplicații ce au drept consecință atât în electronica cât și în optica. Mai exact electroni și fotoni. Fără o diferență clară între termenii „optoelectronică” și „fotonică”,cel de al doilea termen privește aplicațiile și fenomenele care implică fotoni, fără a avea o legătură strânsă cu electronica[A1].

.Dispozitivele ce implementează aceste funcții sunt emițătoare de lumină, modulatoare, ghiduri de undă, conectoare, amplificatoare optice, comutatoare optice (legătură de rezervă), izolatoare optice (propagarea semnalului numai într-un singur sens, prevenind întoarcerea acestuia amplificat spre emițător), filtre optice (permit trecerea unei radiații luminoase de o anumită lungime de undă sau, dimpotrivă, blochează o alta), detectoare, multiplexoare și demultiplexoare, etc[A1], [A17], [A18].

Semiconductorii organici dispun de o greime moleculară .Aceștia includ atât molecule pentacene cât și moleculele polimerice. Cu diferite grade de ordine, pot fi realizate de la cristale unice la policristalin sau filme amorfe [A1]. Proprietățile depind de ordinea chimică și natura semiconductoare. Structura se modifică odată cu adăugarea de grupe finale sau laterale,conferind proprietăților varietate. Semiconductoarele organice sunt utilizate În număr mare diferite companii continuă să dezvolte prototipuri de ecrane variind de la simplu la alphanumeric Display-urile VGA, TFTs organice și polimeri.au fost propuse pentru aplicații de identificare RF.

A fost sugerată. utilizarea de tranzistori ca comutatoare de pixeli în ecranele cu matrice activă. Integrarea de tranzistori simpli și LED-uri a fost deja realizată. Din punct de vedere al conductivitatii electrice, materialele semiconductoare ocupa o pozitie intermediara intre materiale electroizolante.si conductoare.
Semiconductoarele alcatuiesc o clasa de substanțe numeroase si răspandite in natură.

Ca structură și proprietăți de semiconductor s-au descoperit pâna în prezent nouă elemente chimice borul,carbonul(diamantul), siliciul, germaniul, staniul cenușiu, fosforul, arsenul, seleniul și telurul.

Cele mai importante categorii funcționale ale Optoelectonicii sunt: prelucrarea informației; detecție și imagistică; emisie optică.

Cele mai importante aplicațiile ale optoelectronicii sunt: Domeniul Militar si Spațial Telecomunicații Optice, Tehnologia si Tratarea Informației.

Telecomunicațiile optice reprezintă una dintre aplicațiile cele mai importante ale optoelectronicii. Necesitatea de noi servicii face ca acest domeniu să avanseze permanent, având scopul dezvoltării unor rețele metropolitane și locale eficiente[A1], [A3].

Capitolul 1 – Unde electromagnetice

1.1 Ecuațiile lui Maxwell – Câmp electromagnetic

1.1.1 Ecuațiile lui Maxwell

Ecuațiile lui Maxwell întemeiază fundamentarea matematică a principiilor electrodinamicii clasice, teoria macroscopică a câmpului electromagnetic descriind fenomene magnetice și electrice, ele având forme atât locale cât și integrale[A4], [A5], [A16].

1)Legea inducției electromagnetice sau ecuația Maxwell-Faraday (1. 1) [A7],[A8]

2)Legea inducției magnetoelectrice sau ecuația Maxwell-Ampère

(1.2) [A7],[A8]

3)Fluxul electric- Legea lui Gauss

(1.3) [A7],[A8]

4)Fluxul magnetic-Legea lui Gauss

(1. 4) [A7],[A8]

Ecuații cărora li se asociază relațiile de material în medii liniare, izotrope și omogene:

(1. 5) [A7],[A8]

(1. 5) [A7],[A8]

unde este polarizarea electrică, este magnetizarea locală, e , m sensibilitate magnetică, și electrică a mediului, permeabilitatea magnetică, permitivitatea electrică, – intensitățile câmpului magnetic, respectiv electric și – inducția magnetică, respectiv electrică[A7], [A8]

adăugăm relațiile:

( 1.6) [A7],[A8]

1) ( 1.7) [A7],[A8]

În prima relație avem legea lui Ohm în forma locală fară surse de tensiune. În continuare putem vedea forma locală a legii Joule-Lenz, în care reprezintă conductivitatea electrică a mediului și j – densitatea de current.

Relațiile anterioare permit determinarea mărimilor care caracterizează câmpul electric[A8] și magnetic în funcție de condițiile inițiale, condițiile la limită (de frontieră) și de caracteristicile electrice și magnetice ale mediului considerat[A8], [A9].

1.1.2 Câmp electromagnetic; energia câmpului electromagnetic

Când un sistem de sarcini magnetice respectiv electrice, generează un câmp electric, variabil în timp și câmpurile se generează reciproc, de aici vine și denumirea de câmp electromagnetic. Aceste câmpuri variabile în timp se propagă din aproape în aproape prin vid sub formă periodică în spațiu și în timp, numit undă electromagnetică

Ecuațiile lui Maxwell[A7],[A8]se pot scrie sub forma:

(1. 8) [A7],[A8]

Relația de mai jos ne dă densitatea volumică de energie a câmpului electromagnetic: ( 1.10) [A7],[A8]

Energia câmpului electromagnetic dintr-un volum V, mărginit de suprafața fixă , este, în regim variabil (1. 9) [A7],[A8]

Viteza de variație în timp a energiei câmpului din volumul V:

Înlocuind expresiile în relația de mai sus: , & , rezultă:

(1.10) [A7],[A8]

întrucât ; j2 reprezintă densitatea volumică a puterii disipate prin efect Joule[A14] iar vectorul Poynting[A10] ce reprezintă densitatea fluxului de energie radiată (energia transportată pe direcția normală prin unitatea de suprafață a suprafeței , în unitatea de timp) [A9],[A10].

Posibil ca , rezultă: , adică:

( 1.11) [A7],[A8]

Relația de mai sus înfățișează forma locală a legii conservării energiei câmpului electromagnetic.

1.2 Unda Eectromagnetică. Ecuația de propagare. Proprietăți

1.2.1 Unde electromagnetice Ecuația de propagare

Sistemul pentru medii neutre – ecuațiile lui Maxwell ( = 0)[A18].

(1.12) [A7], [A14]

s-a aplicat operatorul rotor () în a treia ecuație de mai sus unde s-a folosit identitatea; , reiese:

Prin înlocuirea expresiilor lui din ecuațiile lui Maxwell (1.14), s-a arătat ca o consecință logică:

( 1.13) [A14]

De aceeași natură,

s-a înlocuit în relația mai sus exemplificată expresiile lui din ecuațiile lui Maxwell (2.14),de unde a reieșit:

(1.14) [A16]

Atunci când mediul este dielectric ( = 0), relațiile (1.15), respectiv (1.16) iau forma:

( 1.15) [A7], [A14]

s-a constatat că relațiile (1.17) sunt formal identice cu ecuația undei armonice plane[A7] ,, soluțiile au luat forma:

fie ,

descriem propagarea spațio-temporală a mărimii[A15] asupra căreia acționează operatorul

Aceste ecuații descriu propagarea câmpului electromagnetic în mediul caracterizat de și sub formă de unde electromagnetice[A10].

viteza de propagare a undei electromagnetice, v, s-a determinat din condiția:

( 1.16) [A10]

Viteza de propagare scrisă de forma:

:

, din care m/s, (1. 17) [A14]

reiese în vid, viteza de propagare a undei electromagnetice.

indicele de refracție al unui mediu oarecare se definește sub forma:

(1. 18) [A7]

Atunci când mediul devine diamagnetic (r = 1), expresia indicelui de refracție este:

(1. 19) [A7]

Soluțiile ecuației undelor pentru câmpurile și sunt:

sau ( 1.20) [A7 ]

sau ( 1.21) [ A7]

unde

( 1.22) [A7]

este vectorul de undă, versorul direcției de propagare [A18] a undei și  = vT = lungimea de undă a undei

2.2.2 Proprietățile undelor electromagnetice

Se dă funcția: .Enumerăm o parte mică din proprietățile acesteia:

se aplică operatorului spre funcția prin multiplicarea acesteia cu factorul

presupunând:

unde sunt versorii axelor Ox, Oy, respectiv Oz, atunci:

Deci, . Similar, se arătă că,

Soluțiile ecuațiilor lui Maxwell, și fiind de forma funcției , aceste ecuații, în cazul mediilor dielectrice și neutre, d ( 1.23) [A7]

(1. 24) [A7]

( 1.25) [A7]

( 1.26) [A7]

Analizând relațiile de mai sus, rezultă că vectorii , și sunt pe un plan unul peste celălalt,asfel formânduse un triedru ortogonal[A18] de unde și următoarele proprietăți ale undelor electromagnetice:

Undele electromagnetice se mai numesc și unde transversale (direcția de oscilație a vectorilor și este perpendiculară pe direcția de propagare, a vectorului de undă, ).

De exemplu, din relația (1.27) rezultă: , deci

( 1.27) [A7]

similar, din relația (1.28), se obține:

(1.28) [A7]

Mărimea: ( 1.29) [A7]

se numește impedanța mediului și are în vid valoarea

Vectorii și oscilează în fază.

Energia undei este împărțită în mod egal între componentele electrică și magnetică.

expresia (1.27) se trece în modul, astfel:

reiese că densitatea volumică de energie a câmpului electric și magnetic este în relația:

(1.30) [A7]

( 1.31) [A7]

Figura 1. Undă electromagnetică reprezentare grafică[A20], [A31]

Vectorul Poynting, , are direcția versorului al direcției de propagare, fapt ce rezultă din relația (1.29)

Se definește intensitatea undei electromagnetice ca fiind numeric egală cu energia electromagnetică ce străbate în unitatea de timp unitatea de suprafață perpendiculară pe direcția de propagare

( 1.32) [A7]

În continuare din relația (1.33), rezultă:

(1.33) [A7]

Mai sus aratăm semnificația fizică a vectorului Poynting, intensitatea undei electromagnetice fiind egală cu modulul acestuia.

Atunci când avem o undă armonică plană, , intensitatea undei are expresia:

, (valoarea instantanee) (1.34) valoarea medie .fiind:

( 1.35) [A7]

În cazuri particulare, având caracteristicile mediului,  putem rezolva ecuația de propagare.Astfel aflăm forma specifică a funcției de undă pentru mediul respectiv. De cele mai multe ori, pentru mediile cu structură complexă, soluțiile devin dificil de calculat, fiind necesară utilizarea unor metode numerice sau aproximative, pe calculator.

1.2.2 Spectrul undelor electromagnetice

Într-o clasificare des folosită, spectrul undelor electromagnetice este reprezentat într-o scară logaritmică în funcție de lungimea de undă, de frecvență și în paralel. prezentare Figura 1.2.

Unde radio[A20] cu lungimi de undă între 1 m (după unele clasificări, chiar la 30 cm) până la câțiva km și frecvențe între104 Hz și 0,3109 Hz (respectiv 109 Hz) sunt produse în instalații electronice, fiind utilizate într-o mai mare măsură în televiziune și radio.Acestea se subîmpart în patru categorii de unde alungi, medii, scurte și ultrascurte[A18], [A20].

Microundele suntem înconjurați de unde1 electromagnetice (radiații)1de diferite frecvențe sau lungimi de undă. Pe unele le percepem (spectrul vizibil, lumina, care este tot o formă de radiație), pe altele nu. O parte dintre acestea sunt din domeniul microundelor[A20], ocupă în spectrul electromagnetic domeniul de frecvențe cuprinse între 300 MHz (1 GHz, după alte clasificări) și 300 GHz, lungimea de undă corespunzătoare acestui interval de frecvențe variind între 1 m și 1 mm [A18]. Se subîmpart în trei categorii de unde : unde decimetrice, unde centimetrice și unde milimetrice[A1], [A18].

Microundele trec fără pierderi prin atmosfera umedă, ploaie, fum etc. Ceea ce permite, utilizarea lor printre alte domenii și în telecomunicații. Deopotrivă, ele trec prin ionosferă ( reflectănd unde radio).În acest fel devin utile și în comunicațiile prin sateliți sau în sisteme speciale, folosind fascicule laser, imagistica radiometrică pentru observarea suprafeței terestre din spațiul cosmic. Atât studiile teoretice și experimentale au dat dovadă de existența anumitor ferestre optime (35 GHz, 94 GHz și 140 GHz) pentru a obține maximul de eficacitate al unor astfel de sisteme[A18], [A20].

Figura 1. 3 Spectrul radiațiilor electromagnetice împărțit după criteriul lungimii de undă în câteva domenii, de la frecvențele joase spre cele înalte[A20], [A25]

Radiația infraroșie[A20] este folosită1pentru transmiterea de date fără fir pe distanțe scurte (de exemplu, telecomanda de la televizor folosește acestă radiație). Undele radio sunt folosite pentru transmiterea semnalelor de televiziune și pentru comunicații8prin satelit. Ultravioletele[A20] sunt undele electromagnetice2ce produc bronzarea pielii.Bronzarea pielii nefiind, deloc sănătoasă deoarece ultravioletele sunt nocive.Bronzarea4în sine este o reacție de apărare a organismulu. Cea mai importantă sursă naturală de ultraviolete este Soarele.

Radiația infraroșie[A20] are lungimi de undă cuprinse în domeniul3(10-3 ÷ 7,810-7) m, respectiv frecvența în domeniul (31011 ÷ 41014) Hz. Domeniul se subîmparte în: infraroșul îndepărtat5(10-3 ÷ 310-5) m, infraroșul mijlociu (310-5 ÷ 310-6) m și infraroșul apropiat (310-6 ÷ 7,810-7) m. Aceste radiații sunt generate ca urmare a vibrațiilor și rotațiilor moleculare de corpurile calde (radiație termică) dar domeniul infraroșu îndepărtat este în prezent accesibil și instalațiilor electronice care generează unde submilimetrice[A20].

Existența radiațiilor infraroșii a fost prezisă încă din 1660, de către Isaac Newton dar punerea în evidență pentru prima dată îi aparține descoperitorului planetei Uranus, William Herschel, în 1800, pe baza unor studii anterioare ale francezilor Armand Hipolyte, Luis Fizeau și Jean B. Foucault, iar primele aplicații în domeniul imaginilor în infraroșu au fost experimentate prin anii 1910 de către englezul Wood.

Vom aminti de Planck legea radiației[A25]:

(1.36) [A7]

care descrie dependența de temperatură a densității fluxului de radiație a corpului negru, w( T). Aceasta prezintă un maxim cu atât mai accentuat cu cât temperatura este mai ridicată. De unde, legea deplasării, a lui Wien:

maxT = constant

undemax este lungimea de undă. Maximul se regăsește la temperaturi obișnuite în domeniul infraroșu[A18].

De subliniat faptul căradiația termică[A20] prezintă un spectru continuu, ca urmare a numărului mare de oscilatori din ansamblul emițător, care oscilează cu energii distribuite conform legii de distribuție Boltzmann[A21], [22], [A23].

a)Radiația vizibilă (lumina) având în limitele (7,810–7 ÷ 3,810–7) m ,are un domeniu îngust al spectrului6electromagnetic.Aceste radiații sunt produse de dezexcitările moleculare și atomice [A20] .

b)Radiația ultravioletă este un domeniu cu în limitele (3,810–7÷610–10) m, este produsă de același tip de sursă ca și lumina.

c)Radiația X (Roentgen) este produsă la interacțiunea particulelor electrizate de energii mar1. Are un domeniu al lungimilor de undă în limitele

[ ] (10–9 ÷ 610–12) m .

d)Radiația  [A20] are lungimi de undă în domeniul (10–10 ÷ 10–14) m și este emisă de anumite reacții nucleare sau nucleele substanțelor radioactive.

Neexistând un standard unic de împărțire și clasificare a benzilor de unde electromagnetice,utilizat în telecomunicații, firma Hewlwtt-Packard folosește propriul sistem de clasificare:

Tabel 1. Sistemul Hewlwtt-Packard-clasificare Unde electromagnetice[A20]

Tabel 1. Limita dintre radiația infraroșie și microunde[A20]

Astfel spectrul electromagnetic poate fi împărți după cum urmează:

tipul corpuscular,3situat la frecvențe mari provenit din procese nucleare;

tipul ondulatoriu, situat la lungimi de undă mari, generate în instalații electronice;

domeniul optic are la bază procese molecuare și atomice cât și tehnicile experimentale comune.

1.2.3 Starea de polarizare a undelor electromagnetice

Dacă în timpul propagării undei planele de oscilație ale vectorilor și ai undei electromagnetice nu se modifică în timp, unda este o undă plană1 polarizată. Planul de oscilație al vectorului se numește plan de2vibrație, iar planul de oscilație al vectorului se numește plan de polarizare[A14], [A15].

Fie Oz direcția de propagare a undei electromagnetice. Vectorul luminos pendulează perpendicular pe direcția de propagare.

Proiecția acestui vector în planul xOy se poate descompune pe direcțiile Ox și Oy (Figura 1.4.), iar pendularea în aceste direcții provoacă defazaje între ele cu un unghi oarecare, . Atunci,

Ex = E0xcost ; Ey = E0ycos(t + ) ( 1.37) [A7]

unde E0x și E0y reprezintă amplitudinile componentelor vectorului pe direcțiile Ox, respectiv Oy.

Din relația (2.39) reiese:

ridicând relația la pătrat și regrupând termenii s-a obținut:

Rezultă:

(1. 38) [A7]

Din punct de vedere formal relația (1.40) reprezintă ecuația unei elipse[A24] Aceasta redă proiecția în planul (xOy) a curbei descrise de vârful vectorului[A17] în timpul propagării (Figura 1.5..). Elipsa este înscrisă într-un dreptunghi[A17], [A24] cu laturile paralele cu axele și lungimea egală cu 2E0x , respectiv 2E0y, axele elipsei fiind rotite cu unghiul față de axele de coordonate [A17], [A24].

Unda pentru care proiecția vârfului vectorului descrie o elipsă[A17], [A24] într-un plan perpendicular pe direcția de propagare se numește undă polarizată eliptic. Forma și orientarea elipsei depind de amplitudinile E0x și E0y și de defazajul dintre oscilațiile pe cele două axe, Ox și Oy.

Cazuri particulare

= 2m (m.= 0, 1 , 2 , 3 , ), sin = 0, cos = 1 și rezultă:

ecuația unei drepte din cadranele 1 și 3, de pantă . În cazul,de față avem o undă liniar polarizată (Figura 1. 6.).

= (2m + 1) (m = 0, 1 , 2 , 3 , ), sin = 0, cos = – 1 și s-a obținut: ,

ecuația unei drepte din cadranele 2 și 4, de pantă . Și în acest caz, avem tot o undă liniar polarizată (Figura 1.6, segmentul punctat).

(m = 0, 1 , 2 , 3 , ), sin = 1, cos = 0 și reiese: , ecuația unei elipse cu axele pe direcția axelor de coordonate (Figura 1.6). Dacă , unda este o undă polarizată eliptic drept iar dacă , unda este o undă polarizată eliptic stâng.

Din ecuația cercului E0x = E0y = E0 , se obține Ex2 + Ey2 = = E02 o undă circular polarizată.

Dacă vectorul al undei oscilează în mod egal pe toate direcțiile situate într-un plan perpendicular pe direcția de propagare, unda electromagnetică este o undă nepolarizată[A17], [A24].

Din interacțiunea luminii cu diferite sisteme optice se poate obține o undă parțial polarizată la care există o direcție de oscilație favorizată (1 – 1’), față de direcția perpendiculară (2 – 2’). Dacă I1 și I2 sunt intensitățile componentelor undei care se mișcă pe direcția (1 – 1’), similar (2 – 2’), se determină gradul de polarizare:

(1. 39) [A7]

Lumina naturală – emisă de Soare, surse incandescente, tuburi de descărcare în gaze – este nepolarizată. Atomii emit lumină un timp foarte scurt (10–8 s), la momente întâmplătoare. Ei pot fi etichetați drept dipoli oscilanți care emit o undă de durată finită , în care vectorul este paralel cu axa dipolulu. Atunci când un atom emite o undă elementară aceasta este o undă polarizată liniar. Sursele naturale conțin un număr ridicat de dipoli care emit trenuri de undă în mod haotic. Axele sunt orientate izotrop4în spațiu. Este evident că lumina naturală este o suprapunere de unde elementare emise de dipolii sursei[A17], [A24] și este deci nepolarizată.

Dacă P = 0, I1 = I2, lumina este nepolarizată, iar dacă P = 1, I2 = 0, lumina este total (liniar) polarizată; pentru 0 < P < 1 lumina este parțial polarizată.

Atenuarea în fibre preparate prin tehnici convenționale de topire este determinată de impuritățile metalelor tranziționale[A17], [A18], [A24].

Pierderile de absorbție rezultă atât din tranzițiile electronice în interiorul stratului d al acestor ioni (Co2+), cât și din tranzițiile cu transfer sarcină la alți ioni (Fe3+, Cr6+). În general, ele afectează un domeniu de lungimi de undă larg în vecinătatea lungimii de undă centrale. Impuritățile metalelor tranziționale din materialele inițiale folosite pentru fibrele trase din topitură sunt în concentrații tipice de ordinul a 1 ÷ 10 ppb, cauzând pierderi între 1 și 10 dB/km. Nivelul de impurificare al halogenurilor folosite în tehnicile de depunere din fază de vapori este de obicei de 1 sau 2 ordine de mărime mai scăzut[A17], [A18], [A24].

Prezența hidrogenului în SiO2 provoacă vibrații de încovoiere (1) și alungire (’3) ale grupărilor OH care sunt strâns legate în rețeaua SiO2. Ca rezultat, pierderile de absorbție la aceste rezonanțe ca și la combinații și armonici sunt mari.Spectrul pierderilor în fibre ce conțin între 10 și 1000 ppm de apă. În timp ce majoritatea rezonanțelor sunt foarte ascuțite, există ferestre înguste neafectate de absorbția grupărilor OH, la 1300 și 1500 nm, în condiția ca impuritățile de OH sunt reduse sub 100 ppb Transparența fibrelor de sticlă poate fi afectată de radiațiile[A17], [A18], [A24]. Radiația cosmică generează o expunere tipică de aproximativ 1 rad pe an. Instalațiile de comunicații pot astfel acumula 20 ÷ 40 rad în timpul vieții lor. S-a constatat că această doză dublează și chiar mai mult atenuarea unora dintre fibrele din germano-silicați cu pierderi mici la 820 nm. Efectul scade cu creșterea lungimii de undă. S-a constatat de asemenea că, după expunerea fibrelor din B2O3 dopat cu germano-silicat la radiație în pulsuri, cu doza de 3700 rad, acestea suferă creșteri catastrofale ale pierderilor, care însă scad substanțial după câteva secunde[A17], [A18], [A24].

Capitolul 2 – Dispozitive optoelectronice semiconductoare

2.1 Dispozitive receptoare de radiație electromagnetică

2.1.1 Noțiuni generale

Radiația electromagnetică, având un spectru foarte larg în prezent s-au dezvoltat detectori pentru toate domeniile spectrale. Criterii de clasificarea a detectorilor de radiații electromagnetice[A1], [A2].

După modul de procesare a informației primite cu ajutorul radiației,acestia pot fi :

detectori cu răspuns incoerent, în procesul de detecție aceștia pierd informația atât asupra fazei ,cât și radiației și frecvenței detectate;

detectori cu răspuns coerent, în procesul de detecție,aceștia păstrează informația asupra și frecvenței radiației detectate .

Clasificare a detectorilor mecanismului de interacție a radiației cu substanța.

detectori termici, unde radiația produce încălzirea materialului detectorulu. Categorii de detectori: detectorul piroelectric, detectorul piromagnetic, detectorul termoelectric termistorul, , bolometrulă [A1], [A2], [A3] etc.

detectori fotonici, unde electronii din material interacționează direct cu fotonii,astfel producându-se diferite efecte fotonice;

detectori pe bază de interacție de undă: primul ar fi detectorul heterodină, carexconvertește unda incidentă într-o alta, cu frecvență mai mică, în domeniul microunde ori radio și amplificatorul parametric în care sunt mixate două radiațiixcoerente rezultând o radiație cu frecvențaxegală cu adunarea sau săderea frecvențelor celor două radiații inițiale.

generare de purtători de neechilibru [A2] purtători de sarcină electrică liberi, de nechilibru, lund na’tere prin procese asemănătoare cu cele de generare termică. Acestor procese, produc două efecte : fotoconductivitatea intrinsecă sau extrinsecă și efectul fotovoltaic.

interacțiunea fotonilor incidenți cu purtătorii liberi

interacții localizate electronii sunt excitați pe stări energetice localizate. Procese care au loc în filmeafotografice,cluminofori și detectori cuanticibîn infraroșu.

2.1.2 Fotorezistori

Dispozitive semiconductoare care sub acțiunea radiațiilor electromagnetice incidente iși modifică rezistența electrică..Semiconductori intrinseci sau extrinseci satu la baza construcției lor Funcționarea e dată de Generarea optică care duce, la modificarea rezistenței sale și conductivității materialulu1.

În scurtcircuit, iluminat cu o radiațieaincidentă avândafluxul , fotorezistorul este străbătut de un curent[A1], [A2], [A3], [A17]:

Isc = e (2. 1) [A1]

a = (2. 2) [A1]

unde ℓ este distanța dintreaelectrozi și V este diferența de potențial dintre aceștia.

*modularea radiației incidente de unde și relația, curentului de scurtcircuit:

(2. 3) [A1]

unde este frecvența de modulare.

Ca și caracteristică este curba spectrală de răspuns[A1] R = R(), în funcție de ea stabilim domeniul de utilizare a respectivului dispozitiv. Similar, raportul  este o mărime caracteristică ce arată sensibilitatea dispozitivului la acțiunea radiației incidente.

Materialele folosite pentru construirea de fotorezistori sunt telurile,sulfurile și selenurile. Aplicația de bază este cea de convertor optoelectric.

2.1.3 Fotodiode (Fotoelemente)

Sub acțiunea radiației electromagnetice incidente, în semiconductor se generarează o parte a purtătorilor de neechilibru care, într-o joncțiune p-n cauzează ivirea unui curent suplimentar față de curentul de polarizare, numit fotocurent de intensitate IL, dată de expresia:

IL = (2. 4) [A31]

unde e este sarcina electrică elementară,  eficiența cuantică[A31] (numărul de purtători generați de un foton absorbit),  constanta Planck,  fluxul radiației incidente și frecvența care este , egală cu frecvența de prag sau mai mare[A17]. Condiționat de asta curentul electric total prin diodă are expresia:

(2. 5) [A31]

Se constata că, fără polarizare exterioară, V = 0 în scurtcircuitul prin diodă circulă fotocurentul egal cu curentul , I = IL. Astfel dispozitivul, posedă o joncțiune p – n sensibilă la radiația electromagnetică, și se numește fotodiodă[A17], [A31].

Fotodioda este folosită ca traductor optic în circuite electronice[A17], [A18], [A31] permițândui fluxului luminos comanda curentului electric din circuit. Mai poate fi utilizată și în circuite de măsurare a mărimilor fotometrice cum ar fi fotometre, luxmetre și exponometre[A17], [A31].În acest caz la bornele fotodiodei se leagă un galvanometru (Figura 2.2.b) ce măsoară direct fotocurentul proporțional cu iluminarea. Fotodiodă are puterea debitată mică.

Deoarece joncțiunea fotosensibilă este în circuit deschis (I = 0), remarcăm apariția tensiunii electromotoare, VL sub acțiunea radiației electromagnetice, la bornele acesteia :

(2. 6) [A31]

Sursa de tensiune electromotoare ce convertește direct energia luminoasă în energie electrică se numește celulă solară. Pentru o eficiență ridicată , suprafața de recepție a luminii unei celulei solare trebuie să fie cu mult mai mare decât cea a fotodiodei. Puterea debitată în general de o celulă solară este de ordinul a 10-2 W iar randamentul de conversie ajunge la 21% folosind GaAs, 18% folosind Si și 10 % pentru CdS.

Joncțiune p-n fotosensibilă caracteristica curent-tensiune[A17], [A31] este reprezentată în Figura 2.3, cadranul IV corespunde regimului de celulă solară.

.

a

Este necesar ca fotodiodele și fotoelementele să fie construite în capsule transparente. Construcția asigură ca o mare parte a fotonilor radiației incidente să poată ajunge în regiunea joncțiunii p – n.

Ca și caracteristici primare sunt: curentul la întuneric, banda de trecere și răspunsul.Acesta fiind dat de raportul dintre fotocurentul IL și puterea optică incidentă, P0. Fotocurentul maxim într-o fotodiodă este dat de:

IL max = (2. 7) [A31]

unde P0 reprezintă puterea optică incidentă.

Fotocurentul în prezența unei reflecții R la suprafața fotodiodei și a unei absorbții pe grosimea d în materialul cu un coeficient de absorbție  este dat de:

IL = (2. 8) [A31]

Atunci când perechile electron-gol fotogenerate se recombină în fotodiodă în loc să ajungă în regiunile unde acești purtători sunt majoritari fotocurentul este redus și mai mult.

2.1.4 Fototranzistori

Dispozitive bipolare, asemănătoare cu tranzistorii realizate din Si, Ge saun GaAs, a căror comandă se realizează pe cale optică, deccătre un flux luminos ce cade penregiunea baze.

Fototranzistorul își îndeplinește rolul cu baza în gol și este încorporat într-o capsulă prevăzută cu o fereastră care permite radiației incidente iluminarea bazei.

Simbolul fototranzistorului este specificat în Figura 2.4.a. Caracteristicile IC – VCE ale fototranzistorului sunt date în Figura 2.4.b. Curentul prin fototranzistor crește cu iluminarea, ca rezultat alagenerării de perechiaelectron-gol, ca urmare a energiei primite din exterior.

Datorită amplificării, acestea au o sensibilitate mai mare beneficiind de un curent de întuneric, > decât al unei fotodiode.

2.1.5 Optocuploare

Dispozitive concepute dintr-un fotoemițător, cuplat cu un fotoreceptor cu ajutorul unui mediu optic, ambele fiind montate în aceeași capsulă, având ca principal avantaj de separare electrică a circuitul de intrare față de cel de ieșire.

Optocuploarele cel mai frecvent utilizate sunt cele realizate dintr-o diodă

Electroluminescentă pe bază de GaAs și o fotodiodă cu Si,ce funcționează în domeniul 900 nm. Cu ajutorul diodelelor PIN în modul fotoconductiv se utilizează cele mai rapide optoizolatoare. Ca tehnologie, optoizolatoarele au scopul de izolare galvanică între două circuite (entry & exit). Cu ajutorul transformatoarelor electrice continuă tehnologia de izolare inductivă[A17], [A31].

Figura 2. 5 Optocuplor pus în practică[A17], [A31]

Figura 2. 6 Optocuploare tipuri diferite[A17], [A31]

2.1.6 Fotodetectori mărimi caracteristice

Randamentul cuantic intern al fotodetectorului[A31] reprezintă perechile de electron liber-gol fotogenerat de fotonul absorbit.

Randamentul cuantic extern al fotodetectorului[A31] se definește ca numărul perechilor electron liber-electron colectat pentru un foton incident.

Fotocurentul IL măsurat, este datorat fluxului de electron spre terminalele dispozitivulu. Numărul de electroni colectați pe secundă este IL/e. Dacă P0 este puterea optică incidentă, atunci numărul fotonilor incidenți în unitatea de timp pe dispozitiv este P0/h. Deci, randamentul cuantic extern η poate fi definit cu expresia:

 = (2. 12) [A31]

Răspunsul R descrie dependența semnalului (tensiune sau curent) la ieșirea detectorului de lungimea de frecvența a radiației incidente. El se exprimă prin raportarea fotocurentului la unitatea de putere radiantă incidentă pe intervalul unitar de lungime de frecvență. R depinde de randamentul cuantic extern și de lungimea de undă a radiației incidente.

R = (2. 13) [A31]

unde η este randamentul cuantic extern, care depinde de lungimea de undă λ a luminii incidente și  este frecvența acesteia. De aceea, răspunsul depinde clar de lungimea de frecvență. R mai este numit și sensibilitate radiantă sau răspuns spectral.

În Figura 2.7. sa prezentat răspunsul spectral termic ideal, respectiv detectorul fotonic. S-a constat că, răspunsul detectorului termic este constant în tot spectrul de radiație, nefiind dependent de lungimea de undă a radiației incidente. Răspunsul crește liniar cu lungimea de undă până la o lungime de undă de prag, 0, care scade la zero, peste acest prag nu mai este sensibil detectorul.

Puterea echivalentă de zgomot (NEP – Noise Equivalent Power), PN, depinde de aria detectorulu. PN este direct proporțional cu rădăcina pătrată a benzii de frecvență a detectorului,.

PN este puterea radiației incidente pe detector ce produce un semnal la ieșire egal cu semnalul de zgomot. detectivitatea reprezintă raportul semnal-zgomot pe intervalul unitar de frecvență:

,a (2. 14) [A31]

unde A, aria detectorului, B, lărgimea benzii de frecvență, P,puterea radiației incidente și (vs/vz) – raportul semnal-zgomot global al detectorulu.

timpul de răspuns, cu valori de ordinul 10-7 ÷ 10-10 s este caracteristica detectorului, el determină limita frecvenței de modulare a radiație. Se determină cu formula 0 care reprezintă frecvența de modulare a radiației, unde semnalul detectorului scade de 1,42 ori față de valoarea de la frecvența de modulare nulă[A31].

2.2 Dispozitive de radiație electromagnetică emițătoare

2.2.1 Diode luminescente

Dioda luminescentă se numește și LED.Principiul de funcționare constă în emiterea de radiație luminoasă sub acțiunea curentului electric. Dispozitivul este un led semiconductor unde joncțiunea p – n este polarizată direct cu tensiunea suficientă, pentru a excitarea electronilor din banda de valență, ca apoi, prin tranziția de pe nivelurile de impurități în banda de valență .Asfel se produce fenomenul de recombinare radiativă. Probabilitatea de producere fiind destul de mare (spre deosebire de recombinările neradiative). Pentru obținerea câștigului de energie și conversie a energiei electrice în energie luminoasă este nevoie de materiale semiconductoare eficiente. Din acestă categorie fac parte cele compuse, de tipul SiC și de tipul III-V, cum sunt GaAs, GaP [A17], [A31].Este necesar ca diferența dintre nivelurile energetice unde ale loc tranziția electronilor, valoarea să fie mai mare de 1,7 eV, pentru ca radiația emisă să fie în domeniul vizibil. Ca radiația emisă să fie în domeniul infraroșu ( = 920 nm), lărgimea benzii interzise a GaAs are valoarea de 1,43 eV. Ceea ce face în timp lărgimea benzii interzise a GaP de 2,1 eV. Astfel radiația emisă este în domeniul vizibil, verde ( = 560 nm). Prin realizarea unei soluții solide a celor două tipuri de material, se obțin culori diferite ale radiației, făcând ca lărgimea benzii interzise să depindă de proporția celor două materiale în soluție.[A17], [A31]. Câteva exemple sunt expuse în tabelul 2.1. Fred Schubert (2006)[A31], [A44], [A45].

Tabel 2 . 1 Domeniul spectral semiconductori[A17],[A31]

Cu toate că domeniul spectral de emisie al ledurilor este îngust, lumina emisă nu estetmonocromatică, lărgimea benzii emise este destul de mare. Parametrii electrici cei mai importanți ai ledurilor luminescente sunt:

* tensiunea de deschidereaa joncțiunii p-n polarizate direct (1,2 ÷ 3 V)

* curentultmaxim (10 ÷ 50 mA)

* tensiuneaxinversăxadmisă (3 ÷ 10 V)

Pentru a emite lumină,ledul trebuie polarizat direct, prin înserierea unui rezistor de limitare a curentulu1 )[A17], [A31], [A44], [A45].

Realizarea diode tipice cu joncțiune p-n, dintr-un material semiconductor cu bandă interzisă directă, (GaAs), este de fapt un led luminescent,unde recombinarea unei perechi electron-gol are ca și rezultat emisia unui foton. Energia corespunzătoare lărgimii benzii interzise, Eg este aproximativ egală cu energia fotonului emis h[A31].

Figura 2.8.a prezintă diagrama benzilor energetice pentru o joncțiune nepolarizată, unde zona n este mai puternic dopată decât zona p. Nivelul Fermi, EF, constant pe toată joncțiunea, rezultat al condiției de echilibru atunci când joncțiunea este nepolarizată. Stratul de baraj se mărește în mare parte în zona p. Apărând bariera de potențial, eV0, de la EC în zona n la EC în zona p, unde V0 este potențialul de contact, condiționat de câmpul electric din interiorul stratului de baraj. Difuzia electronilor din zona n în zona p este oprită de bariera de potențial[A31], [A44], [A45].

Prin aplicarea unei tensiuni de polarizare directă, V, potențialul de contact se reduce la V0 – V, ceea ce dă voie electronilor din zona n să emită în zona p. Aceștia fiind injectați în zona p, așa cum se vede în Figura 2.8.b. Componenta injecției de goluri din zona p în zona n este mult mai mică decât cea a injecției de electron[A17], [A18]. Recombinarea electronilor injectați[A31]în regiunea de sărăcire [A17], [A18] și în interiorul unui volum ce se extinde pe o lungime egală cu lungimea de difuzie în zona p a electronilor are ca efect emisia fotonilor. Numele de electroluminescență de injecție [A17],[A31] este dat de emisia luminii din recombinarea perechilor electron-gol ca urmare a injecției purtătorilor minoritari.

Tabel 2 . 2 Semiconductori materiale, lungimile de undă de emisie, câștiguri externe tipice. (I bandă interzisă indirectă D , bandă interzisă directă,)[A31].

Natura statistică face posibil procesul de recombinare dintre electroni și goluri, fotonii fiind emiși spontan în direcții aleatoare. Structura unei LED trebuie să permită fotonilor emiși ieșirea din dispozitiv fără a fi reabsorbiți de materialul semiconductor.

Randamentul extern, ext, al unei diode LED calculează eficiența conversiei energiei electrice în energie luminoasă emisă către exterior[A31]. Intrarea unui LED are puterea electrică ce este, dată de produsul dintre curentul ce trece prin diodă și tensiunea de polarizare a acesteia[A17], [A18]. Dacă Pout reprezintă puterea optică difuzată de dispozitiv, câștigul extern este Pout.Unele valori tipice sunt date în tabelul 2.2. Pentru semiconductorii cu bandă interzisă indirectă ext este mai mic decât 1%, pe când pentru semiconductorii cu bandă interzisă directă, cu o structură corectă, ext este aproximativ mai mare de 10%. Tabelul 2.2 arată diferite tipuri de LED cu domeniile tipice ale lungimilor de undă [A31], [A44], [A45].

Joncțiunea aflată între două semiconductoare cu lărgimea benzii interzisă diferită, portă numele de heterojoncțiune. Pentru a dobîndi o mărire a intensității luminii difuzate, LED-urile sunt construite în structuri cu duble heterojoncțiuni. Figura 2.9.a ne arată un dispozitiv cu heterostructură doublă, care este alcătuit din două joncțiuni aflat între materiale semiconductoare diferite, având lărgimea benzii interzise diferită. În această situație, semiconductorii sunt AlGaAs, cu Eg ≈ 2 eV și GaAs, cu Eg ≈ 1,4 eV. Dubla heterostructură din Figura 2.9.a are o heterojoncțiune între zona n-AlGaAs cu zona p-GaAs. Cea de a doua heterojoncțiune este formată între zona p-GaAs și zona p-AlGaAs. Zona p-GaAs are un strat subțire[A17], [A18], tipic o fracțiune de micron și este dopată slab[A31].

Diagrama structurii energetice simplificată a dispozitivului în lipsa tensiunii de polarizare este exemplificată în Figura 2.9.ab. Nivelul Fermi EF este continuu în întreaga structură. Bariera de potențial eV0 pentru electronii din zona BC n-AlGaAs difuziea acestora se opune în zona p-GaAs. Apare un salt ∆EC în valoarea lui EC la joncțiunea dintre zona p-GaAs și zona p-AlGaAs. Saltuk este o barieră de potențial ce împiedică trecerea oricărui electron din BC a zonei p-GaAs să migreze în BC a zonei p-AlGaAs[A31].

La aplicarea tensiunii de polarizare directă, partea cea mai mare a acesteia cade între zona n-AlGaAs și zona p-GaAs și scade bariera de potențial eV0, similar ca la joncțiunea p-n normală. Permițând electronilor din BC a zonei n-AlGaAs să fie injectați în BC a zonei p-GaAs (Figura 2.9.c). Acești electroni sunt colectați, în BC a zonei p-GaAs, existând o barieră de potențial[A31], [A17], [A18] ∆EC, între zonele p-GaAs și p-AlGaAs[A17], [A18]. Banda largă interzisă a straturilor p-AlGaAs se comportă ca straturi de izolare, limitând electronii injectați în stratul p-GaAs. Electronii recombinați injectați cu golurile deja prezente în acest strat-GaAs are ca efect emisie spontană de fotoni. Este numit strat activ p-GaAs, acesta este stratul în care este generată lumina.Llărgimea benzii interzise a AlGaAs este aproximativ mai mare decât a GaAs, fotonii difuzați nu vor fi reabsorbiți la ieșirea din stratul activ putând ajunge la suprafața dispozitivului[A17], [A18], [A31], [A44], [A45].

În zona activă spectrul radiației difuzate este stabilit de spectrul energetic al electronilor din BC și de cel al golurilor din BV. În ambele situații acesta este de ordinul 2kT , k fiind constanta Boltzmann și T temperatura absolută. Linia are lărgimea spectrală a emisiei corespunzând unui spectru energetic de un număr micde kT. Lărgimea liniei, ∆λ, odată cu creșterea temperaturii devine mai mare și maximul de emisie se deplasează spre lungimi de undă mai mari.Astfel lărgimea benzii interzise, Eg scade cu temperatura figura 2.10[A17], [A18], [A26], [A31].

2.2.2 Multiplexoare și demultiplexoare

Multiplexoarele au rolul de combinare a mai multor semnale de lungimi de undă diferite, de la mai multe surse laser. Fibra optică, transmite aceste semnale printr-un fascicul luminos. Demultiplexoarele separă fasciculul luminos incident în semnale de lungimi de undă individuale.Acestea fiind transmise spre detector.Se realizează cu ajutorul filtrelor și rețelelor de difracție. Folosinduse in principal trei tehnologii: filtre în straturi subțiri, rețele Bragg gravate în fibră (FBG) și Arrayed Waveguide Gratings (AWG)[A40].

2.2.3 Filtre în straturi subțiri

Cele mai răspândite filtre în sistemele DEMUX DWDM ,MUX cu număr redus de canale, bazânduse pe principiul interferenței produse datorită acoperirii în strat subțire, pe un substrat de sticlă.

În momentul de față, această tehnologie a ajuns la deplină dezvoltare și oferă o bună izolație între canale și stabilitate perfectă în temperatură. Însă, tipul acesta de filtre necesită modalități complexe de fabricație, când importanța numărului de canale devine necesară. Realizarea devine cvasi-imposibilă la un număr mai mare de 32 de canale[A17], [A18], [A41].

2.2.4 Rețele Bragg gravate în fibră

eliminarea anumitor lungimi de undă, altele traversând rețeaua cu un minim de atenuare și este realizată prin modificarea periodică a indicelui de refracție.

Prin expunerea fibrei la acțiunea unui puternic fascicul ultraviolet, numit fotoinscriptor este fabricată rețeaua de difracție[A17], [A18], [A41], [A42]. Această tehnologie care dea lungul miezului este gravata o rețea de difracție, provine din fibra monomod. Funcția de filtraj asigură

2.2.5 AWG

AWG fabricate pe un substrat semiconductor standard, sunt ghiduri de undă în siliciu sau în dioxid de siliciu. Incidența semnalului luminos este divizată de mai multe ori de un cuplor și fiecare semnal individual trecând prin ghidul de undă curbat[A17]. Fiecare ghid de undă are o lungime diferită de a celuilalt, ceea ce determină un timp de parcurs diferit în AWG[A18].

Întârzierea a luminii pe fiecare ghid de undă poate provoaca interferențe și structuri de difracție în conectorul de la ieșire. În final, semnalele fiecărei lungimi de undă circulă separat din conectorul de la ieșire.

AWG este capabil să separe un număr foarte mare de semnale, de lungimi de undă diferite și sunt folosite în sisteme DWDM care acaparează o mare densitate de canale.Acessta fiind marele avantaj al AWG.

Capitolul 3 – Amplificatoare optice

Se cunosc mai multe tipuri de amplificatoare cum ar fi: EDFA, amplificatoare Raman (amplifică activ pe toată distanța fibrei), laseri de pompaj, EDWA, SOA etc.

3.1 Amplificatoare cu fibră dopată cu erbiu

Modulele amplificatoare cu fibră dopată cu erbiu EDFA amplifică semnale luminoase dintr-o fibră optică[A31]. Semnalul luminos primit la intrare de amplitudine mică pe care îl amplifică respectând domeniul optic al acestuia. EDFA (module) folosește laseri de pompaj pentru excitația unui material dopat cu erbiu, existând chiar în fibră.Acesta restituie energia de pompaj, amplificând intensitatea semnalului luminos prezent în aceaste sisteme EDFA[A17].Sunt constituite din mai multe platforme de tratare a semnalelor, incluzând sisteme de compensare în dispersie, de atenuare variabilă, de egalizare a amplificării[A31].

Tabel 3 . 1 Benzile energetice ale erbiului și tranzițiile care pot avea loc între acestea

[A17], [A18]

EDFA amplificator optic, folosit în creșterea de intensitate a semnalelor optice transportate prin fibra optică în sistemele de comunicații. Este alcătuit dintr-o fibră al cărui miez este dopat cu ioni de erbiu și funcționează pe baza fenomenului de emisie crescută[A31]. Lucrează în banda C (1530-1560 nm) și L (1570-1610 nm)[A18]. Erbiul este utilizat, acesta având câteva proprietăți importante, care îl fac să constituie o excelentă alegere pentru un amplificator optic. Ionii de erbiu (Er3+) au niveluri cuantice ce dau voie stimulării pentru emisia în banda de 1540 nm. Aceasta fiind banda cu pierderile de putere cele mai mici în aproximativ toate fibrele pe bază de oxid de siliciu. Excitarea este permisă de nivelurile cuantice ale erbiului cu un semnal optic atât la 980 nm, cât și la 1480 nm, ambele fiind transmise prin fibra optică pe bază de oxid de siliciu ne mai existând pierderi mari[A18].

Funcționarea amplificatorului optic cu fibră dopată cu erbiu poate fi înțeleasă foarte ușor, pe baza analizei schemei din ( Figura 3.1).

Figura 3. 1 EDFA diagrama bloc[A17]

În Figura 3.2 este înfățișat EDFA diagrama bloc , iar în Figura 3.3, EDFA caracteristicile principalele, zgomotul și amplificarea în banda de lucru a amplificatorului[A17]

Figura 3. 2 EDFA caracteristici[A17], [A31]

Avantajele EDFA sunt: amplificare mare, lipsa distorsiunilor la fluxuri de date mari [ ],independența vitezei de transmisie, indiferenta la starea de polarizare a luminii, zgomot redus (4,5 ÷ 6dB), disponibilitate comercială în banda C și banda L, nu necesită electronică de viteză mare, amplificarea concomitentă a semnalelor multiplexate prin divizarea lungimii de undă, rezistență la încrucișarea între canalele de multiplexare[A17],[A31].

3.1.1 Amplificatoare Raman

Amplificatoarele Raman sunt active pe distante de pana la 10 km, lucru ce le deosebestepe de amplificatoarele de tip EDFA, care nu sunt active decât pe câțiva metri în jurul dispozitivulu. Acestea necesită utilizarea de componente de tip FBG[A17],cuploare,izolatoare, sau alte componente pasive pentru modulele amplificatoare.

Bibliografie

Crețu E., Ș.A. – Calculul Și Construcția Aparaturii Optoelectronice, Ed. A.T.M., București, 2001.

Voiculescu E., Marita T., Optoelectronica,Ed. Albastra Cluj Napoca, 2001

Sporea D., Barca G., Circuiteoptoelectronice,Ed.Militara Bucuresti, 1986

Feynman R P., Leighton, R. B.; Sands, M: The Feynman Lectures On Physics, New Millenium Edition, Vol. Ii, Basic Books, New York, 2010

Jackson, John David: Classical Electrodynamics, Ed. 3-A, Wiley, New York, 1998.

The Scientific Papers Of James Clerk Maxwell, Ed. W.D. Niven, Vol. I, Cambridge University Press, 1890, P. 500.

Novacu, Valeriu: Electrodinamica, Editura Didactică Si Pedagogică, București, 1966.

Griffiths, David J.: Introduction To Electrodynamics, Pearson Cummings, San Francisco, 2008

A4 Stratton, Julius Adams: Electromagnetic Theory, Mcgraw-Hill, New York, 1941

Richter, Felix; Florian, Matthias; Henneberger, Klaus (2008). "Poynting Teorema Lui Și Conservarea Energiei În Propagarea Luminii În Mărginite Media" Europhysics Letters Asociația 81 (6):. 67005. Arxiv : 0710.0515 . Bibcode : 2008el ….. 8167005r . Doi : 10.1209 / 0295-5075 / 81 / 67005 .

S. V. Vonsovski, Teoria Modernă A Magnetismului, Editura Tehnică, 1956

Al. Anghel, Magnetismul Metalelor – Metode Si Modele Editura Dacia, 1986

M. Crisan, Al. Anghel Tranzitii De Faza Si Fenomene Critice Editura Dacia, 1983

V. V. Sîcev, Sisteme Termodinamice Complexe, Editura Știițifică Și Enciclopedică, București, 1982

Wang, C. (2015). "Puterea De Flux Electromagnetic, Principiul Lui Fermat, Și Teoria Specială A Relativității" Optik 126 (20):. 2703. Doi : 10.1016 / J.Ijleo.2015.06.053

Griffiths, David J. (2012). Introducere În Electrodinamică (3rd Ed.). Boston:. Addison-Wesley

Http://Documents.Tips/Documents/Dispozitive-Si-Sisteme-Optoelectronice-Semiconductoare.Html

Http://Documents.Tips/Documents/Op-To-Electronic-A-5584641ce03e7.Html

Http://Biblioteca.Regielive.Ro/Cursuri/Electronica/Optoelectronica-277796.Html

Hecht, Eugene (1987). Optics (Ed. 2nd). Addison Wesley. Pp. 15–16.

Gregory H. Wannier: Statistical Physics, Dover Publications, 1987.

.

L. Boltzmann:Vorlesungen Über Gastheorie, Ii. Theil, Verlag Johann Ambrosius Barth, Leipzig, 1898. E-Book

Weisstein, E. W. "Ellipsoid." From Mathworld–A Wolfram Web Resource. Http://Mathworld.Wolfram.Com/Ellipsoid.Html

Emil Luca,Gheorghe Zet,Corneliu Ciubotariu,Anastasia Paduraru,Fizica Generala,Editura Didactica Si Pedagogica,Bucuresti-1981 (Cap.6)

S. Ananthi (2006). A Text Book Of Medical Instruments. New Age International.

Christophe Basso (2009). Dealing With Low-Current Optocouplers. Energy Efficiency And Technology, September 1, 2009. Retrieved November 2, 2010.

Ashok B. (2000). Mems-Based Magnetic Coils Exceed The Limitation Of Optical Couplers. Electronic Design, July 24, 2000. Retrieved November 4, 2010.

Geoffrey Bottrill, Derek Cheyne, G. Vijayaraghavan (2005). Practical Electrical Equipment And Installations In Hazardous Areas. Newnes. Alexander Jaus (2005). Navigating The Regulatory Maze With Optocouplers. Power Electronics Technology, May 2005, Pp. 48–52.

Jeremy Seah Eng Lee, Alexander Jaus, Patrick Sullivan, Chua Teck Bee (2005). Building A Safe And Robust Industrial System With Avago Technologies Optocouplers. Avago Technologies. Retrieved November 2, 2010. Perkinelmer (2001). Photoconductive Cells And Analog Optoisolators (Vactrols). Retrieved November 2, 2010.

Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press.N. Drăgulănescu, Agenda Radioelectronistului, Editura Tehnică, București, 1989

Mihai P Dinca, Electronica Manualul Studentului Vol.1 Si Vol. 2, Editura Universitatii Din Bucuresti, 2003, Http://Www.Unibuc.Ro/Prof/Dinca_M/Mihai .P.Dinca E. ManuStud/

Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer, Digital Systems?Priciples And Applications,8th. Edition, Prentice Hall, 2001

Dean, Tamara (2010). Network + Ghid Pentru Rețele . Delmar. Pp. 82-85.

Debashis, De (2010). Electronică De Bază . Dorling Kindersley. P. 557.

Lipták, Béla (2002). Manualul De Inginerie Instrument " , Software – Ul De Proces Și Rețele Digitale . Crc Press. P. 343.

Harris, David (2007). Digital Design Si Arhitectura Calculatoarelor . Penrose. P. 79.

Crowe, John Si Barrie Hayes-Gill (1998) Introducere În Digital Electronics Pag. 111-113

Donald E. Lancaster (1975). Ttl Carte De Bucate. Howard W. Sams & Co. Pp. 140-143.

G.I.Rusu, Semiconductori Organici, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1982.

G. Cristea, Introducere În Fizica Semiconductorilor, Ed. Presa Universitara Clujeană, 2001

H. Meier, Organic Semiconductors, Verlag Chemie, Gmbh, D-694,Weinhheim, 1974

W. Brütting (Ed.), Physics Of Organic Semiconductors, Wiley-Vch

Verlag Gmbh & Co. Kgaa, 2005.

E. P. Ciucescu, Știința Și Ingineria Materialelor, Edp, București, 2006

Jia-Miing Liu, Dispozitive Fotonice, Cambridge University Press Ref: Bhattacharya, Semiconductor Optoelectronic Devices, 2nd Ed, Prentice Hall.

Frank a wohlrabe, Ghid practic în infraroșu: control de la distanță, telemetrie, tahometru , Publitronic, 29 mai 2002

Libero Zuppiroli si Daniel Schlaepfer lumini ale viitorului , și universitatea politehnică prese romandes, 2011

.