Introducere In Optoelectronica

INTRODUCERE ÎN OPTOELECTRONICĂ

ʺOptoelectronica este o ramură a electronicii care se ocupă de producerea, măsurarea și folosirea radiației electromagnetice din domeniul optic, precum și de conversia acestei radiații în semnal electricʺ [Wikipedia].

Optoelectronica reprezintă un domeniu interdisciplinar al științei și tehnologiei de optică și electronică, având ca obiectiv studierea și realizarea de Dispozitive Opto-Electronice (DOE), care se bazează pe [54]:

Interacția Radiației/Undei Electro-Magnetice (REM/UEM) din Spectru Optic Restrâns/Extins (SOR/SOE) cu diferite Medii Fizice (MF),

Proiectarea de circuite și implementarea de aplicații optoelectronice (în care se utilizează o gamă largă de DOE).

1.1. GENERALITĂȚI

Optoelectronica este o disciplina dinamică ce descrie fenomene și aplicații din electronică și optică, adică electroni și fotoni, ce cunoaște o continuă dezvoltare, în special datorită dezvoltării rapide a rețelelor de telecomunicații optice, aparaturii de redare-înregistrare CD și DVD, monitoare și dispozitive de afișare, dispozitive în IR (infraroșu), camere digitale etc. [55].

Principalele categorii funcționale din optoelectronică vizează:

Generarea luminii,

Modularea luminii,

Transmisia luminii și conectarea între diverse dispozitive,

Amplificarea luminii,

Comutarea luminii,

Izolarea luminii,

Filtrarea luminii,

Multiplexarea și demultiplexarea în lungime de undă a luminii,

Detecția luminii.

Dispozitivele ce implementează funcțiile prezentate mai sus sunt următoarele:

– Emițătoare (surse) de lumină,

– Modulatoare (modulează lumina conform informației codate, aplicate la terminalul de intrare electrică),

– Ghiduri de lumină,

– Conectoare (asigură cuplarea între diferite medii de propagare a luminii sau alte dispozitive și componente în mod eficient și sigur),

– Amplificatoare optice (amplifică semnalul optic atenuat de propagarea sa prin mediul de transmitere),

– Izolatoare optice (propagarea semnalului într-un singur sens, prevenind întoarcerea semnalului amplificat spre emițător),

– Filtre optice (permit trecerea unei radiații luminoase de o anumită lungime de undă, sau blocarea trecerii sale),

– Multiplexoare și demultiplexoare,

– Detectoare etc.

Conceptele de bază din cadrul optoelectronicii sunt variate și complexe, dintre care amintim următoarele:

• Conceptul REM – se referă la fluctuațiile sarcinilor electrice din atomii diverselor materiale (considerate cu rol MF) și care induc fluxuri de fotoni cu diferite valori de energie.

• Conceptul UEM – se referă la propagarea în timp și spațiu a unei perturbații electromagnetice (sau câmp electromagnetic) prin diferite MF, generată de oscilația unei sarcini electrice.

• Conceptul de absorbție a REM în diferite MF – se referă la excitarea cu fotoni a electronilor de pe nivelurile inferioare pe cele superioare de energie, prin absorbția acestora în anumite condiții de lucru.

• Conceptul de emisie a REM din diferite MF – se referă la generarea de fotoni prin tranziții radiative a electronilor de pe nivele superioare pe cele inferioare de energie, în anumite condiții de lucru.

• Conceptul de interacțiune a UEM din diferite MF – se referă la modificarea controlată a proprietăților și caracteristicilor de bază, prin următoarele procese fizice: reflexie, refracție, atenuarea intensității, difuzie, dispersie, difracție, interferență, polarizare și birefrigență.

• Conceptul de lumină (light), văzut prin dualismul incorporat (lumina văzută ca undă electromagnetică, respectiv lumina văzută ca particule de tip foton) – se referă atât la UEM cu diferite game pentru lungimi de undă din SOR, cât și la REM din spectrul vizibil̸optic, cu anumite nivele de energie ale fotonilor implicați. În practică se operează cu conceptul de lumină monocromatică și cu conceptul de lumină albă.

• Conceptul de întuneric (dark) – se refera prin contrast cu conceptul de lumină la REM̸UEM din afara spectrului vizibil̸optic.

• Conceptul de CEM (Câmp Electro-Magnetic) – se referă la a formă combinată de câmp electric și de câmp magnetic transversal.

• Conceptul de MF – se referă la materialele̸mediile caracterizate prin următoarele mărimi de stare: densitate de curent, polarizare temporară, magnetizare temporală, etc. Proprietățile optice ale fiecărui MF se definesc prin interacțiunile specifice ala acestuia cu lumina. În optoelectronică avem următoarele clase de MF:

• MF de tip izotropic (Ex: gaze – inclusiv aerul, sticle, minerale care cristalizează în sistem izometric, inclusiv cele mai multe lichide și solide amorfe), la care indicele de refracție (n) nu depinde de direcția de propagare a luminii (adică, n = constant – cu o singură valoare pentru fiecare lungime de undă din SOR/SOE și viteza luminii cMF = constantă pe oricare direcție de propagare în MF);

• MF de tip anizotropic, (Ex: MF uniaxiale, ca minerale care cristalizează în sisteme tetragonale și hexagonale – inclusiv unele materiale plastice, caracterizate prin 2 indici de refracție cu două valori extreme pentru fiecare lungime de undă din SOR/SOE; MF biaxiale, ca minerale care cristalizează în sisteme monoclinice, triclinice și ortorombice – inclusiv unele materiale plastice, caracterizate prin 3 indici de refracție cu două valori extreme pentru fiecare lungime de undă din SOR/SOE), la care indicele de refracție depinde de direcția de propagare a luminii (adică, n ≠ constant pentru fiecare lungime de undă din SOR/SOE), viteza luminii cMF ≠ constantă pe fiecare direcție de propagare a luminii în MF și parametrii de material se exprimă prin diferite componente tensoriale;

• MF de tip nedispersiv, la care viteza luminii nu depinde de lungimea de undă/frecvența asociată REM din SOR/SOE.

1.2. ECUAȚII ALE UNDELOR

Legile de bază ale câmpului electromagnetic în teoria clasică sunt reprezentate de ecuațiile lui Maxwell. Ele leagă vectorii E, D, B și H, ce reprezintă câmpul electromagnetic, de sursele sale și de caracteristicile mediului unde se află câmpul magnetic. În cazul de față, vom considera lumina ca undă electromagnetică [54, 55].

Fig. 1.1. Unda electromagnetică

Ecuațiile lui Maxwell într-un mediu material sunt următoarele:

Prima ecuație a lui Maxwell sau legea lui Gauss sub formă locală:

(1.1)

Legea inducției electromagnetice reprezintă forma diferențială a ecuației a doua a lui Maxwell:

(1.2)

Legea fluxului magnetic reprezintă forma diferențială a ecuației a treia a lui Maxwell:

(1.3)

Legea lui Ampere sau a patra ecuație a lui Maxwell:

(1.4)

Ecuația Maxwell-Faraday a inducției:

(1.5)

Unde: E – intensitatea câmpului electric, B – inductanța magnetică, D – inductanța electrică, H- intensitatea câmpului magnetic, ρ – densitatea sarcinii electrice, J – densitatea de curent.

Ecuații constitutive (de material):

(1.6)

Unde: ε – permitivitate, μ – permeabilitate, σ – conductivitate electrică:

În vid: , ;

.

1.2. PROPAGAREA UNDELOR

Propagarea undelor electromagnetice cu variația armonică în timp:

; (1.7)

Simplificarea ec. lui Maxwell:

(1.8)

Ecuațiile Helmholtz sau ecuațiile de propagare:

(1.9)

, unde γ este constanta de propagare.

Soluția ecuațiilor de propagare:

Fig. 2.1 Propagarea undelor electromagnetice Fig. 3.1. Polarizarea circulară a undelor

Câmp electric după direcția Oy, propagarea după direcția Oz:

(1.10)

(1.11)

Există numai unda progresivă

(1.12)

Câmp armonic:

(1.13)

Unde: A este amplitudinea, este atenuarea, iar este propagarea (variația în timp și spațiu).

Parametrii de propagare:

(1.14)

(1.15)

Mediu fără pierderi σ = 0,

Impedanța intrinsecă a mediului

(1.16)

punctele de fază constantă: (1.17)

Viteza de fază (viteza cu care circulă energia)

(1.18)

Viteza de grup (viteza cu care circulă informația)

(1.19)

Fig. 4.1. Viteza de fază și de grup

In vid: ; ;

periodicitatea în spațiu; periodicitatea în timp

În mediu dispersiv:

; indice de refracție al mediului

; ;

Dispersia:

În medii dispersive β=β(ω), n=n(ω),

[s̸ m] (1.20)

[s̸m2)]

Dispersia se exprima de obicei in ps/nm/km si permite găsirea întârzierilor apărute intre moduri (lățirea impulsurilor) pentru o anumita lățime spectrală și o anumită distanță parcursă:

(1.21)