1. Dispozitive optoelectronice semiconductoare

1.1. Dispozitive receptoare de radiaţie electromagnetică1.1.1. Noţiuni generale

În ciuda spectrului foarte larg al radiaţiei electromagnetice, în prezent s-au pus la punct detectori pentru toate domeniile spectrale, funcţionarea acestora fiind însă foarte specializată, pentru un anumit domeniu, ca urmare a caracteristicilor specifice de interacţiune dintre un anumit tip de radiaţie electromagnetică şi substanţă.

Detectorii de radiaţii electromagnetice se pot clasifica după mai multe criterii.Astfel, după modul în care este procesată informaţia primită prin intermediul radiaţiei,

detectorii sunt de două feluri: detectori cu răspuns incoerent, la care, în procesul de detecţie se pierde informaţia asupra

fazei şi frecvenţei radiaţiei detectate; detectori cu răspuns coerent, la care, în procesul de detecţie, informaţia asupra fazei şi

frecvenţei radiaţiei detectate se păstrează.Un alt criteriu de clasificare este cel al mecanismului de interacţie a radiaţiei cu

substanţa, conform căruia detectorii se clasifică în: detectori fotonici, în care fotonii interacţionează direct cu electronii din material,

producându-se diferite efecte fotonice; detectori termici, în care radiaţia produce încălzirea materialului detectorului; din această

categorie fac parte termistorul, bolometrul, detectorul piroelectric, detectorul termoelectric, detectorul piromagnetic şi altele;

detectori pe bază de interacţie de undă; din această categorie fac parte detectorul heterodină, care, funcţionând pe principiul heterodinării converteşte unda incidentă într-o alta, cu frecvenţă mai joasă, în domeniul radio sau microunde şi amplificatorul parametric în care sunt mixate două radiaţii coerente, rezultând o radiaţie cu frecvenţa egală cu suma sau diferenţa frecvenţelor celor două radiaţii iniţiale.

Primele două categorii sunt detectori cu răspuns incoerent, în timp ce a treia categorie reprezintă detectori cu răspuns coerent.

În ceea ce priveşte efectele fotonice, pe baza cărora funcţionează prima categorie de detectori, ele constau în interacţiuni directe ale radiaţiei (fotonilor) cu electronii materialului, ele putând fi interne, când electronii excitaţi rămân in interiorul materialului sau externe, când aceştia sunt emişi în exterior.

Efectele fotonice interne, care pot avea loc în semiconductori, se pot clasifica, la rândul lor, în trei categorii: generare de purtători de neechilibru, caz în care pot fi generaţi purtători de sarcină

electrică liberi, de nechilibru, prin procese asemănătoare cu cele de generare termică. Ca urmare a acestor procese, se produc două efecte care sunt: fotoconductivitatea intrinsecă sau extrinsecă (creşterea conductivităţii sub acţiunea radiaţiilor) şi efectul fotovoltaic (apariţia unei tensiuni fotoelectrice datorită unui câmp electric intern care separă perechile de electron-gol generate de radiaţie)

interacţiunea fotonilor incidenţi cu purtătorii liberi interacţii localizate (sub acţiunea radiaţiei incidente, electronii sunt excitaţi pe stări

energetice localizate), aşa cum este cazul proceselor care au loc în luminofori, filme fotografice şi detectori cuantici în infraroşu.

1.1.2. FotorezistoriFotorezistorul este un dispozitiv semiconductor a cărui rezistenţă electrică se modifică

sub acţiunea radiaţiei electromagnetice incidente. El poate fi construit din semiconductor intrinsec sau extrinsec şi funcţionează pe baza fenomenului de generare optică ce duce, aşa cum s-a văzut, la modificarea conductivităţii materialului şi deci a rezistenţei sale. Structura unui astfel de dispozitiv este prezentată în figura 2.2.

Fig. 6. 1 – Structura unui fotorezistor

În scurtcircuit, iluminat cu o radiaţie incidentă având fluxul , fotorezistorul este străbătut de un curent:

Isc = eAa (6. 1)unde A este aria suprafeţei fotorezistorului, randamentul cuantic, fluxul de radiaţie incidentă. şi a coeficientul de amplificare al fotorezistorului. Acesta din urmă, se defineşte ca raportul dintre numărul purtătorilor de sarcină electrică liberi din circuitul exterior şi cel al purtătorilor generaţi de radiaţie sau ca raportul dintre timpul de viaţă, , al purtătorilor (majoritari) şi timpul de tranzit, tT al acestora între electrozii fotorezistorului:

a = (6. 2)unde ℓ este distanţa dintre electrozi şi V este diferenţa de potenţial dintre aceştia.

Pentru cazul când radiaţia incidentă este modulată, curentul de scurtcircuit este dat de relaţia:

I sc ( ν )=I sc (0 )

√1+4 π2ν2 τ2(6. 3)

unde este frecvenţa de modulare.

Frecvenţa 0 = 1/2 , la care curentul de scurtcircuit scade de ori din valoarea Isc(0) reprezintă frecvenţa de tăiere a fotorezistorului.

Se poate constata că produsul 0 este o constantă a dispozitivului pentru o tensiune de polarizare dată, ceea ce înseamnă că, la creşterea coeficientului de amplificare, scade frecvenţa de tăiere şi invers.

O caracteristică foarte importantă a unui fotorezistor este curba spectrală de răspuns, R = R(), în funcţie de care se stabileşte domeniul de utilizare a dispozitivului respectiv. De asemenea, raportul 0 este o mărime caracteristică ce ne arată sensibilitatea dispozitivului la acţiunea radiaţiei incidente.

Cele mai utilizate materiale pentru construirea de fotorezistori sunt sulfurile, selenurile şi telurile unor elemente, ca şi compuşi de tipul A3B5; astfel, , pentru vizibil şi ultravioletul

apropiat, cele mai utilizate materiale sunt: CdS, CdSe, Tl2S iar pentru infraroşu: PbS, PbSe, PbTe, InSb.

Aplicaţia de bază a fotorezistorilor este cea de convertor optoelectric.

1.1.3. Fotodiode. FotoelementeSub acţiunea radiaţiei electromagnetice incidente, în semiconductor are loc generarea

unor purtători de neechilibru care, într-o joncţiune p-n determină apariţia unui curent suplimentar faţă de curentul de polarizare, numit fotocurent, de intensitate IL, dată de o expresie de forma:

IL = (6. 4)unde e este sarcina electrică elementară, eficienţa cuantică (numărul de purtători generaţi de un foton absorbit), h constanta Planck, fluxul radiaţiei incidente şi frecvenţa acesteia, mai mare sau cel puţin egală cu frecvenţa de prag.

În aceste condiţii, curentul electric total prin diodă are expresia:

I=I s⋅(eeVkT−1)−I L (6. 5)

Se poate constata că, în scurtcircuit (fără polarizare exterioară, V = 0), prin diodă circulă un curent egal cu fotocurentul, I = IL. Un astfel de dispozitiv, posedând o joncţiune p - n sensibilă la radiaţia electromagnetică, se numeşte fotodiodă.

De obicei, fotodioda se foloseşte în circuite electronice ca traductor optic, permiţând comanda curentului electric din circuit prin intermediul unui flux luminos, aşa cum se poate vedea în figura 2.3.a. Ea se mai poate folosi şi în circuite de măsurare a mărimilor fotometrice (fotometre, luxmetre, exponometre), caz în care la bornele fotodiodei se leagă un galvanometru (figura 6.2.b) ce măsoară direct fotocurentul proporţional cu fluxul incident şi, deci cu iluminarea. Puterea debitată de o fotodiodă este mică.

Fig. 6. 2 – Scheme de utilizare a fotodiodei: traductor optic (a); detector pentru măsurarea unor mărimi fotometrice (b)

Dacă joncţiunea fotosensibilă este în circuit deschis (I = 0), atunci se constată că, sub

acţiunea radiaţiei electromagnetice, la bornele acesteia apare o tensiune electromotoare, VL, având expresia:

V L=kTe⋅(1+ I L

I s)

(6. 6)În acest caz, dispozitivul se numeşte fotoelement, celulă fotovoltaică sau celulă solară,

reprezentând o sursă de tensiune electromotoare ce converteşte direct energia luminoasă în energie electrică. Pentru o eficienţă cât mai mare, fotoelementele trebuie să aibă o suprafaţă de recepţie a luminii cât mai mare (mult mai mare decât cea a unei fotodiode). Puterea debitată în

mod obişnuit de un fotoelement este de ordinul a 10-2 W iar randamentul de conversie (raportul dintre puterea electrică disipată şi fluxul energetic incident) atinge 21% utilizând GaAs, 18% utilizând Si şi 10 % pentru CdS.

Caracteristica curent-tensiune a unei joncţiuni p – n fotosensibile este reprezentată în figura 6.3, la diferite valori ale fluxului radiaţiei incidente. La valoarea = 0, caracteristica este cea a unei diode semiconductoare obişnuite. Cum sensul fotocurentului IL este invers curentului de difuzie caracteristic unei diode polarizate direct, curentul invers prin fotodiodă creşte odată cu creşterea fluxului radiaţiei incidente. Cadranul III corespunde regimului de fotodiodă, reprezentând funcţionarea dispozitivului la polarizare inversă, în timp ce cadranul IV corespunde regimului de fotoelement.

Fig. 6. 3 – Caracteristica curent-tensiune a unei joncţiuni p-n fotosensibile

Evident, atât fotodiodele cât şi fotoelementele trebuie construite în capsule transparente în domeniul spectral al radiaţiei electromagnetice la care ele funcţionează. Construcţia trebuie să asigure ca marea majoritate a fotonilor radiaţiei incidente să ajungă în regiunea joncţiunii p – n.

Caracteristicile primare ale unei fotodiode sunt răspunsul, curentul la întuneric şi banda de trecere. Răspunsul este dat de raportul dintre fotocurentul IL şi puterea optică incidentă, P0. Fotocurentul maxim într-o fotodiodă este date de:

IL max = (6. 7)unde P0 este puterea optică incidentă.

Acest fotocurent maxim se obţine când fiecare foton incident creează o pereche electron-gol, care contribuie la fotocurent. Fotocurentul în prezenţa unei reflecţii R la suprafaţa fotodiodei şi a unei absorbţii pe grosimea d în materialul cu un coeficient de absorbţie este dat de:

IL = (6. 8)Fotocurentul este redus şi mai mult dacă perechile electron-gol fotogenerate se recombină

în fotodiodă în loc să ajungă în regiunile unde aceşti purtători sunt majoritari.

Curentul la întuneric este curentul prin diodă în absenţa luminii. În mod evident, el limitează puterea minimă detectată de fotodiodă, deoarece un fotocurent mult mai mic decât curentul de întuneric este dificil de măsurat. Totuşi, adevărata limitare este dată de zgomotul de alice, generat de curentul prin diodă (relaţia 6.17).

1.1.4. Celule solareCelulele solare sunt, de obicei, iluminate cu lumină solară şi sunt folosite pentru

conversia energiei solare în energie electrică. Energia solară este sub forma radiaţiei electromagnetice, mai exact de tipul radiaţiei corpului negru. Spectrul Soarelui este de tipul celui emis de un corp negru la o temperatură de 5800 K, având un maxim la 0,8 eV. O parte semnificativă a energiei emise este în domeniul vizibil (400 - 700 nm). Densitatea de putere este aproximativ 100 mW/cm2.

Doar o parte din spectrul luminii solare ajunge la suprafaţa Pământului. Fenomenele de împrăştiere şi absorbţie în atmosferă şi unghiul de incidenţă afectează densitatea de putere incidentă. De aceea, densitatea de putere disponibilă depinde de momentul zilei, de anotimp şi de latitudinea locaţiei.

Din lumina solară care ajunge la suprafaţa celulei solare, doar fotonii cu energie mai mare decât lărgimea benzii interzise a semiconductorului generează perechi electron-gol. Eficienţa totală a conversiei de energie a celulelor solare mono-cristaline are valori între 10 şi 30 %, determinând o densitate de putere electrică de 10 ÷ 30 mW/cm2.

Determinarea puterii maxime a unei celule solare este ilustrată de figura 6.4. Puterea generată depinde de celula solară însăşi şi de sarcina conectată la ea.

Fig. 6. 4 – Caracteristicile (I-V) şi (P-V) ale unei celule solare cu un fotocurent de 1 mA

Curentul şi puterea în funcţie de tensiunea de polarizare a diodei sunt reprezentate în figura 6.4 pentru o celulă obişnuită, cu un fotocurent de 1 mA (în fapt, regiunea din cadranul IV al graficului din figura 6.3).

Puterea electrică furnizată de celulă este dată de produsul dintre tensiunea la bornele acesteia, V şi curentul prin ea, I şi, la început, ea creşte liniar cu tensiunea, dar scade rapid la zero în jurul tensiunii de deschidere. Puterea maximă este obţinută la tensiunea Vm şi curentul Im.

Anod

Catod

Stratde baraj

Circuit electricexterior

Flux defotoni

Suprafaţa haşurată este numeric egală cu puterea generată de celula solară. Punctele marcate pe grafic indică tensiunea Vm şi curentul Im, pentru care este generată puterea maximă, Pm.

Factorul de umplere, m, al celulei solare este definit ca raportul dintre puterea maximă a celulei şi produsul dintre tensiunea în circuit deschis, VL şi curentul de scurtcircuit (fotocurentul), IL:

(6. 10)Conversia fotovoltaică pe scară largă necesită componente ce vor opera cu celule

fotovoltaice care formează un sistem. În plus, sunt necesare şi alte componente ce vor fi incluse în acest sistem de conversie a energiei: dispozitive de orientare a suprafeţei, concentratori de radiaţie solară, mijloace de stocare a energiei, echipamente de condiţionare a puterii pentru adaptarea încărcării, convertoare de curent continuu în curent alternativ şi transformatoare de tensiune. Unele dintre aceste componente au nevoie de dezvoltări viitoare şi de reduceri ale costului înainte ca sistemul fotovoltaic să devină practic pentru utilizarea pe scară largă.

Dintre aceste componente, celula fotovoltaică este elementul cheie al unui sistem energetic solar şi este cea mai importantă problemă. Reduceri de cost de 2-3 ori ale celulelor fotovoltaice sunt necesare înainte ca acestea să devină practice.

Există foarte multă literatură care tratează despre efectul fotovoltaic şi despre principiile funcţionării celulelor fotovoltaice. O celulă fotovoltaică poate fi definită ca un dispozitiv care generează perechi de purtători de sarcini negative şi pozitive prin absorbţia luminii, permite transportul acestor purtători (în general prin difuzie) într-o zonă de discontinuitate din vecinătate într-o structură sau regiune unde există o barieră de potenţial şi unde sarcinile negative şi cele pozitive sunt separate prin acţiunea unui câmp electric, furnizând astfel un mijloc de colectare a sarcinilor şi conducerea lor printr-un circuit extern. Figura 6.5 ilustrează părţile esenţiale ale unei celule fotovoltaice.

De obicei, pentru materialele absorbante de lumină este folosit un cristal semiconductor cu o structură perfectă şi chimic relativ pur. Un semiconductor pur permite sarcinilor pozitive şi negative generate să migreze la o distanţă finită, necesară pentru a ajunge, sub influenţa câmpului electric, în apropierea zonei de discontinuitate (stratul de baraj al joncţiunii p-n) fără a se recombina. Într-un semiconductor puternic absorbant, lumina va fi absorbită generându-se (generare optică intrinsecă) purtători de sarcină electrică într-o regiune limitată în adâncime. Astfel de semiconductori cu absorbanţă înaltă pot fi mai puţin puri şi, în consecinţă, o lungime de difuzie mai scăzută, în timp ce zona de discontinuitate poate fi localizată mai aproape de regiunea unde sunt generate sarcinile.

Fig. 6. 5 – Structura unei celule fotovoltaice

Cel mai comun mecanism de separare a sarcinilor este bariera potenţială asociată cu o joncţiune p-n. O celulă solară cu un monocristal de siliciu este un exemplu clasic de celulă solară cu joncţiune p-n. În general, este formată prin difuzia unor impurităţi dopante convenabile în masa cristalului semiconductor de siliciu, pentru a obţine joncţiunea p-n. Regiunea de tranziţie de la tipul p la tipul n de conducţie este o homojoncţiune p-n.

Heterojoncţiunea p-n este o structură similară homojoncţiunii p-n, cu excepţia faptului că regiunile n şi p sunt două materiale semiconductoare diferite. Celula solară CdS este o celulă cu o heterojoncţiune cu Cu2S/CdS.

O caracteristică importantă a semiconductorului absorbant de lumină este banda interzisă. Aceasta are o lărgime Eg, egală cu energia minimă pe care un foton trebuie să o aibă pentru a genera o pereche electron-gol. Fotonii care au energie mai mică nu vor fi absorbiţi prin astfel de procese şi, de aceea, nu pot contribui la generarea de purtători de sarcină electrică. Fotonii care au o energie mai mare decât Eg vor fi absorbiţi şi vor genera purtători de sarcină electrică, energia în exces peste energia Eg transformându-se în căldură.

Cu cât este mai mare Eg, cu atât numărul perechilor de purtători generaţi de o sursă de lumină cu spectru larg, cum este Soarele este mai mic, dar cu atât este mai mare energia asociată fiecăruia. Cu cât este mai mică Eg, cu atât numărul perechilor de purtători generaţi este mai mare şi cu atât este mai mică energia asociată fiecăruia. Pentru o sursă de lumină dată, există o valoare optimă lărgimii benzii interzise care va determina răspunsul maxim posibil al unei celule fotovoltaice.

S-a calculat eficienţa maximă posibilă a conversiei, care poate fi obţinută la celulele fotovoltaice cu materiale semiconductoare din lumină solară. Tabelul 6.1 prezintă aceste rezultate pentru unele materiale semiconductoare de interes, precum şi lărgimea benzii interzise a acestora.

Răspunsul electric al unei celule solare variază în funcţie de intensitatea şi conţinutul spectral al luminii incidente, de temperatura celulei şi impedanţa sarcinii conectate la terminalele celulei. Pentru comparaţie, celulele proiectate pentru uzul terestru sunt în general testate în lumină echivalentă luminii solare normale la nivelul mării într-o zi senină cu Soarele la amiază şi cu temperatura normală a celulei ( în jur de 25 oC). Densitatea de energie incidentă în aceste condiţii este de aproximativ de 100 mW/cm2.

Tabel 6.1 – Lărgimea benzii interzise şi eficienţa maximă pentru celule semiconductoare fotovoltaice (în lumina solară, la suprafaţa Pământului)

Material Eg (eV) Eficienţă maximăCu2S 1,05 19,7

Si 1,12 20,3InP 1,25 22,4

GaAs 1,35 23,7CdTe 1,45 26,5GaP 2,23 ~ 13CdS 2,42 ~ 10

Celula solară clasică este o joncţiune p-n de arie mare, care poate converti energia radiaţiei solare direct în energie electrică. Procesul de conversie a unei celule solare poate fi

descris de o joncţiune p-n polarizată invers, legată în paralel cu o sursă de curent constant generat de lumină (IL). Curentul total I a unui astfel de dispozitiv ideal poate fi exprimat de relaţia (6.5):

I=I s⋅(eeVkT−1)−I L

unde Is este curentul invers de saturaţie, iar V este căderea de tensiune la bornele sarcinii.Primul termen din membrul drept al ecuaţiei (6.5) este curentul ideal al unei diode

semiconductoare (Id1), reprezentând curentul de difuzie care trece prin diodă când o tensiune de polarizare directă reduce înălţimea barierei de potenţial în joncţiune, permiţând purtătorilor majoritari să traverseze joncţiunea şi să difuzeze ca purtători minoritari.

Într-o diodă reală unii purtători se pierd în regiunea de difuzie, ca rezultat al recombinării şi captării lor în reţea, ceea ce determină o corecţie a curentului total direct, Id2, dat de:

Id = Is (6. 11)unde n este factorul de diodă, caracteristic joncţiunii respective ( 2).

Rezultatul recombinării este reducerea eficienţei celulei. În plus, într-o celulă solară este întotdeauna prezentă o rezistenţă intrinsecă serie, RS, datorată în principal rezistenţei regiunii de difuzie. Rezistenţa de bază a regiunii şi contactele sunt alte cauze ale rezistenţei serie. De aceea, tensiunea de ieşire diferă de tensiunea joncţiunii cu valoarea IRS.

Curentul de şunt (sau de pierderi) rezultă din imperfecţiuni care şuntează joncţiunea, în special la margini, unde se formează cu uşurinţă căi de conducţie superficiale. Acest efect este reprezentat printr-o rezistenţă şunt, RSH, de-a lungul joncţiunii. De aceea, curentul final al unei celule solare este dat de:

I = Is + – IL (6. 12)Prin alegerea adecvată a sarcinii, se poate obţine o putere maximă în jur de 80 % din

produsul ILVL.Prezenţa centrilor de recombinare în cristal şi rezistenţa şunt reduc bineînţeles mărimea

lui VL. În plus faţă de VL şi IL, din caracteristicile I–V ale unei celule solare pot fi obţinute

puterea maximă, Pm, randamentul de conversie, şi factorul de umplere, m.Randamentul celulei este dat de raportul dintre puterea maximă de ieşire şi puterea

radiaţiei incidente (Pin 100 mW/cm2 în condiţiile amintite mai sus) şi e dată de:

= (6. 13)După cum se vede din discuţia de mai sus, pentru un randament superior, rezistenţa serie,

rezistenţa şunt şi centrii de recombinare trebuie să fie reduşi la minim. De aceea, defectele punctiforme, impurităţile active electric, incluziunile şi precipitatele afectează performanţele celulei.

Proiectarea unei celule solare optimizate implică luarea în considerare, pe de o parte a caracteristicilor sistemului şi performanţelor celulei, iar pe de alta a costurilor materialelor şi procesului de fabricare. În timp ce cerinţele de proiectare variază în funcţie de diferitele scopuri

Contact frontal

Vedere de sus

Vedere laterală

Contact frontal

joncţiune p-n

Contact posteriorp+

n+

p

h

Câmp superficial posterior

sticlă

electrod negativ din SOx

CdS puternic dopat

CdS nedopat

Pb (2,0 m)

Cu (0,7 m)

Cu2SCu colector

+ +

de aplicare, detaliile specifice de proiectare a celulelor sunt strâns legate de procesele tehnologice de fabricaţie.

Fig. 6. 6 – Construcţia unei celule solare din siliciu monocristalin

Cea mai simplă celulă de siliciu constă într-o joncţiune superficială, în contact direct cu o regiune de bază, în care perechile de purtători se formează la absorbţia luminii. Sunt necesare contacte electrice externe la aceste regiuni. Pentru îmbunătăţirea performantelor celulei, se folosesc elemente de proiectare adiţionale, cum sunt: - un strat de material antireflectorizant, depus pe suprafaţa frontală, pentru creşterea

procentului intensităţii luminii incidente care intră în celulă;- contact metalizat pe suprafaţa posterioară, cu rol suplimentar de reflexie optică, în scopul

creşterii grosimii efective a celulei;- o joncţiune de câmp superficial posterior, pentru creşterea tensiunii şi curentului de ieşire;- structură cu impurificare gradată, pentru îmbunătăţirea eficienţei de colectare a purtătorilor.

Construcţia unei celule solare cu CdS cu expunere posterioară este reprezentată în figura 6.7.

În principiu, ea este asemănătoare cu cea a celulei cu expunere frontală, cu excepţia faptului că substratul este transparent iar electrodul pozitiv nu este transparent şi, de aceea, lumina intră în celulă prin substrat şi apoi ajunge la pelicula de CdS, în loc să fie direct incidentă pe stratul de Cu2S. În mod obişnuit, celulele cu expunere posterioară sunt făcute pe substraturi de sticlă conductoare cu peliculă de CdS formată prin proces de pulverizare pirolitică.

Fig.6. 7 – Construcţia unei celule solare cu CdS cu expunere posterioară

Celulele cu expunere posterioară cu cost redus, realizate în producţia de masă, sunt fabricate conform unui proces în care învelişul conductor din SnO2, pelicula subţire de CdS şi stratul de Cu2S sunt toate formate prin depunere pirolitică pe un strat lung şi continuu de sticlă. Acesta este tăiat apoi în unităţi modulare de lungime fixă, pentru delimitarea celulelor individuale şi pentru depunerea electrozilor şi încapsularea finală.

Ca substrat pentru celulele cu expunere posterioară este folosită sticla sodică, fără conţinut de fier, pentru a reduce absorbţia de lumină în sticlă. Cum substratul de sticlă este partea structurală principală a dispozitivelor cu celule cu expunere posterioară, acesta trebuie să fie destul de gros pentru a susţine fizic dispozitivul pentru perioade lungi de expunere în mediul exterior. Valoarea uzuală a grosimii sticlei este de aproximativ 0,3 mm. Grosimea este foarte importantă pentru că substratul de sticlă în sine reprezintă mai mult de o jumătate din costul final estimat al panoului solar.

Cele mai bune celule cu peliculă de CdS cu expunere posterioară implică straturi fine de SnO2, cu o textură netedă având o mărime a granulelor de aproximativ 0,1 m. La temperaturile relativ înalte cerute de depunerea pirolitică, este de aşteptat ca urme de impurităţi din sticlă să difuze în stratul de SnO2 şi Sn şi urme de impurităţi din stratul de SnO2 să difuze în stratul de CdS şi chiar dincolo de limitele regiunii de joncţiune. De aceea, compoziţia şi puritatea substratului şi ale variatelor soluţii pulverizate au un efect asupra proprietăţilor optice şi electrice ale celulelor şi trebuie controlate cu atenţie.

Celulele cu peliculă de CdS cu expunere posterioară mai moderne folosesc un strat dublu de CdS, format prin descompunerea pirolitică a soluţiilor pulverizate de săruri de cadmiu. Primul strat din apropierea stratului de SnO2 este puternic dopat cu aluminiu. Acest strat este foarte bun conductor electric şi are structura cristalină necesară. Al doilea strat nu este dopat şi de aceea are o rezistenţă electrică mai mare. Ambele straturi nu prezintă structura de granule piramidale, care este caracteristică celulelor cu expunere frontală şi granulele sunt mai fine ca mărime decât cele ale acestora din urmă. Granulele superficiale au aproximativ 0,4 m în diametru. Peliculele sunt mult mai subţiri, de ordinul 1÷3 m, pentru fiecare din cele două straturi CdS. O altă diferenţă e aceea că suprafaţa peliculei de CdS folosite pentru celulele cu expunere posterioară nu este texturată.

Stratul de Cu2S poate fi format în mai multe feluri. Celulele cu tensiunea de ieşire cea mai înaltă sunt fabricate folosind procese de schimb de ioni în soluţii, deşi producţia de masă presupune un proces de pulverizare pirolitică. Stratul de Cu2S al celulei cu expunere posterioară este de două-trei ori mai gros decât la celula cu expunere frontală, dar, cum se constată doar o uşoară pătrundere a Cu2S în pelicula de CdS, grosimea efectivă este aproximativ aceeaşi.

Cuprul evaporat în vid este folosit drept contact pozitiv al celulei. Acesta este o arie de contact care acoperă toată suprafaţa stratului de Cu2S, ceea ce este posibil pentru celula cu expunere posterioară, întrucât iluminarea se face prin faţa opusă. Cuprul are o grosime mai mică de un micron şi este precedat de strat şi mai subţire de plumb, de asemenea depus în vid. Rolul plumbului este în primul rând acela de a proteja cuprul de factorii atmosferici.

Celulele solare cu peliculă din CdS cu expunere posterioară au o eficienţă medie de aproximativ 4,9 % în lumina solară, ajungând până la 5,7 %. Curentul de scurtcircuit ajunge la 18÷20 mA/cm2, iar tensiunea de circuit deschis este de 0,36 ÷ 0,41 V. Răspunsul celulei este în principal la lungimi de undă între 0,53 ÷ 1,05 m. Datorită modului de operare a celulelor cu expunere posterioară, lungimile de undă sub 0,53 m sunt absorbite în CdS. Durata de viaţă a

purtătorilor minoritari din CdS este prea mică pentru a se colecta o cantitate apreciabilă din zona n a joncţiunii.

Celula cu expunere posterioară din CdS depozitat pirolitic se află în centrul unor studii intensive şi eforturi de dezvoltare şi de îmbunătăţire a performanţelor de ieşire. Îmbunătăţirile ar putea rezulta din tensiuni mai mari de circuit deschis (0,4 V), din scăderea pierderilor optice (în substratul de sticlă, stratul de SnO2 şi pelicula de CdS) şi prin îmbunătăţirea absorbţiei în stratul de Cu2S. Este posibilă dublarea eficienţei de conversie.

1.1.5. Fotodiode p-i-nDezavantajul principal al fotodiodelor p-n constă în faptul că absorbţia are loc numai în

stratul de baraj, care este foarte subţire.Figura 6.8.a prezintă schematic structura unei fotodiode p-i-n, care are o regiune puternic

dopată de semiconductor de tip p, o regiune largă intrinsecă (i) şi o regiune puternic dopată de tip n. Stratul intrinsec este mult mai gros decât regiunile p şi n, de obicei grosimea sa fiind de 5 ÷ 50 µm.

Figurile 6.8.b şi 6.8.c prezintă densitatea de sarcină spaţială netă şi câmpul electric intern de-a lungul dispozitivului. În stratul i-Si apare un câmp electric intern uniform, E0, orientat de la ionii donori pozitivi în regiunea n la ionii negativi acceptori din regiunea p (figura 6.8.c). În mod obişnuit, detectorul p-i-n este polarizat invers (figura 6.8.d). Tensiunea aplicată cade pe regiunea rezistivă intrinsecă şi determină creşterea câmpului electric intern la valoarea E = E0 + V/w, unde w este lărgimea regiunii intrinseci.

Când un foton cu energia mai mare decât lărgimea benzii interzise, Eg, cade pe joncţiune, el este absorbit în regiunea intrinsecă (regiunea p este foarte subţire) şi generează o pereche electron liber-gol. De obicei, energia fotonului este astfel încât fotogenerarea are loc în stratul intrinsec. Câmpul electric separă electronii şi golurile şi îi conduce în sensuri opuse până când ajung în regiunile neutre (figura 6.8.d). Această deplasare generează un fotocurent If în circuitul exterior, acesta reprezentând semnalul electric. Structura fotodiodei p-i-n prezentată în figura 6.8.a este, desigur, idealizată. În realitate, stratul i-Si are o oarecare dopare. De exemplu, dacă acest strat are o slabă dopare de tip n, el este notat ca fiind stratul , iar structura este de tip p+n+. Stratul devine astfel un strat de sărăcire cu o mică concentraţie de donori pozitivi. În acest caz, câmpul intern nu este uniform de-a lungul structurii fotodiodei. El este maxim la joncţiunea p+ şi scade lent în stratul -Si, pentru a atinge un minim la stratul n+. Cu o bună aproximaţie, se poate totuşi considera stratul -Si ca un strat i-Si.

Fotodiodele p-i-n au un număr de avantaje clare faţă de fotodiodele p-n obişnuite. Având o regiune de sărăcire mai largă, ele au o eficienţă cuantică mai bună. Capacitatea regiunii de sărăcire este mult mai mică decât cea a joncţiunii p-n şi relativ independentă de tensiunea de polarizare inversă. În consecinţă constanta de timp RC asociată cu capacitatea regiunii de sărăcire C este mică dacă rezistenţa externă R în figura 6.8.d este mică. În plus, pe dioda p-i-n pot fi aplicate tensiuni de polarizare inversă mai mari decât pe joncţiunea p-n fără a se produce străpungerea. Viteza unei fotodiode p-i-n este în mod normal limitată de timpul de tranzit al celor mai lenţi purtători de sarcină fotogeneraţi. Ea creşte cu tensiunea de polarizare inversă până când viteza de drift a purtătorilor se saturează.

Fotodioda p-i-n este probabil unul dintre cei mai populari fotodetectori utilizaţi în aplicaţiile optoelectronice, datorită vitezei de lucru mari şi a răspunsului bun.

Fig. 6. 8 – a) - schema structurii unei fotodiode p-i-n ideale; b) - densitatea de sarcină spaţială netă în fotodiodă; c) - câmpul electric intern în fotodiodă; d) - fotodioda p-i-n polarizată invers pentru

fotodetecţie

1.1.6. Fotodiode cu avalanşăO limitare a fotodiodei p-i-n este lipsa amplificării interne – un foton incident produce o

singură pereche electron-gol. Aplicaţiile legate de fluxuri slabe de lumină necesită detectori cu amplificare internă, pentru ridicarea nivelului semnalului peste nivelul de zgomot al dispozitivelor electronice care urmează. Mulţi ani, totuşi, singurul dispozitiv care putea asigura

această amplificare a fost fotomultiplicatorul, funcţionând pe baza efectului electric extern. Deşi acesta oferă o amplificare mare, el are un anumit număr de limitări practice: este un tub vidat voluminos, generează căldură şi, comparat cu o fotodiodă, prezintă o liniaritate limitată, un domeniu îngust al răspunsului spectral şi un randament electric scăzut (25%).

Fotodiodele cu avalanşă (Avalanche Fotodiode – APD) oferă o alternativă pentru majoritatea aplicaţiilor fotomultiplicatorului, fiind larg utilizate în diferite aplicaţii optoelectronice, în special în comunicaţiile optice, datorită vitezei de lucru mari şi amplificării interne. O schemă simplificată a structurii unei diode cu avalanşă este prezentată în figura 6.9.a. Zona n este subţire şi este partea care este iluminată printr-o fereastră. În continuarea stratului n sunt trei straturi de tip p, cu diferite niveluri de dopare, astfel încât distribuţia câmpului de-a lungul structurii să fie cea dorită. Primul este un strat subţire de tip p, al doilea este un strat gros de tip p slab dopat (aproape intrinsec), stratul π. Iar al treilea este un strat p puternic dopat. Dioda este polarizată invers pentru a creşte câmpul în regiunile de sărăcire. Distribuţia de sarcină spaţială netă în diodă, datorată ionilor de impurităţi dopante este prezentată în figura 6.9.b. La polarizare nulă, în regiunea p (între n+p), în mod normal regiunea de sărăcire nu se extinde în acest strat. Când însă este aplicată o tensiune de polarizare inversă suficient de mare, regiunea de sărăcire în stratul p se lărgeşte şi pătrunde în stratul . Câmpul se extinde de la impurităţile donoare cu sarcină pozitivă din stratul subţire de sărăcire din zona n+, până la impurităţile acceptoare cu sarcină negativă din strat subţire de sărăcire din zona p+.

Variaţia câmpului în diodă este reprezentată în figura 6.9.c. Liniile de câmp pornesc de la ionii pozitivi şi ajung la ionii negativi care există în straturile p, π şi p +. Aceasta înseamnă că E este maxim la joncţiunea n+p, apoi descreşte lent în stratul p. În stratul , el descreşte doar foarte puţin, întrucât densitatea de sarcină spaţială este mică. Câmpul se anulează la capătul zonei de sărăcire în zona p+.

Absorbţia fotonilor şi în consecinţă fotogenerarea au loc în principal în stratul . Câmpul aproximativ uniform de aici separă perechile de purtători şi îi orientează la viteze aproape de valoarea de saturaţie spre zonele n+, respectiv p+. Când electronii de conducţie ajung la stratul p, ei întâlnesc aici un câmp şi mai mare şi în consecinţă acumulează suficientă energie cinetică (mai mare decât Eg) pentru a produce ionizări prin ciocnirea nodurilor reţelei semiconductoare de Si şi a forma perechi de purtători.

Fig. 6. 9 – a) - ilustrare schematică a structurii unei fotodiode cu avalanşă polarizată pentru amplificarea în avalanşă; b) – densitatea de sarcină spaţială în fotodiodă; c) – distribuţia câmpului

electric în diodă

Aceştia, la rândul lor, pot fi de asemenea acceleraţi de câmpul înalt în această regiune la suficient de mari energii cinetice pentru a produce în continuare aceleaşi procese de ionizare prin ciocnire şi generare de perechi electron-gol, ceea ce conduce la o avalanşă de astfel de procese. Astfel, de la un singur electron care intră în stratul p, se poate genera un mare număr de perechi electron-gol, toţi aceştia contribuind la fotocurentul total. Fotodioda posedă mecanism de amplificare intern, în care o singură absorbţie de foton conduce la un mare număr de perechi

electron-gol generate. De aceea, fotocurentul în prezenţa multiplicării în avalanşă corespunde unui randament cuantic efectiv mai mare decât unitatea.

Motivul pentru care procesul de fotogenerare este păstrat în interiorul regiunii şi este separat de regiunea p, în care are loc multiplicarea în avalanşă a purtătorilor este faptul că multiplicarea în avalanşă este un proces statistic, ceea ce duce la fluctuaţii ale generării de purtători, care la rândul lor duc la un zgomot în exces în fotocurent. Acesta este minimizat dacă ionizarea prin ciocnire este limitată la purtătorii cu cel mai mare randament de ionizare prin ciocnire, care în Si sunt electronii.

1.1.7. Fotodiode cu avalanşă cu heterojoncţiuneFotodiodele cu avalanşă cu heterojoncţiune bazată pe compuşi III-V s-au dezvoltat pentru

utilizarea în comunicaţii optice la lungimile de undă de 1,3 µm şi 1,55 µm. Ca şi la dispozitivele descrise în paragraful anterior, regiunea de absorbţie şi fotogenerare este separată de regiunea de multiplicare în avalanşă. Absorbţia şi multiplicarea separate sunt tipice unei heterostructuri, aşa cum se poate vedea în figura 6.10, unde este considerat cazul structurii InGaAs-InP, cu lărgimi ale benzii interzise diferite. InP are o bandă interzisă mai largă decât InGaAs. Tipul de impurificare p sau n a InP este indicat prin majuscule, P şi N. Stratul principal de sărăcire este între straturile P+-InP şi N-InP, adică acolo unde câmpul este cel mai intens. La o polarizare inversă suficient de mare stratul de sărăcire din stratul n-InGaAs ajunge până în stratul N-InP. Câmpul în stratul de sărăcire din n-InGaAs nu este atât de intens ca în stratul N-InP. Deşi fotonii cu lungime de undă mare sunt incidenţi pe faţa InP, ei nu sunt absorbiţi în InP, întrucât energia fotonilor este mai mică decât lărgimea benzii interzise a InP (Eg = 1,35 eV). Fotonii trec prin stratul de InP şi sunt absorbiţi în straturile n-InGaAs. Câmpul în stratul n-InGaAs conduce golurile spre regiunea de multiplicare, unde ionizarea prin ciocniri multiplică purtătorii. Golurile fotogenerate care se deplasează de la stratul n-InGaAs spre stratul N-InP sunt captate la interfaţă deoarece aici este creştere abruptă în lărgimea benzii interzise şi o variaţie bruscă ∆Ev în valoarea lui Ev (limita superioară a benzii de valenţă) între cei doi semiconductori şi golurile nu pot depăşi uşor bariera de potenţial ∆Ev. Această problemă este depăşită prin utilizarea unor straturi subţiri de InGaAsP de tip n cu lărgimi ale benzii interzise medii pentru a asigura o tranziţie gradată de la InGaAs la InP. Practic ∆Ev este defalcat în mai multe trepte. Ambele straturi InP sunt crescute epitaxial pe un substrat InP. Substratul însuşi nu este utilizat direct pentru formarea joncţiunii P-N pentru evitarea defectelor (dislocaţii, de exemplu) din substrat care se pot propaga în regiunea de multiplicare, scăzând performanţele dispozitivului.

Fig. 6. 10 – Schemă simplificată a unei fotodiode cu avalanşă cu heterojoncţiune InGaAs-InP

1.1.8. Dispozitive cu cuplare (transfer) de sarcină (CCD)O categorie importantă de detectori de radiaţie electromagnetică este cea a dispozitivelor

cu cuplare (transfer) de sarcină (CCD – din expresia în engleză: charge-coupled device). Acestea sunt structuri MOS distribuite sub forma unei matriţe, utilizate ca senzori de imagine.

1.1.9. FototranzistoriFototranzistorul este un dispozitiv asemănător cu tranzistorul bipolar, realizat din Si, Ge

sau GaAs, a cărui comandă se realizează pe cale optică, de către un flux luminos ce cade pe regiunea bazei.

Fototranzistorul funcţionează (de regulă) cu baza în gol şi este încapsulat într-o capsulă prevăzută cu o fereastră care permite iluminarea bazei de către radiaţia incidentă.

Fototranzistorul are simbolul specificat în fig. 6.11.a. Caracteristicile IC – VCE ale fototranzistorului sunt date în fig. 6.11.b. Curentul prin fototranzistor creşte cu iluminarea, ca rezultat al generării de perechi electron-gol, ca urmare a energiei primite din exterior.

Fig. 6. 11 – a) - simbolul fototranzistorului; b) - caracteristica fototranzistorului

Aceste dispozitive au o sensibilitate mai mare, datorită amplificării, având însă un curent de întuneric mult mai mare decât al unei fotodiode.

1.1.10. OptocuploareÎn optoelectronică sunt utilizate şi dispozitive numite optocuploare, alcătuite dintr-un

fotoemiţător, cuplat cu un fotoreceptor prin intermediul unui mediu optic, ambele elemente fiind montate în aceeaşi capsulă, având principalul avantaj de a separa electric circuitul de intrare de cel de ieşire.

Cele mai utilizate variante de optocuploare sunt cele realizate dintr-o diodă electroluminescentă pe bază de GaAs şi o fotodiodă sau un fototranzistor cu Si, funcţionând în domeniul ~ 900 nm.

1.1.11. Mărimi caracteristice fotodetectorilorSunt mai multe mărimi caracteristice importante care caracterizează performanţa unui

fotodetector. Randamentul cuantic intern al fotodetectorului este numărul perechilor de electron liber-

gol fotogenerate de un foton absorbit (şi nu de un foton incident pe dispozitiv). Deoarece randamentul cuantic intern este definit pe un foton absorbit, el este mai mare decât randamentul cuantic extern, care este definit pe un foton incident; nu toţi fotonii incidenţi sunt absorbiţi.

Randamentul cuantic extern al fotodetectorului este definit ca numărul perechilor electron liber-electron colectate pentru un foton incident. Nu toţi fotonii incident sunt absorbiţi pentru a crea perechi electron liber-gol care pot fi colectate pentru a crea un fotocurent.Fotocurentul IL măsurat în circuitul extern este datorat fluxului de electron spre terminalele

dispozitivului. Numărul de electroni colectaţi pe secundă este IL/e. Dacă P0 este puterea optică incidentă, atunci numărul fotonilor incidenţi în unitatea de timp pe dispozitiv este P0/h. Atunci, randamentul cuantic extern η poate fi definit cu expresia:

= (6. 13)unde h este constanta Planck, e este sarcina electrică elementară şi este frecvenţa radiaţiei incidente. Nu toţi fotonii absorbiţi pot fotogenera perechi electron liber-gol care pot fi colectaţi. Unele dintre aceştia pot dispărea prin recombinare fără contribuţie la fotocurent sau să fie imediat captaţi. În plus, dacă grosimea semiconductorului este comparabilă cu adâncimea de pătrundere 1/α, (unde α este coeficientul de absorbţie al materialului), atunci nu toţi fotonii vor fi absorbiţi. Randamentul cuantic extern al dispozitivului QE este de aceea întotdeauna mai mic decât unitatea. El depinde de coeficientul de absorbţie al semiconductorului la lungimea de undă de interes şi de structura dispozitivului şi poate fi crescut prin reducerea reflexiilor la suprafaţa

semiconductorului, prin creşterea absorbţiei în stratul de baraj şi prin prevenirea recombinărilor sau captărilor de purtători înainte ca ei să fie colectaţi. Răspunsul R descrie dependenţa semnalului (tensiune sau curent) la ieşirea detectorului de

lungimea de undă (sau frecvenţa) radiaţiei incidente. El se exprimă prin raportarea fotocurentului la unitatea de putere radiantă incidentă pe intervalul unitar de lungime de undă. R depinde de randamentul cuantic extern şi de lungimea de undă a radiaţiei incidente.

R = (6. 14)unde η este randamentul cuantic extern, care depinde de lungimea de undă λ a luminii incidente şi este frecvenţa acesteia. De aceea, răspunsul depinde clar de lungimea de undă. R mai este numit şi răspuns spectral, sau sensibilitate radiantă.

Fig. 6.12 – Răspunsul spectral al unui fotodetector (ideal) comparat cu cel al unui detector termic

În figura 6.12 se prezintă răspunsul spectral al detectorului fotonic, respectiv termic ideal. Se constată că, în timp ce răspunsul detectorului termic este practic constant în întreg spectrul de radiaţie, nedepinzând de lungimea de undă a radiaţiei incidente, răspunsul spectral al detectorului fotonic creşte liniar cu lungimea de undă până la o lungime de undă de prag, 0, la care scade brusc la zero, peste acest prag detectorul nemaifiind sensibil. 0 reprezintă pragul de producere a efectului fotoelectric în detector. puterea echivalentă de zgomot (NEP - Noise Equivalent Power), PN, este puterea radiaţiei

incidente pe detector care determină un semnal la ieşire egal cu semnalul de zgomot. P N este direct proporţional cu rădăcina pătrată a benzii de frecvenţă a detectorului, depinzând şi de aria detectorului.

detectivitatea reprezintă raportul semnal-zgomot pe intervalul unitar de frecvenţă:

D=√A⋅BP

⋅v s

v z (6. 15)unde A este aria detectorului, B - lărgimea benzii de frecvenţă, P - puterea radiaţiei incidente şi (vs/vz) - raportul semnal-zgomot global al detectorului.

timpul de răspuns, cu valori de ordinul 10-7 ÷ 10-10 s este o caracteristică importantă a detectorului, el determinând limitele frecvenţei de modulare a radiaţiei. Se poate determina cu formula = 1/2 unde 0 este frecvenţa de modulare a radiaţiei la care semnalul detectorului se reduce de 1,42 ori faţă de valoarea de la frecvenţa de modulare nulă.

1.1.12. Limitarea performanţelor detectorilor. ZgomotulPerformanţele fotodetectorilor sunt limitate de anumiţi factori, interni sau externi. Cel

mai important factor intern este zgomotul intern, care poate fi datorat mai multor fenomene: zgomotul Johnson este datorat fluctuaţiilor energiei (şi deci, vitezei) purtătorilor de sarcină

liberi din detector. Tensiunea de zgomot Johnson este dată de relaţia:

Ux = = 4kTRB (6. 16)unde B este banda de frecvenţă, R - rezistenţa detectorului, T - temperatura absolută, k - constanta Boltzmann, medierea făcându-se în unitatea de timp. Ux este acelaşi, indiferent dacă detectorul este polarizat sau nu. zgomotul de alice este datorat fluctuaţiilor concentraţiei purtătorilor de sarcină electrică liberi

şi apare în prezenţa polarizării. Pentru o fotodiodă, curentul datorat zgomotului de alice este dat de relaţia:

I A=√⟨ iA2 ⟩=√2 eIB

(6. 17)unde I este curentul prin diodă (inclusiv fotocurentul), e este sarcina electrică a electronului şi B este banda de trecere a diodei, care este afectată de timpul de tranzit al purtătorilor foto-generaţi prin diodă şi de capacitatea diodei (timpul de tranzit determină banda intrinsecă, în timp ce capacitatea împreună cu impedanţa amplificatorului sau a liniei de transmisie conectate la diodă determină o întârziere parazită, RC. zgomotul de generare-recombinare este datorat fluctuaţiilor în ratele de generare şi

recombinare, ceea ce determină fluctuaţii în concentraţia purtătorilor. zgomotul de scânteiere, care apare în mod special la detectorii în infraroşu la frecvenţe joase,

este datorat stărilor de suprafaţă.În afara zgomotului intern, la detectori mai intervin şi alte tipuri de zgomote, în special

zgomotul de fond şi zgomotul amplificatorului. Primul dintre acestea este datorat mediului înconjurător, în primul rând radiaţiei electromagnetice (alta decât cea care trebuie detectată) provenite din exteriorul detectorului.

Evident, performanţele detectorilor sunt limitate de efectele cumulative ale diferitelor tipuri de zgomote, astfel încât, pentru un detector dat, este caracteristică puterea minimă a radiaţiei ce poate fi detectată, considerată a fi puterea echivalentă de zgomot, mărime definită anterior.

Practic, în general se impune condiţia ca puterea minimă a radiaţiei detectate să fie limitată de zgomotul de fond, ceea ce impune ca puterile echivalente de zgomot datorate celorlalte tipuri de zgomote să fie mult mai mici decât puterea echivalentă a zgomotului de fond. Pentru a se realiza această condiţie, este necesar ca randamentul cuantic să tindă spre valoarea unitară şi banda de frecvenţă în care se măsoară semnalul să fie cât mai îngustă, ceea ce impune şi funcţionarea sub o temperatură limită.

Se arată că, pentru ca performanţele fotodetectorului să fie limitate de zgomotul de fond, este necesară îndeplinirea condiţiei:

α 2η RA >>kT

e2Φf (6. 18)unde este coeficientul de amplificare al fotodetectorului (la fotodiode el este unitar), - randamentul cuantic, R - rezistenţa fotodetectorului, A - aria acestuia şi f fluxul radiaţiei de

fond.

1.2. Dispozitive emiţătoare de radiaţie electromagnetică1.2.1. Diode luminescente

Dioda luminescentă (numită şi LED1) are la baza funcţionării sale fenomenul de electroluminescenţă, care constă în emiterea de radiaţie luminoasă sub acţiunea curentului electric. Dispozitivul este deci o diodă semiconductoare în care joncţiunea p - n este polarizată direct cu o tensiune suficientă pentru a excita electronii din banda de valenţă, astfel ca apoi, prin tranziţia din banda de conducţie sau de pe nivelurile de impurităţi în banda de valenţă sau pe nivelurile de impurităţi, să se producă fenomenul de recombinare radiativă. Este necesar ca aceasta să se producă cu o probabilitate suficient de mare (în comparaţie cu recombinările neradiative) pentru a se obţine un randament de conversie a energiei electrice în energie luminoasă suficient de bun. Cele mai bune materiale semiconductoare, din acest punct de vedere, sunt cele compuse, de tipul SiC şi de tipul III-V, cum sunt GaAs, GaP. Pentru ca radiaţia emisă să fie în domeniul vizibil, este necesar ca diferenţa dintre nivelurile energetice între care ale loc tranziţia electronilor să fie mai mare decât 1,7 eV. Lărgimea benzii interzise a GaAs este de 1,43 eV, ceea ce face ca radiaţia emisă în acest caz să fie în domeniul infraroşu ( = 920 nm), în timp ce lărgimea benzii interzise a GaP este de 2,1 eV, astfel încât radiaţia emisă este în domeniul vizibil, verde ( = 560 nm). Dacă se realizează o soluţie solidă a celor două materiale, se pot obţine radiaţii de diferite culori, întrucât lărgimea benzii interzise depinde de proporţia celor două materiale în soluţie. Câteva exemple sunt date în tabelul 6.2.

Tabel 6.2 – Domeniul spectral de emisie al unor semiconductoriSemiconductor (nm) Domeniu spectral

GaAs 920 infraroşu0,6GaAs - 0,4GaP 660 roşu0,5GaAs - 0,5GaP 610 portocaliu0,2GaAs - 0,8GaP 590 galben

GaP 560 verde

Deşi domeniul spectral în care emit diodele luminescente este îngust, lumina emisă nu este totuşi monocromatică, lărgimea benzii emise fiind destul de mare. Parametrii electrici mai importanţi ai diodelor luminescente sunt:- tensiunea de deschidere a joncţiunii p-n polarizate direct (1,2 ÷ 3 V)- curentul maxim (10 ÷ 50 mA)- tensiunea inversă admisă (3 ÷ 10 V)

Pentru ca dioda să emită lumină, ea trebuie polarizată direct, prin înserierea unui rezistor de limitare a curentului.

1 Diodele luminescente mai sunt cunoscute şi sub numele de LED-uri, denumire care vine de la iniţialele cuvintelor „Light Emitting Diode”, care, în limba engleză înseamnă „diodă emiţătoare de lumină”

O diodă luminescentă este în esenţă o diodă tipică cu joncţiune p-n, realizată dintr-un semiconductor cu bandă interzisă directă, de exemplu GaAs, în care recombinarea unei perechi electron-gol are drept rezultat emisia unui foton. Energia fotonului emis, h, este aproximativ egală cu energia corespunzătoare lărgimii benzii interzise, Eg

Fig. 6.13 – Diagrama structurii benzilor energetice a unei joncţiuni p-n (zona n puternic dopată); a) - joncţiune nepolarizată; b) - joncţiune polarizată direct

Figura 6.13.a prezintă diagrama benzilor energetice pentru o joncţiune nepolarizată, în care zona n este mai puternic dopată decât zona p. Nivelul Fermi, EF, este constant în toată joncţiunea, rezultat al condiţiei de echilibru când joncţiunea nu este polarizată. Regiunea de sărăcire (stratul de baraj) se extinde în majoritate în zona p. Apare o barieră de potenţial, eV0, de la EC în zona n la EC în zona p, unde V0 este aşa-numitul potenţial de contact, determinat de câmpul electric intern al stratului de baraj. Această barieră de potenţial împiedică difuzia electronilor din zona n în zona p.

Dacă se aplică o tensiune de polarizare directă, V, potenţialul de contact se reduce la V0 – V, ceea ce permite mai multor electroni din zona n să difuzeze în zona p, adică aceştia sunt injectaţi în zona p, aşa cum se poate vedea în figura 6.13.b. Componenta injecţiei de goluri din zona p în zona n este mult mai mică decât cea a injecţiei de electroni. Recombinarea electronilor injectaţi în regiunea de sărăcire şi în interiorul unui volum ce se extinde pe o distanţă egală cu lungimea de difuzie a electronilor în zona p are ca rezultat emisia fotonilor. Fenomenul de emisie a luminii din recombinarea perechilor electron-gol ca rezultat al injecţiei purtătorilor minoritari se numeşte electroluminescenţă de injecţie.

Tabel 6.3 – Diferite materiale semiconductoare, lungimile de undă de emisie, randamente externe tipice. (D = bandă interzisă directă, I = bandă interzisă indirectă)

Semiconductor Bandă interzisă

λ(nm) ext (%) Obs.

GaAs D 870 – 900 10 infraroşu (IR) AlxGa1–xAs (0< x < 0.4)

D 640 – 870 3 – 20 roşu spre IR

In1–xGaxAsyP1–y

(y ≈2,20x, 0 < x < 0,47)D 1 – 1,6 µm > 10

LED-uri în comunicaţii

Aliaje InGaN D 430 – 460500 – 530

1 – 2 3 – 5

albastru verde

InGaN/GaN (Quantum Well)

D 450 – 530 > 5 albastru - verde

SiC I 460 – 470 0,02 albastru

In0,49AlxGa0,51–xP D 590 – 630 1 – 10 galben, verde, roşu

GaAs1–yPy (y < 0,45) D 630 – 870 < 1 roşu - IR

GaAs1–yPy (y > 0,45) (N or Zn, O doping

I 560 – 700 < 1 roşu, portocaliu, galben

GaP (Zn-O) I 700 2 – 3 roşu GaP (N) I 565 < 1 verde

Datorită naturii statistice a proceselor de recombinare dintre electroni şi goluri, fotonii sunt emişi în direcţii aleatoare; ei rezultă din procese de emisie spontană. Structura unei LED trebuie să fie astfel încât fotonii emişi să poată ieşi din dispozitiv fără a fi reabsorbiţi de materialul semiconductor. Aceasta înseamnă că zona p trebuie să fie suficient de îngustă, sau trebuie utilizate dispozitive cu heterostructură.

Randamentul extern, ext, al unei LED măsoară eficienţa conversiei energiei electrice în energie luminoasă emisă în exterior. El include randamentul intern al proceselor de recombinare radiativă, int şi eficienţa extracţiei fotonului din dispozitiv. Puterea electrică de intrare a unei LED este, evident dată de produsul dintre curentul I prin diodă şi tensiunea de polarizare a acesteia (IV). Dacă Pout este puterea optică emisă de dispozitiv, atunci randamentul extern este Pout/(IV); unele valori tipice sunt date în tabelul 6.3. Pentru semiconductorii cu bandă interzisă indirectă ext este în general mai mic decât 1%, în timp ce pentru semiconductorii cu bandă interzisă directă, cu o structură corectă, ext poate fi considerabil mai mare (> 10%). Tabelul 6.3 prezintă domeniile tipice ale lungimilor de undă ale diferitelor tipuri de LED.

O heterojoncţiune este o joncţiune între două semiconductoare cu lărgimea benzii interzise diferită. Pentru a se obţine o creştere a intensităţii luminii emise, LED-urile sunt construite în structuri de duble heterojoncţiuni. Figura 6.14.a prezintă un dispozitiv cu doublă heterostructură, alcătuit din două joncţiuni între materiale semiconductoare diferite, cu lărgimi ale benzii interzise diferite. În acest caz, semiconductorii sunt AlGaAs, cu Eg ≈ 2 eV şi GaAs, cu Eg ≈ 1,4 eV. Dubla heterostructură din figura 6.14.a are o heterojoncţiune între zona n-AlGaAs şi zona p-GaAs. O a doua heterojoncţiune se formează între zona p-GaAs şi zona p-AlGaAs. Zona p-GaAs este un strat subţire, tipic o fracţiune de micron şi este dopată slab.

O diagramă simplificată a structurii energetice a dispozitivului în absenţa unei tensiuni de polarizare este prezentată în figura 6.14.ab. Nivelul Fermi EF este continuu în întreaga structură. Bariera de potenţial eV0 pentru electronii din BC a zonei n-AlGaAs se opune difuziei acestora în zona p-GaAs. La joncţiunea dintre zona p-GaAs şi zona p-AlGaAs apare un salt ∆EC în valoarea lui EC. Acest salt este efectiv o barieră de potenţial care împiedică orice electron din BC a zonei p-GaAs să treacă în BC a zonei p-AlGaAs. (există, de asemenea şi un salt ∆EV, dar este mic şi nu este reprezentat în figură).

Când este aplicată o tensiune de polarizare directă, cea mai mare parte a acesteia cade între zona n-AlGaAs şi zona p-GaAs şi reduce bariera de potenţial eV0, exact ca la joncţiunea p-n normală. Aceasta permite electronilor din BC a zonei n-AlGaAs să fie injectaţi în BC a zonei p-GaAs (figura 6.14.c). Aceşti electroni sunt totuşi confinaţi (captaţi), în BC a zonei p-GaAs, întrucât aici este o barieră de potenţial, ∆EC, între zonele p-GaAs şi p-AlGaAs.

Straturile cu bandă interzisă largă p-AlGaAs acţionează ca straturi de confinare, care limitează accesul electronilor injectaţi doar în stratul p-GaAs. Recombinarea electronilor injectaţi cu golurile deja prezente în acest strat p-GaAs are drept rezultat emisia spontană de fotoni. Stratul p-GaAs este numit strat activ, deoarece acesta este stratul în care este generată lumina. Cum lărgimea benzii interzise a AlGaAs este mai mare decât a GaAs, fotonii emişi nu vor fi reabsorbiţi la ieşirea din stratul activ şi astfel pot ajunge la suprafaţa dispozitivului (figura 6.14.d).

Fig. 6.14 – a) - Heterostructură dublă a unei LED; o diodă cu heterostructură dublă are două joncţiuni care se formează între doi semiconductori cu lărgime a benzii interzise diferită (GaAs şi AlGaAs); b) - diagramă simplificată a structurii de benzi energetice; c) - polarizare directă; d) -

ilustrare schematică a fotonilor care nu se recombină în stratul AlGaAs şi sunt emişi în exteriorul dispozitivului

Spectrul radiaţiei emise este determinat de spectrul energetic al electronilor din BC şi de cel al golurilor din BV în regiunea activă. Cum acesta este în ambele cazuri de ordinul 2kT (unde k este constanta Boltzmann şi T temperatura absolută), lărgimea liniei spectrale a emisiei corespunde unui spectru energetic de câţiva kT. La creşterea temperaturii, lărgimea liniei, ∆λ, devine mai mare şi maximul emisiei se deplasează spre lungimi de undă mai mari, deoarece lărgimea benzii interzise, Eg scade cu temperatura (figura 6.15)

Fig. 6.15 – Spectrul de emisie al unei LED cu AlGaAs (valori normalizate faţă de maximul de emisie la 25°C)

1.2.2. Laseri cu semiconductoriLaserii cu semiconductori ocupă în prezent aproximativ 70% din piaţa totală a laserilor,

ceea ce înseamnă că ei prezintă avantaje importante, dar şi limitări care îi împiedică să ocupe totalitatea pieţei.

Trăsăturile specifice ale laserilor cu semiconductori pot fi rezumate simplu astfel:• densitatea atomilor activi este cea a substanţei condensate şi nu cea a atomilor dopanţi, ai unui lichid sau ai unui gaz. Această densitate asigură amplificări gigantice şi construcţia unor dispozitive compacte;• mecanismul de conversie electron-foton est foarte eficace, ca urmare a controlului eficient al fabricării heterostructurilor semiconductoare, de o mare puritate, fără defecte. În consecinţă, randementul este foarte mare, putând atinge 70%;• fabricarea de natură colectivă a dispozitivelor (consecinţă, de asemenea, a compactităţii lor) de către industria semiconductorilor duce la costuri de producţie mici, într-o spirală vertiginoasă odată cu dezvoltarea pe scară largă a pieţei;• diferitele materiale accesibile şi ingineria structurii benzii interzise permit realizarea laserilor de lungimi de undă corespunzătoare într-o anumită gamă; se dispune astfel pe piaţă de laseri cu semiconductori cu lungimi de undă între roşu şi infraroşu până la 2 m şi chiar în domeniul albastru, sau infraroşul mediu;

În ce priveşte limitările lor, laserii cu semiconductori sunt laseri de energie mică, explicată natural prin compactitatea dispozitivelor şi puterea limitată pe care o pot suporta într-un volum atât de mic, pe de o parte şi, pe de altă parte, printr-un timp de viaţă radiativ scurt şi deci o incapacitate de a stoca energie.

Alte puncte slabe ale laserilor cu semiconductori sunt, pe de o parte calitatea mediocră a fasciculului (în comparaţie cu cea de la laserii cu solid sau gaz) şi, pe de altă parte, domeniile de lungime de undă încă puţin acoperite de diodele laseri: în primul rând, verde, albastru sau UV, domenii spectrale în care performanţele laserilor cu semiconductori sunt încă slabe.În privinţa perspectivelor, diodele laser sunt încă departe de a-şi demonstra toate posibilităţile. Cucerirea noilor domenii spectrale face obiectul unei cercetări foarte intense pentru aplicaţii de stocarea informaţiei, imprimarea laser, sau de imagistică laser. Această cercetare est dificilă, căci emisia în domeniul albastru presupune utilizarea semiconductorilor cu bandă interzisă mare (cum este GaN), mai puţin stăpânită decât cea a semiconductorilor depuşi pe GaAs sau InP. De cealaltă parte a spectrului, în IR mediu, materialele pe bază de antimoniu prezintă performanţe în creştere rapidă pentru lungimi de undă situate între 2 et 3 m. Dincolo de acest domeniu, laserii în cascadă cuantică, apăruţi recent, oferă o gamă foarte extinsă de lungimi de undă accessibile, între 4 et peste 15 m.

Efectul laser poate fi obţinut, în anumite condiţii, şi în materialele semiconductoare, în care inversia de populaţie se realizează fie prin pompaj optic, fie prin pompaj cu fascicul de electroni, fie electric.

Pompajul optic este utilizat pentru obţinerea inversiei de populaţie într-un semiconductor cu care este dificil să se realizeze o joncţiune p-n şi el se realizează prin iradierea semiconductorului respectiv (omogen) cu o radiaţie provenită de la un alt laser, când are loc în semiconductor generarea optică de perechi electron-gol. Astfel, un semiconductor omogen InSb, excitat cu radiaţie provenită de la un laser GaAs cu joncţiune, cu = 840 nm, emite o radiaţie laser cu = 5300 nm iar un semiconductor omogen CdSe, excitat cu radiaţie cu = 632,8 nm, provenită de la un laser cu He-Ne, emite o radiaţie laser cu = 690 nm.

Efect laser se poate obţine şi prin bombardarea unui semiconductor cu un fascicul de electroni de energie mare (~ 200 keV), metodă folosită în special pentru semiconductori cu o lărgime a benzii interzise mare (ZnS, CdS), care, evident, vor genera radiaţie laser cu frecvenţă mare, în domeniul ultraviolet.

Inversia de populaţie realizată pe cale electrică se poate produce în două moduri: prin ionizare prin ciocniri în câmp electric intens sau prin injecţie la zona de contact.

Este cunoscut faptul că, sub acţiunea unui câmp electric intens, purtătorii de sarcină electrică liberi sunt acceleraţi, căpătând suficientă energie pentru a genera alte perechi de purtători, astfel având loc o multiplicare în avalanşă a purtătorilor care se recombină radiativ. Utilizând structuri de tip pp+p din GaAs, se poate obţine o radiaţie laser plasând structura într-o cavitate Fabry-Perot. Radiaţia este emisă prin recombinarea coerentă în zona p+ a electronilor generaţi prin multiplicarea în avalanşă în zona p de rezistivitate mare.

A doua metodă de realizare a inversiei de populaţie pe cale electrică, aceea de injecţie la zona de contact, se poate obţine în joncţiuni p-n polarizate direct, în structuri metal-semiconductor, sau în structuri MOS.

Laserul cu joncţiune p-n sau dioda laser este un dispozitiv realizat dintr-o joncţiune p-n cu dopare puternică în ambele regiuni. Polarizând direct joncţiunea, în zona stratului de baraj se produce o inversie de populaţie.

Laserul cu semiconductor se deosebeşte esenţial de alte tipuri de laser, prin următoarele caracteristici:- tranziţiile radiative au loc în laserul cu semiconductor nu între niveluri energetice discrete, ca

la ceilalţi laseri, ci între benzi energetice, în funcţie de structura de benzi a semiconductorului;

- dimensiunile geometrice ale laserului cu semiconductor sunt foarte mici;- caracteristicile spectrale şi spaţiale ale fasciculului laser emis de un laser cu semiconductor

depind substanţial de proprietăţile materialului semiconductor utilizat; monocromaticitatea radiaţiei laser este mai puţin pronunţată, coerenţa şi direcţionalitatea fasciculului fiind de asemenea mai slabe faţă de alte tipuri de laseri.

1.2.3. Diode laserCondiţia necesară pentru ca un semiconductor să devină o sursă de radiaţie stimulată este

aceea ca să se realizeze situaţia de inversie de populaţie, adică situaţia în care numărul de electroni aflaţi în stări energetice superioare, din banda de conducţie, să fie mai mare decât numărul electronilor aflaţi în stări energetice cu energie mai joasă, situate în banda de valenţă.

Aşa cum s-a arătat anterior, pentru a obţine inversia de populaţie, se utilizează diferite metode, dintre care cea mai des utilizată este aceea de excitare prin injecţia purtătorilor în joncţiunea p – n.

Pentru construcţia diodelor laser (laseri cu semiconductori funcţionând prin injecţie) sunt folosite materiale semiconductoare cu benzi aliniate, astfel încât să predomine tranziţiile optice directe, la care absorbţia optică este puternică, deci şi coeficientul de amplificare optică este mai mare în comparaţie cu tranziţiile optice indirecte şi care, fiind procese optice de ordinul doi (în care participă şi cea de-a treia particulă – un fonon sau alt centru de împrăştiere), au un coeficient de absorbţie mult mai mic. Materialele cele mai folosite în acest scop sunt compuşii semiconductori, mai ales de tipul AIIIBV, cum sunt: GaAs, GaP, GaAsxP1-x, InP, InAs etc., caracterizaţi prin tranziţii optice directe.

Procesele care au loc sunt ilustrate schematic în figura 6.16, în care este reprezentată structura energetică a semiconductorului în care s-a realizat starea de inversie de populaţie.

Fig. 6.16 – Schema tranziţiilor într-un semiconductor

Se observă că, spre deosebire de semiconductorul aflat în stare de echilibru, la care toate stările energetice din banda de valenţă sunt ocupate (la 0 K) iar cele din banda de conducţie sunt

libere, în cazul realizării inversiei de populaţie, care este o stare de cvasi-echilibru la T 0 K, prin acţiunea unor factori externi banda de valenţă are stări energetice neocupate între nivelul Fermi, FP şi limita superioară a benzii de valenţă, WV iar banda de conducţie are stările energetice ocupate până la nivelul Fermi, Fn. Sistemul fiind în cvasi-echilibru, mult mai probabile sunt tranziţiile electronilor din banda de conducţie în banda de valenţă, însoţite de emisia stimulată a radiaţiei (în urma recombinării radiative, cu fotoni de energie: h Eg, decât absorbţia fotonilor în semiconductor (deoarece fotonii incidenţi nu au la dispoziţie electroni în banda de valenţă pentru a-i determina să treacă în banda de conducţie, nivelurile energetice din aceasta din urmă fiind deja ocupate până la nivelul Fermi, Fn. Este evident că atât gradul de inversie de populaţie, cât şi rata de recombinare radiativă sunt cu atât mai mari, cu cât concentraţia purtătorilor este mai mare, deci cu cât semiconductorul are un grad mai mare de dopare; de aceea, laserii cu semiconductori cu injecţie se realizează cu joncţiuni p-n puternic dopate (până la nivelul de degenerare).

Aşa cum este cunoscut, distribuţia după energii a purtătorilor de sarcină în condiţii de neechilibru se poate descrie cu ajutorul funcţiei de distribuţie Fermi-Dirac, în care energia nivelului Fermi, F, este înlocuită cu energia cvasi-nivelurilor Fermi Fn, respectiv Fp, pentru electroni şi, respectiv goluri, adică:

(6. 19)

(6. 20)În relaţiile 6.18 şi 6.20, fC() şi fV() sunt funcţiile de distribuţie pentru electronii din

banda de conducţie şi, respectiv, din banda de valenţă în condiţii de neechilibru. Intensitatea procesului de emisie fotonică, adică intensitatea fasciculului laser, este determinată de numărul proceselor de tranziţie a electronilor din stări de energie superioare (, din banda de conducţie) în stările de energie inferioare ( – h, din banda de valenţă).

Dacă NC() şi NV() reprezintă densităţile de stări energetice din banda de conducţie, respectiv din banda de valenţă, intensitatea procesului de emisie este proporţională cu produsul dintre densitatea de stări energetice ocupate din banda de conducţie, NC()fC() şi densitatea de stări libere din banda de valenţă, NV( – h)[1 – fV( – h)]. Astfel, pentru intensitatea totală a proceselor de emisie, rezultă probabilitatea totală de emisie:

pe ~ ∫NC()fC()NV( – h)[1 – fV( – h)]d (6. 21)Analog, pentru intensitatea totală a proceselor de absorbţie, se poate scrie probabilitatea:pa ~ ∫ NV( – h)fV( – h) NC()[1 – fC()]d (6. 22)Expresiile 6.21 şi 6.22 au acelaşi coeficient de proporţionalitate, legat de probabilităţile

de tranziţie bandă – bandă. Pentru a avea loc fenomenul de amplificare a radiaţiei este necesar ca pe > pa şi, ca urmare, din relaţiile 6.21 şi 6.22, rezultă:

Fn – Fp > h (6. 23)Relaţia 6.23 reprezintă condiţia ca intensitatea tranziţiilor bandă-bandă cu emisie

stimulată să fie mai mare decât intensitatea tranziţiilor cu absorbţie de fotoni. Dacă semiconductorul conţine impurităţi în banda interzisă (cum este cazul diodelor laser), iar nivelul energetic al impurităţilor reprezintă fie starea iniţială fie starea finală pe care au loc tranziţiile, atunci în relaţia 6.23 se utilizează cvasi-nivelul Fermi pentru nivelul impurităţilor cu coeficientul corespunzător de degenerare.

Eg

EFn

EFp

a

EC

EV h

b

EF Eg

eV

EC

EV

Cel mai utilizat semiconductor pentru construcţia laserilor cu injecţie cu homojoncţiuni p-n este arseniura de galiu (GaAs). Construcţia se realizează astfel: Se foloseşte un mic monocristal, cu lungimea de câteva zecimi de mm, din GaAs, de formă cubică sau paralelipipedică (figura 6.17), dopat cu impurităţi donoare (Se, Te etc.), în care, într-o regiune se difuzează apoi impurităţi acceptoare (Zn, Cd etc.), în concentraţie mai mare.

Fig. 6.17 – Structura constructivă a unei diode laser

La zona de contact dintre regiunea dopată cu impurităţi donoare şi cea în care s-au difuzat impurităţi acceptoare se formează homojoncţiunea p-n, structura de benzi a acesteia fiind reprezentată în figura 6.18.a. Datorită dopării puternice a ambelor regiuni, necesară obţinerii unui grad ridicat de inversie de populaţii, această structură este asemănătoare celei a unei diode tunel, adică nivelul Fermi este situat în banda de conducţie în zona n şi în banda de valenţă în zona p. La aplicarea unei tensiuni de polarizare directă (figura 6.18. b), nivelurile Fermi în cele două regiuni se distanţează cu valoarea eV, unde V este tensiunea aplicată. Bariera de potenţial a stratului de baraj scade şi se produce fenomenul de injecţie, care este cu atât mai intens, cu cât V este mai mare şi în mod corespunzător va fi mai intens şi curentul prin joncţiunea p-n.

Electronii din zona n trec prin bariera (mai scăzută) de potenţial în zona p, în stările libere din banda de valenţă, ceea ce determină emisia fotonilor cu energia h. Recombinarea purtătorilor cu emisie spontană sau stimulată de radiaţie are loc cu o probabilitate mare dacă în vecinătatea aceluiaşi punct se realizează concentraţii mari de purtători de neechilibru, aşa cum se întâmplă şi în cazul fenomenului de injecţie în regiunea de sarcină spaţială (stratul de baraj). Ca urmare, recombinarea radiativă are loc chiar în această regiune de sarcină spaţială. În această regiune, electronii care difuzează într-un sens se recombină cu golurile care difuzează în sens invers, în urma acestui proces rezultând un flux de fotoni emişi din stratul de baraj care constituie în acest caz mediul activ laser.

Fig. 6.18 – Structura benzilor energetice în dioda laser în lipsa polarizării (a) şi în prezenţa acesteia (b)

Grosimea stratului de baraj este în general de ordinul de mărime al lungimii de difuzie. Rata de recombinare radiativă poate fi mărită prin asigurarea condiţiilor ca fotonii generaţi să parcurgă de mai multe ori regiunea activă în planul joncţiunii.

La curenţi de injecţie mici, joncţiunea se comportă ca o diodă luminescentă obişnuită, emiţând o radiaţie necoerentă, având un interval spectral mai larg (~ 100 nm) şi o divergenţă mare pe direcţia de emisie.

La curenţi de injecţie mai mari, peste valoarea de prag, radiaţia devine coerentă, foarte intensă, cu un interval spectral îngust şi cu o divergenţă mică a fasciculului emis, având toate calităţile unei radiaţii laser.

Un parametru important al laserilor cu injecţie cu joncţiune p-n este randamentul cuantic intern, i, definit ca raportul dintre probabilitatea de recombinare radiativă, Prr şi probabilitatea totală de recombinare, Prt.

(6. 24)Prr şi Prt depind de timpii de viaţă efectivi ai perechilor electron-gol care se recombină

radiativ, rr sau neradiativ, rn. Timpul total de viaţă efectiv este dat de:

(6. 25)Atunci:

(6. 26)Diodele laser produc un fascicul de calitate inferioară celor produse de alte tipuri de

laseri. Acest fascicul este destul de divergent, eliptic şi astigmatic. De obicei, aceste deficienţe sunt corectate prin utilizarea diferitelor sisteme optice corectoare.

Temperatura joacă un rol important în diodele laser. Lungimea de undă, puterea, zgomotul de fond al fasciculului, structura modală şi timpul de viaţă al laserului sunt toate dependente de temperatură. Cele mai sofisticate sisteme de control activ al temperaturii conţin un dispozitiv Peltier şi un ventilator încorporat. Aceste sisteme stabilizează caracteristicile spectrale, reduc zgomotul de fond al fasciculului şi maximizează viaţa dispozitivului.

Pentru a obţine efectul laser într-o joncţiune p-n, aceasta trebuie polarizată direct şi adusă la un nivel de injecţie suficient de mare.

Crescând curentul de injecţie, se observă apariţia unei emisii de radiaţie cu spectru larg (~ 100 nm), incoerentă şi cu divergenţă mare pe direcţia de propagare, datorată proceselor de recombinare radiativă spontană, caracteristică diodelor luminescente.

Când curentul de injecţie depăşeşte o anumită valoare, numită curent de prag, apare fenomenul de recombinare radiativă stimulată, însoţit de emisia unei radiaţii de tip laser.

Primele diode laser, dezvoltate la începutul anilor ’60 din secolul trecut, au fost construite cu homojoncţiuni, cu structura tipică a unei diode semiconductoare obişnuite. Ele necesitau însă un curent intens pentru menţinerea inversiei de populaţie şi căldura generată de acesta distrugea rapid dispozitivul.

Pentru reducerea curentului şi căldurii degajate, menţinând totodată inversia de populaţie, diodele laser moderne comprimă emisia stimulată într-o mică regiune. Astfel, densitatea de

curent rămâne suficient de mare pentru menţinerea inversiei de populaţie, dar curentul total nu supraîncălzeşte laserul. Sunt două moduri prin care se poate realiza acest lucru: creşterea densităţii purtătorilor de sarcină şi creşterea densităţii puterii optice intracavitare.

Ambele metode implică tehnici sofisticate de fabricaţie a semiconductorilor, care au evoluat în ultimii 40 de ani. Ele permit obţinerea unor structuri complexe, prin creşterea, practic moleculă cu moleculă. Astăzi, metode ca epitaxia cu fascicule moleculare şi depunerea din fază de vapori metal-organic permit crearea unor structuri semiconductoare care au grosimi de numai câţiva atomi.

Un mod de a creşte densitatea purtătorilor de sarcină este utilizarea unui electrod sub forma unei benzi înguste (fâşii), aşa cum se poate vedea în figura următoare. În locul injectării curentului pe o arie mare a suprafeţei diodei, curentul este injectat numai de-a lungul benzii înguste, rezultând o mult mai mare concentraţie a purtătorilor de sarcină în diodă(figura 6.19).

Laserul confinează curentul într-o mică regiune (confinarea curentului în planul joncţiunii) şi de asemenea, confinează fotonii generaţi perpendicular pe planul joncţiunii, datorită proiectării de tip „dublă heterostructură”. Electronii şi golurile se recombină într-o regiune îngustă de grosime d şi materialul are acolo un indice de refracţie mai mare decât materialul de deasupra sau de sub el. Aceasta înseamnă că fotonii sunt reflectaţi de interfaţa dintre materiale, fiind deci confinaţi în regiunea de grosime d.

Fig. 6.19 – Diodă laser cu un electrod în forma unei fâşii înguste pentru a restricţiona fluxul curentului într-o regiune îngustă şi o dublă heterostructură pentru confinarea fotonilor

O metodă mai sofisticată de creştere a densităţii purtătorilor de sarcină implică natura cuantică a acestor purtători în regiuni foarte subţiri. Dacă dimensiunea d este foarte mică, de câţiva zeci de nanometri, efectele cuantice devin importante şi purtătorii de sarcină sunt captaţi în această regiune subţire. Astfel de structuri se numesc gropi cuantice şi sunt frecvent utilizate în laserii cu semiconductori moderni (a se vedea paragraful 6.2.7).

1.2.4. Lungimea de undă a radiaţiei diodelor laserLungimea de undă a radiaţiei emise de o diodă laser depinde de energia eliberată sub

forma unui foton când se recombină un electron şi un gol, care este egală, în principiu, cu lărgimea benzii interzise. Pentru semiconductorii compuşi din două elemente (binari), lărgimea benzii interzise este fixată la o valoare dată. De exemplu, lărgimea benzii interzise a GaAs corespunde unei lungimi de undă a fotonului de 870 nm. Pentru semiconductorii compuşi din trei (ternari) sau patru (cuaternari) elemente, lărgimea benzii interzise depinde de concentraţia relativă a elementelor. Arseniura de galiu şi aluminiu (GaAlAs) are o lărgime a benzii interzise

corespunzând unor lungimi de undă ale fotonilor de la 900 la 620 nm, astfel că lungimea de undă a radiaţiei unui laser cu GaAlAs poate fi modificată prin modificarea cantităţilor relative de galiu, aluminiu şi arsen în cristal. Domeniul lungimilor de undă variază de la 620 la 900 nm în teorie, sau de la aproximativ 750 la aproximativ 850 nm în dispozitivele practice. Lungimi de undă mai scurte, în domeniul albastru, sau chiar în ultraviolet, se pot obţine utilizând compuşi pe bază de azotură de galiu.

Se pot crea semiconductori ternari şi cuaternari cu lărgimi ale benzii interzise într-un domeniu larg, corespunzând fotonilor din infraroşul mijlociu (câţiva m) până în ultraviolet. Nu se pot construi însă laseri cu mulţi dintre aceşti compuşi, deoarece constanta reţelei compusului trebuie să fie foarte apropiată de cea a substratului. Arseniura de galiu (GaAs) şi fosfura de indiu (InP) sunt două dintre cele mai bune substraturi şi cerinţa de potrivire a constantei reţelei compusului cu cea a unuia dintre aceste cristale limitează lungimile de undă disponibile pentru diodele laser.

În afară de GaAlAs, laserii cu semiconductori pot fi construiţi cu AlGaInP (ale cărui lungimi de undă sunt în domeniul 650 ÷ 680 nm), InGaAsP (1,1 ÷ 1,65 μm) şi InGaAsSb (1,7 ÷ 4,3 μm). Mai recent, compuşii GaN au permis construirea unor diode laser în domeniul albastru, sau chiar ultraviolet. Alţi laseri cu semiconductori, pe bază de aşa-numiţii compuşi cu săruri de plumb, includ PbSnTe (6 ÷ 25 μm) şi PbEuSeTe (2 ÷ 4 μm).

1.2.5. Caracteristici ale fasciculului laserAnumite aspecte trebuie avute în vedere când se foloseşte acest tip de laser, în mod

special datorită anumitor imperfecţiuni ale fasciculului, dintre care două sunt mai importante:1) Circularitatea

Secţiunea transversală eliptică a fasciculului este o consecinţă a formei rectangulare a faţetei de emisie a diodei laser. Această caracteristică nu dă posibilitatea colimării totale a fasciculului, fiind astfel posibilă doar o cvazicolimare.

Teoria optică ondulatorie arată că un fascicul trecând printr-o mică deschidere are într-o anumită direcţie un unghi de divergenţă total, , dat de relaţia:

θ= 4 λπ d (6. 27)

unde este lungimea de undă şi d este dimensiunea faţetei de emisie pe direcţia respectivă. Diferenţa dintre x şi y determină o secţiune transversală eliptică a fasciculului emis de

diodele laser (figura 6.20). O caracterizare generală din acest punct de vedere este imposibilă ca urmare a diferenţelor şi naturii individuale a diodelor laser. În general, raportul dx/dy poate varia între 3 şi 100, având în vedere că dy ~ 1 m şi dx ~ 3 ÷ 100 m.

Fig. 6.20 – Distribuţia spaţială a fasciculului laser

2) AstigmatismulAstigmatismul este un alt rezultat al formei rectangulare a faţetei emiţătoare a diodei

laser.

Fig. 6.21 – Astigmatismul fasciculului laser

Aşa cum se poate vedea în figura 6.21, fasciculul emis de o mică faţetă este echivalent cu un fascicul emis de o sursă punctiformă imaginară, a cărei poziţie poate fi localizată trasând prelungirile direcţiilor ce limitează fasciculul (şi care fac unghiul între ele). Se poate constata imediat că Px este localizat în spatele lui Py, deoarece x este mai mic decât y. Cu cât diferenţa dintre dx şi dy este mai mare, cu atât distanţa dintre Px şi Py este şi ea mai mare.

Acest fenomen este numit astigmatism, distanţa dintre Px şi Py fiind exprimarea cantitativă (numerică) a acestuia.

Existenţa astigmatismului înseamnă că atunci când se utilizează o singură lentilă convergentă, fasciculul poate fi colimat pe o singură direcţie, fie direcţia x fie direcţia y, din cauză că Px şi Py nu pot fi simultan în focarul lentilei colimatoare.

Pentru corectarea acestor imperfecţiuni, se folosesc diferite metode. Cea mai comună metodă pentru circularizarea fasciculului eliptic este utilizarea unei perechi de prisme de corecţie, aşa cum se poate vedea în figura 6.22. Prismele pot lărgi sau îngusta dimensiunea fasciculului pe o anumită direcţie, păstrând-o neschimbată pe alte direcţii. Valoarea cu care are loc lărgirea sau îngustarea fasciculului poate fi ajustată prim modificarea unghiului dintre cele două prisme. Prin ajustarea corespunzătoare a unghiului dintre prisme şi utilizarea unei aperturi circulare, este posibilă circularizarea unui fascicul eliptic.

Fig. 6.22 – Circularizarea fasciculului laser cu prisme de corecţie

Pentru corectarea astigmatismului, cea mai comună metodă este utilizarea unor lentile cilindrice foarte slabe după lentilele de colimare, aşa cum se poate vedea în figura 6.23. Când orientarea şi distanţa focală a lentilelor cilindrice sunt corecte, această metodă permite colimarea fasciculului în direcţia y, fără alterarea acestuia pe direcţia x.

Avantajele acestor metode sunt: 1. uşurinţa lucrului, nefiind necesare ajustări complicate;2. pierderi de putere mici, singurele pierderi fiind prin reflexii la suprafaţa prismelor şi

lentilelor; pierderea totală este de aproximativ 30% ÷ 50%, dacă suprafeţele sunt acoperite cu straturi antireflex;

3. preţ scăzut. Dezavantajele sunt:

1. distorsionarea mare a frontului de undă al fasciculului şi dispersia puternică a luminii; deoarece fasciculul trebuie să treacă prin opt suprafeţe de sticlă, defectele acestora reduc puternic calitatea fasciculului;

2. astigmatismul rezidual; mărimea astigmatismului variază chiar şi de la o diodă la alta de acelaşi tip şi de obicei ia valori între câţiva m şi câteva zeci de m.

Fig. 6.23 – Corectarea astigmatismului cu lentile cilindrice

O metodă alternativă, care realizează atât circularizarea fasciculului eliptic, cât şi corectarea astigmatismului, este utilizarea unei bucăţi de fibră optică monomod aşa cum se prezintă în figura 6.24. Fasciculul laser este cuplat prin intermediul a două lentile colimatoare la o fibră monomod şi fasciculul de ieşire din fibră este colimat de o a treia lentilă colimatoare.

Lungimea fibrei trebuie să fie mult mai mare decât lungimea de undă a radiaţiei emise de dioda laser. În acest fel, calitatea şi caracteristicile spaţiale ale fasciculului de ieşire din fibră pot fi determinate total de calitatea suprafeţei şi forma capătului fibrei prin care iese fasciculul. Astfel, secţiunea transversală eliptică şi astigmatismul fasciculului înainte de intrarea în fibră,

care variază de la o diodă la alta, nu afectează caracteristicile spaţiale ale fasciculului de ieşire din fibră.

Fibra are o secţiune circulară transversală şi un diametru constante. Ca urmare, fasciculul de ieşire are o secţiune transversală circulară. Cu alte cuvinte, el este lipsit de astigmatism.

Avantajele utilizării acestei metode sunt: 1. distorsionare a frontului de undă şi dispersie a luminii reduse; calitatea frontului de undă şi

nivelul de dispersie a fasciculului colimat sunt afectate numai de calitatea a trei suprafeţe de sticlă;

2. astigmatism rezidual inexistent.Dezavantajele sunt:

1. pierderi de putere mari; cum o fibră monomod are grosimea de numai câţiva m, cuplajul optic dintre fascicul şi fibră nu este eficient. Pierderea de putere rezultată în sistem este de obicei între 50% ÷ 70%;

2. preţ ridicat; dificultatea cuplării fasciculului la o fibră atât de subţire duce la creşterea preţului părţilor mecanice; de asemenea, pentru compensarea pierderii de putere optică, este necesară o putere mai mare a diodei laser;

3. dimensiuni mai mari.

Fig. 6.24 – Corectarea astigmatismului şi circularizarea fasciculului laser cu fibră optică

1.2.6. Diode laser cu dublă heterostructurăToate diodele laser semiconductoare practice sunt fie bazate pe duble heterostructuri, fie

pe structuri cu gropi de potenţial cuantice (quantum wells). O structură şi diagrama simplificată a benzilor energetice la polarizare directă a diodei laser cu dublă heterostructură sunt prezentate în figura 6.25.b şi 6.25.c, ele fiind similare cu cele ale unei LED.

În acest caz, semiconductorii sunt tot AlGaAs, cu Eg ≈ 2 eV şi GaAs, cu Eg ≈ 1,4 eV. Regiunea p-GaAs este un strat subţire, tipic 0,1 ÷ 0,2 µm şi constituie stratul activ, în care au loc emisii stimulate şi, ca urmare, se produce amplificarea optică. Ambele regiuni, p-GaAs şi p-AlGaAs sunt de tip p cu dopare puternică şi sunt degenerate, cu nivelul Fermi în banda de valenţă.

Fig. 6.25 – Principiul de funcţionare al unei diode laser cu dublă heterostructură. a) - densitatea de stări şi distribuţia energetică a electronilor şi golurilor în BC şi BV ale stratului activ şi

recombinarea stimulată de fotoni a electronilor şi golurilor; b) - structura diodei laser cu dublă heterojoncţiune (cu GaAs şi AlGaAs); c) - diagrama simplificată a benzilor energetice la polarizare

directă de valoare mare; efectul laser are loc în stratul activ p-GaAsCând este aplicată o tensiune de polarizare suficient de mare, EC a stratului n-AlGaAs se

deplasează deasupra valorii EC a stratului p-GaAs, ceea ce conduce la o largă injecţie de electroni din BC a stratului n-AlGaAs în BC a stratului p-GaAs, aşa cum se vede în figura 6.25.c. Aceşti electroni sunt confinaţi în BC a zonei p-GaAs, deoarece între stratul p-GaAs şi stratul p-GaAsAl există o barieră de potenţial ∆EC, datorată modificării lărgimii benzii interzise. Confinarea într-un mic volum a purtătorilor de sarcină injectaţi asigură concentraţia necesară a acestora. Stratul în care are loc confinarea este un strat cu o bandă interzisă mai largă decât a stratului activ şi adiacent acestuia, în care sunt confinaţi purtătorii minoritari injectaţi.

Stratul p-GaAs este dopat până la nivelul de degenerare. Astfel, BV este plină de goluri, adică are toate stările electronice goale deasupra nivelului Fermi EFp în acest strat.

Polarizarea de valoare suficientă injectează o mare concentraţie de electroni din stratul n-AlGaAs în BC a stratului p-GaAs. În consecinţă, aşa cum se vede în figura 6.25.a, în BC se găseşte o concentraţie mare de goluri şi stări complet goale în partea superioară a BV, ceea ce înseamnă că aici se produce o inversie de populaţie. Un foton incident cu o energie h0 cu puţin mai mare decât Eg poate stimula un electron de conducţie din stratul p-GaAs să treacă din BC în BV, emiţând un foton prin emisie stimulată. O astfel de tranziţie este o recombinare electron-gol stimulată fotonic. Astfel, o avalanţă de emisii stimulate în stratul activ asigură o amplificare optică a fotonilor cu energia h0 în acest strat. Amplificarea depinde de măsura inversiei de populaţie şi deci de curentul direct prin diodă. Există un curent de prag, Ip, sub care nu se produce emisie stimulată şi deci nici amplificare optică (figura 6.26).

Fig. 6.26 – Caracteristici de ieşire tipice (puterea radiaţiei emise în funcţie de curentul de polarizare directă) pentru o LED şi o diodă laser

Orice emisie sub Ip este datorată emisiei spontane şi dispozitivul lucrează ca LED. Figura 6.26 compară caracteristicile de ieşire ale unei diode laser şi ale unei LED.

Pentru construirea unui laser semiconductor cu o emisie autoîntreţinută consistentă, stratul activ trebuie încorporat într-o cavitate optică. Acesta, având extremităţi reflectătoare, reflectă fotonii coerenţi şi favorizează interferenţa constructivă a acestora în cavitate, ceea ce conduce la o amplificare a oscilaţiilor electromagnetice de înaltă energie. O parte din această energie este extrasă în exterior, ca urmare a faptului că una din extremităţile reflectătoare ale cavităţii este parţial transparentă. De exemplu, o variantă de cavitate optică are o oglindă dielectrică la o extremitate a cristalului semiconductor şi cealaltă extremitate a cristalului este lustruită. În plus, semiconductorii cu bandă interzisă mai mare au în general indici de refracţie mai mici, ceea ce înseamnă că AlGaAs are un indice de refracţie mai mic decât GaAs. Modificarea în valoarea indicelui de refracţie defineşte un ghid de undă optic dielectric care confinează fotonii în regiunea activă a cavităţii optice şi prin aceasta reduce pierderile de fotoni şi creşte concentraţia de fotoni. Această creştere a concentraţiei de fotoni creşte rata emisiilor stimulate şi eficienţa laserului.

Fig. 6.27 – Secţiune printr-o diodă laser cu dublă heterostructură îngropată

Dioda laser cu dublă heterostructură îngropată (buried heterostructure laser diode) este un bun exemplu de dispozitiv semiconductor laser cu dublă heterostructură ce are o regiune activă „îngropată” în dispozitiv astfel încât este înconjurată de materiale cu indice de refracţie scăzut, făcând din regiunea activă un ghid de undă (figura 6.27). Deoarece stratul activ este înconjurat de AlGaAs de indice de refracţie mai scăzut, el se comportă ca un ghid de undă dielectric, asigurând ca fotonii să fie confinaţi în regiunea activă, ceea ce creşte rata emisiilor stimulate şi astfel randamentul diodei. Astfel de diode sunt numite diode cu ghid de indice (index guided diodes). Dacă heterostructura îngropată are dimensiunile potrivite comparativ cu lungimea de undă a radiaţiei, atunci numai modul fundamental poate exista în structura ghidului de undă. Acesta este cazul diodei laser monomod (single mode laser diode).

Diodele laser bazate pe GaAs şi AlGaAs sunt potrivite pentru emisie la lungimi de undă în jurul a 900 nm. Pentru lucrul în domeniul lungimilor de undă pentru comunicaţii optice (1,3 şi 1,55 µm), heterostructurile tipice se bazează pe InP (substrat) şi aliaje cuaternare InGaAsP, acestea având o bandă interzisă mai îngustă decât cea a InP şi un indice de refracţie mai mare. Compoziţia aliajului de InGaAsP este ajustată pentru a obţine banda interzisă necesară pentru straturile activ şi de confinare.

1.2.7. Laseri cu gropi de potenţial cuantice şi laseri cu centri cuanticiUn laser cu groapă de potenţial cuantică (Quantum Well Laser – QWL) are de obicei un

strat foarte subţire, tipic mai subţire de 50 nm, dintr-un semiconductor cu bandă interzisă îngustă, cum este GaAs, plasat între două straturi de semiconductori cu bandă interzisă mai largă, cu este AlGaAs. Aceasta reprezintă un dispozitiv cu heterostructură, schematizat în figura 6.28.a. Cum lărgimea benzii interzise, Eg, se modifică la interfaţă, aici apar discontinuităţi în valoarea lui EC şi EV. Acestea, EC şi EV, depind de materialele semiconductoare şi de doparea acestora. În cazul heterostructurii GaAs/AlGaAs, care este prezentată în figura 6.28.b, EC este mai mare decât EV. Datorită barierei de potenţial EC, electronii de conducţie din stratul subţire de GaAs sunt confinaţi în direcţia z.

Această lungime de confinare, d, este aşa de mică, încât electronul poate fi considerat ca fiind într-o groapă de potenţial unidimensională pe direcţia z, dar liber în planul xOy. Electronii

din BV a stratului de GaAs formează un gaz bi-dimensional. Electronii de conducţie în groapa de potenţial GaAs pot avea energii permise cu valorile E1, E2, E2, … peste valoarea EC şi golurile pot avea energii permise cu valorile E’1, E’2, E’2, … sub valoarea EV, datorită cuantificării pe direcţia z (energia datorată mişcărilor electronilor pe direcţiile x şi y este mică şi se adaugă la E1, E2, E2, …). Densitatea stărilor electronice pentru un sistem electronic bidimensional nu este aceeaşi ca cea din masa semiconductorului. Pentru o concentraţie de electroni dată, n, densitatea de stări, g(E), adică numărul stărilor cuantice pe unitatea de energie şi pe unitatea de volum, este constantă şi nu depinde de energie.

g(E) este constant la între E1 şi E2, unde creşte în salt şi rămâne iarăşi constant, până la E3, când creşte din nou în salt etc. Densitatea de stări în BV are o comportare similară.

Cum la E1 densitatea de stări este finită şi substanţială, electronii din BC nu au o dispersare mare în valorile energiei. În masa semiconductorului însă, densitatea de stări la EC este zero şi creşte lent cu energia (ca şi E’), ceea ce înseamnă că valorile energiei electronilor sunt mai împrăştiate în BC. O mare concentraţie de electroni poate fi uşor obţinută la E1, ceea nu este cazul în masa de semiconductor. În mod asemănător, majoritatea golurilor în BV are energia în jurul lui E’1. La o polarizare directă, electronii sunt injectaţi în BC a stratului de GaAs, strat care serveşte drept strat activ.

Fig. 6.28 – Un dispozitiv cu groapă de potenţial cuantică (QW). a) - structura schematică a dispozitivului; b) – structura energetică a electronilor de conducţie confinaţi în stratul de GaAs în direcţia z pe o lungime foarte mică, d; c) – densitatea de stări a unui dispozitiv bidimensional QW.

Electronii injectaţi populează cu uşurinţă numărul mare de stări la E1, ceea ce înseamnă că la E1 concentraţia de electroni creşte rapid cu creşterea curentului şi astfel inversia de populaţie are loc rapid, fără nevoia unui curent mare. Tranziţiile stimulate ale electronilor între E1 şi E’1

conduc la o emisie laser. Densitatea de curent de prag pentru realizarea inversiei de populaţie şi a emisiei laser este redusă în mod evident faţă de cea a diodelor cu dublă heterostructură de aproximativ 10 ori. Laserii cu gropi de potenţial multiple (multiple quantum well laser – MQWL) au mai mult de o groapă de potenţial, acestea formând o structură periodică (figura 6.29). Straturile cu benzi interzise de lărgime mai mică sunt straturile active, unde au loc confinarea electronilor şi tranziţiile acestora însoţite de emisiile stimulate, în timp ce straturile cu benzi interzise mai largi sunt straturi barieră.

Fig. 6.29 – O structură de dispozitiv cu gropi de potenţial multiple

În prezent, un interes deosebit îl prezintă dezvoltarea dispozitivelor laser cu centri cuantici (quantum dot lasers – QDL). Acestea sunt alcătuite din cristale cu dimensiuni atât de mici, încât electronii de conducţie sunt confinaţi pe toate cele trei direcţii, x, y, z.. Energia electronilor în centrul cuantic este cuantificată într-un mod asemănător cu situaţia de la o groapă de potenţial finită tridimensională. Efectele cuantice devin efective atunci când dimensiunea cristalului este de câţiva nm, tipic mai puţin de 10 nm. Efectele de cuantificare asociate cu microcristale de semiconductori binari II-VI (cum sunt CdS, CdSe, ZnS etc) sunt deja bine cunoscute. Centrii cuantici în InAs de dimensiuni de ordinul a 10 nm pot forma structuri auto-organizate când InAs este crescut pe substraturi de GaAs. Nepotrivirea dintre cele două cristale forţează InAs să se grupeze într-un foarte mic cristal. Prepararea dispozitivelor laser cu centri cuantici utile tehnologic este încă în stadiul de intense cercetări. Acestea au anumite avantaje în comparaţie cu dispozitivele laser cu gropi de potenţial cuantice. Astfel, QDL au densitatea de curent de prag cea mai mică dintre toate dispozitivele descrise până acum şi spectrul de emisie cel mai îngust. În plus, curentul de prag prezintă o mult mai slabă dependenţă de temperatură decât la QWL.

1.2.8. Laseri cu reacţie distribuităIdeal, spectrul radiaţiei emise de către un dispozitiv laser trebuie să fie cât mai îngust

posibil, ceea ce înseamnă în general că, într-un laser având la bază o cavitate Fabry-Perrot, trebuie să fie permisă existenţa unui singur mod şi trebuie reduse pierderile în cavitate ca urmare a reflexiile pe suprafeţele de la extremităţile cavităţii. Există diferite dispozitive care au un spectru cu puritate modală foarte ridicată. Dintre acestea, unul dintre cele mai importante este laserul cu reacţie distribuită (distributed feedback laser – DFBL). Într-un laser cu cavitate Fabry-Perrot, feţele cristalului asigură feedback-ul optic necesar în cavitate pentru a asigura concentraţia de fotoni. În laserul DFB, aşa cum se vede în figura 6.30.a, se află un strat striat (canelat), numit strat de ghidaj, peste stratul activ; radiaţia se propagă în spaţiul dintre stratul activ şi stratul de ghidaj, ale cărui striaţii acţionează ca o reacţie optică pe lungimea cavităţii prin producerea unor reflexii parţiale (asemănător cu reflexia selectivă pe o reţea de difracţie). Astfel, feedback-ul optic este distribuit pe toată lungimea cavităţii.

Fig. 6.30 – a) - structură laser cu reacţie distribuită; b) emisie laser ideală; c) spectru de emisie tipic pentru un laser cu reacţie distribuită

În structura DFB, undele ce se propagă sunt reflectate parţial şi periodic. Undele care se propagă la stânga sau la dreapta se pot cupla coerent pentru construcţia unui mod numai dacă frecvenţa lor este relaţionată cu perioada striaţiilor, Λ. Modurile DFB permise nu sunt exact la lungimea de undă dată de condiţia Bragg, B, dar sunt simetric dispuse faţă de aceasta.

Pragul amplificării pentru modurile superioare este atât de mare, încât efectiv doar modul de ordinul cel mai mic suferă efectul laser. Un dispozitiv perfect simetric are două moduri egal distanţate plasate de o parte şi de alta a lui B (figura 6.30.b). În realitate, inevitabila asimetrie introdusă în procesul de fabricaţie conduce la un singur mod. În prezent, diodele laser DFB pentru canalul de comunicaţie optică la 1,55 m prezintă lărgimi spectrale ale semnalului emis de ordinul a 0,1 nm.

1.2.9. Laseri cu emisie prin suprafaţa unei cavităţi verticaleUna din problemele fundamentale ale diodelor laser este fasciculul puternic divergent,

eliptic al acestora. Deşi divergenţa poate fi corectată cu sisteme optice, inerenta problemă a sursei mici, eliptice nu poate fi niciodată rezolvată complet. Diodele laser au şi alte limitări fundamentale. Deşi sunt extrem de mici, cavitatea rezonatoare a lor este totuşi de ordinul a sute de micrometri în lungime, suficientă pentru a suporta moduri longitudinale multiple. Dacă lărgimea benzii laserului nu este redusă artificial, se produce o instabilitate atât în amplitudinea, cât şi în frecvenţa radiaţiei laser. În plus, deoarece fasciculul laser emerge din muchia (bordura) cristalului tăiat, iar acesta nu este tăiat până la sfârşitul procesului de fabricare, nu este posibilă testarea optică a dispozitivelor în timpul fabricării. Acest lucru determină creşterea preţului de fabricare a dispozitivelor.

Fig. 6.31 – Într-o structură VCSEL (b), rezonatorul este vertical şi lumina emerge din suprafaţa laserului şi nu din muchia acestuia, ca la dioda laser convenţională (a)

În sfârşit, deşi pot fi fabricate structuri monolitice bidimensionale de diode laser, procesul este extrem de dificil şi nu se întrevede un viitor apropiat la care preţul de fabricare să fie convenabil.

Laserul cu cavitate verticală şi emisie de suprafaţă (vertical cavity, surface-emitting laser - VCSEL, pronunţat vixel) permite depăşirea acestor probleme. La diodele laser convenţionale, cavitatea rezonatoare este în planul orizontal (figura 6.31.a). La un VCSEL, cavitatea este pe direcţia verticală (figura 6.31.b), iar oglinzile sunt localizate deasupra şi sub zona de inversie a populaţiei, în loc de o parte şi de alta a acesteia. Dioda laser convenţională (cu cavitate orizontală) este un emiţător pe muchie, în timp ce dioda laser cu cavitate verticală este un emiţător de suprafaţă.

Se pot observa cu uşurinţă avantajele unei astfel de proiectări, care elimină problema fasciculului divergent, eliptic, determinat de o suprafaţă de emisie mică şi neregulată a unui emiţător pe muchie. Aria de emisie a emiţătorului de suprafaţă este rotundă şi mult mai mare.

Este evident că rezonatorul unui VCSEL este mai scurt decât cel al unui laser convenţional. De fapt, este atât de scurt, încât distanţa dintre modurile longitudinale este prea mare pentru ca mai mult de un mod să poată oscila. (modurile longitudinale sunt distanţate cu valoarea c/2ℓ). Astfel, instabilitatea laserilor convenţionali este eliminată.

Mai mult de atât, dificultăţile de fabricare sunt reduse, deoarece este posibilă testarea optică a unei plachete cu VCSEL în timpul procesului de fabricaţie. Se pot obţine densităţi foarte mari, de zeci de milioane de diode pe o astfel de plachetă, scăzând astfel preţul diodelor individuale. Şi structurile bidimensionale de astfel de diode pot fi fabricate mai uşor, cu un preţ mai mic.

Aşa cum se poate vedea în figura anterioară, VCSEL au axa cavităţii optice de-a lungul direcţiei fluxului de curent, spre deosebire de diodele laser convenţionale, la care aceasta este perpendiculară pe fluxul de curent. Lărgimea regiunii active este foarte mică în comparaţie cu dimensiunile laterale, astfel încât radiaţia emerge de la suprafaţa cavităţii şi nu de pe muchia îngustă a acesteia (figura 6.32). Reflectoarele de la capetele cavităţii sunt oglinzi dielectrice, alcătuite multistraturi cu lame sfert de undă la care indicele de refracţie alternează (n1 şi n2).

Acestea asigură un grad ridicat de reflectanţă selectivă la o anumită lungime de undă dacă grosimile straturilor alternante, d1 şi d2 şi indicii de refracţie n1 şi n2 satisfac condiţia:

n1d1 + n2d2 = (6. 28)ceea ce conduce la o interferenţă constructivă a tuturor undelor parţial reflectate la interfeţe.

Cum unda este reflectată datorită unei variaţii periodice a indicelui de refracţie, oglinda dielectrică este în esenţă un reflector Bragg distribuit. Reflectanţa ridicată a acestor oglinzi este necesară deoarece lungimea cavităţii foarte scurtă reduce amplificarea optică a stratului activ. Pentru a obţine reflectanţa necesară (~ 99%), numărul straturilor alternante este de 20 ÷ 30. Întreaga cavitate optică este verticală dacă se păstrează curentul la fel ca la cavitatea unei diode laser convenţionale.

Fig. 6.32 – Schemă simplificată a unei structuri VCSEL

Stratul activ este în general foarte subţire (< 0,1 µm) şi de preferat este o structură cu gropi de potenţial multiple (MQW) pentru a obţine un curent de prag convenabil. Straturile semiconductoare necesare sunt crescute prin creştere epitaxială pe un substrat convenabil, care este transparent la lungimea de undă de emisie. De exemplu, un dispozitiv VCSEL care emite la 980 nm are stratul activ din InGaAs şi substratul din GaAs (transparent la 980 nm). Oglinzile dielectrice sunt straturi alternante de AlGaAs cu compoziţie diferită şi deci cu bandă interzisă de lărgime diferită şi cu indice de refracţie diferit. Cavitatea verticală este de obicei circulară în secţiune transversală, astfel încât fasciculul emis are o secţiune transversală circulară, ceea ce este un avantaj.

Înălţimea cavităţii verticale poate fi de câţiva microni. Aşadar, separarea modurilor longitudinale este suficient de bună pentru a permite lucrul unui singur mod longitudinal. Totuşi, pot apărea unul sau mai multe moduri laterale (transversale), în funcţie de dimensiunea laterală a cavităţii. În practică apare un singur mod lateral în spectrul de ieşire pentru diametre ale cavităţii

mai mici de aproximativ 8 µm. Diferitele tipuri de VCSEL fabricate au diferite moduri laterale, dar lărgimea spectrului rămâne numai de aproximativ 0,5 nm, substanţial mai mică decât la o diodă laser convenţională longitudinală multimod. Cu dimensiuni ale cavităţii de ordinul micronilor, un astfel de laser este cunoscut sub numele de microlaser. Unul dintre cele mai importante avantaje ale microlaserilor este acela că ei pot fi aranjaţi pentru a forma o matrice emiţătoare care este sursă laser cu o suprafaţă de emisie mare. Astfel de structuri au importante posibile aplicaţii în interconectarea optică şi în tehnologiile calculatoarelor optice. În plus, ele pot furniza puteri optice mai mari (de ordinul a câţiva W) decât o singură diodă laser convenţională.

Laserul cu emisie la suprafaţa unei cavităţi verticale are multe avantaje faţă de laserii cu emisie pe muchie. Proiectarea sa permite chipurilor să fie fabricate şi testate pe un singur soclu. Pot fi obţinute câmpuri largi de dispozitive astfel încât devin posibile aplicaţii cum sunt reţelele neuronale optice. În industria telecomunicaţiilor, profilul fasciculului monomod, uniform, obţinut cu un dispozitiv VCSEL este de dorit pentru cuplarea în fibrele optice. Totuşi, concomitent cu aceste avantaje, apar unele probleme, în special la fabricare şi la lucrul la puteri mari.

Fig. 6.33 – VCSEL cu reflector metalic

Primele dispozitive VCSEL au fost fabricate în 1965 de Melngailis şi constau dintr-o joncţiune n+pp+ de InSb. Răcit la 10 K şi supus unui câmp magnetic pentru a confina purtătorii, dispozitivul emitea radiaţie coerentă la o lungime de undă de aproximativ 5,2 m. Mai târziu, au fost puse la punct şi alte dispozitive asemănătoare, cu emisie în infraroşul apropiat, pentru telecomunicaţiii la lungimea de undă de 1,5 m. Aceste prime dispozitive VCSEL aveau oglinzi metalice care aveau ca rezultat densităţi de curent de prag ridicate (44 kA/cm2 ) şi erau răcite utilizând azot lichid (figura 6.33).

Oglinzi epitaxiale pentru dispozitive VCSEL cu GaAs/AlGaAs au fost realizate începând cu 1983, iar dispozitive VCSEL în pulsuri la temperatura camerei un an mai târziu. Reducerea

densităţii de curent de prag a fost legată de reducerea volumului activ al cavităţii. În prezent, dispozitivele VCSEL cu GaAs/AlGaAs au curenţi de prag de aproximativ 40 A.

Există mai multe tipuri de structură VCSEL, dar toate au anumite aspecte comune. Lungimea cavităţii dispozitivelor VCSEL este foarte scurtă, tipic de 1 până la 3 ori lungimea de undă a luminii emise. Ca rezultat, la o singură parcurgere a cavităţii, un foton are o mică şansă de a declanşa un proces de emisie stimulată la densităţi de purtători scăzute. De aceea, dispozitivele VCSEL necesită oglinzi cu reflectanţă foarte mare pentru a fi eficiente.

Fig. 6.34 – VCSEL cu groapă gravată

La laserii cu cavitate Fabry-Perot, reflectanţa feţelor cavităţii este de aproximativ 30%. Pentru VCSEL, reflectanţa necesară pentru curenţi de prag scăzuţi este mai mare de 99,9%. O reflectanţă atât de mare nu poate fi obţinută prin utilizarea oglinzilor metalice. Dispozitivele VCSEL utilizează reflectori Bragg distribuiţi (Distributed Bragg Reflectors – DBR). Aceştia sunt formaţi aşezarea unor straturi alternante de materiale semiconductoare sau dielectrice cu o diferenţă în indicele de refracţie. La dispersia minimă pentru fibrele optice, materialele semiconductoare utilizate pentru DBR au o mică diferenţă în indicele de refracţie, de aceea sunt necesare un număr mare de straturi. Cum straturile DBR sunt şi conductoare ale curentului în dispozitiv, mai multe straturi duc la creşterea rezistenţei electrice a acestuia; de aici, creşterea disipării de căldură poate deveni o problemă dacă dispozitivul nu este proiectat corect. Unele dintre tipurile de VCSEL sunt prezentate în continuare, în ordinea evoluţiei acestora.

Fig. 6.35 – VCSEL cu bornă aeriană

În prezent, cele mai multe dispozitive VCSEL utilizează cavităţi cu gropi de potenţial cuantice. Prin depunerea unui strat subţire de semiconductor cu o bandă interzisă mai mică, se

poate nu numai defini o regiune pentru a se produce recombinarea, dar se pot controla şi proprietăţile optice ale dispozitivului. Puterea obţinută de la o singură groapă de potenţial cuantică este mică. Pot fi create multiple gropi de potenţial în cavitate pentru a creşte puterea obţinută. Poziţia gropii de potenţial cuantice este crucială pentru maximizarea amplificării dispozitivului.

Lungimea redusă a cavităţii în dispozitivele VCSEL şi adăugarea gropii de potenţial cuantice reduce semnificativ probabilitatea emisiei stimulate la parcurgerea o singură dată a cavităţii. Lumina în cavitate trebuie să fie reflectată înapoi în cavitate de mai multe ori decât la un laser cu cavitate Fabry-Perot. Timpul mediu pe care fotonii îl petrec în cavitate este numit timp mediu de viaţă al fotonului. Reflectanţa oglinzilor trebuie să fie foarte mare pentru a creşte timpul mediu de viaţă al fotonului şi deci timpul de interacţie cu stările electronice excitate. Calculul dă o valoare minimă a reflectanţei de 99,95%. Oglinzile metalice sunt limitate la o reflectanţă de aproximativ 98% şi astfel, pentru astfel de regiuni active mic sunt inutile. Materialele dielectrice şi semiconductoare au un coeficient de absorbţie foarte mic pentru fotoni cu energii sub lărgimea benzii interzise a materialului. Dacă două materiale dielectrice cu un indice de refracţie diferit sunt plasate împreună pentru a forma o joncţiune, lumina va fi reflectată la suprafaţa discontinuităţii. Cantitatea de lumină reflectată de astfel de discontinuităţi este mică. Totuşi, dacă straturile alternante de semiconductor sau dielectric sunt stratificate periodic, fiecare strat având o grosime optică de (/4)n, reflecţiile pe fiecare discontinuitate se vor adiţiona în pentru a produce o reflectanţă mare. Se obţine astfel un reflector Bragg distribuit.

Fig. 6.36 – VCSEL îngropat prin recreştere epitaxială

Numărul straturilor necesare pentru a produce oglindă cu reflectanţă foarte mare la o lungime de undă particulară este determinat de diferenţa dintre indicii de refracţie ai materialelor straturilor alternante. De asemenea, trebuie avută în vedere şi constanta reţelei materialelor, care trebuie să fie asemănătoare, diferenţele la zonele de separare trebuind să fie sub 1%, pentru a evita fisurile datorate tensiunilor mecanice din reţea. Fiind dat indicele de refracţie al

substratului, ns şi cel al materialului înconjurător (de obicei aer), n0, ca şi cei ai straturilor semiconductoare alternante, n1 şi n2, pentru un număr dat de perioade, m, reflectanţa este dată de:

R = (6. 29)Oglinzile pentru dispozitive cu lungimi de undă mari trebuie proiectate cu grijă. Cele mai

importante consideraţii sunt legate de alegerea materialelor utilizate pentru fabricarea straturilor Bragg. Acestea trebuie să fie crescute utilizând materiale cu reţea care se potriveşte cu cea a materialului cavităţii dispozitivului. Pentru dispozitive care lucrează la lungimi de undă mari, alegerea tradiţională a materialelor este GaAsInP/InP. Totuşi, contrastul dintre aceste două materiale este foarte mic. De aceea, este necesar un mare număr de straturi alternante pentru a obţine reflectanţele mari cerute la dispozitivele VCSEL. Fiecare strat de semiconductor creşte rezistenţa dispozitivului şi curentul de prag, astfel că este importantă minimizarea numărului necesar de straturi. Oglinzi cu reflectanţă mare pot fi fabricate şi din materiale dielectrice, cele mai obişnuite fiind ZnSe/MgF şi Si/SiO2. Dielectricii au un contrast de indice de refracţie ridicat, pot fi depuşi utilizând tehnici de temperatură scăzută şi nu conduc curentul electric. În plus, în general, ei nu sunt conductori buni de căldură.

Odată cu reducerea dimensiunilor cavităţii, se poate reduce şi curentul de prag al dispozitivului VCSEL prin limitarea suprafeţei secţiunii transversale a cavităţii în care are loc amplificarea. Sunt mai multe metode utilizate în mod curent în dispozitivele VCSEL. O metodă simplă este aceea de a grava o groapă sub stratul activ (figura 6.34). Marea diferenţă în indicele de refracţie dintre aer şi materialul dispozitivului acţionează pentru a ghida lumina emisă. Problemele cu acest tip de structură sunt pierderile de purtători datorate recombinărilor superficiale la pereţii gropii şi disiparea slabă a căldurii din cavitatea laser. O altă tehnică pentru confinarea curentului este implantarea ionică. Prin implantarea selectivă a ionilor într-un semiconductor, acesta poate fi transformat într-un material izolator. Cel mai adesea sunt utilizaţi protoni, dar şi alte specii ionice, incluzând F+, O+, N+ şi H+ au fost încercate. Bombardarea semiconductorului cu ioni tinde însă să distrugă structura cristalină a materialului implantat şi ca atare tehnica trebuie utilizată cu precauţie în apropierea stratului activ.

Puterea optică de ieşire este:

Pout = [I – Ip(I, Tjonct)] (6. 30)unde depinde de doi factori:

- randamentul injecţiei de curent pentru fracţia de purtători injectaţi care contribuie la procesul de emisie (unii purtători se pot recombina în regiunile de confinare nedopate, unde purtătorii nu interacţionează cu câmpul optic) şi

- randamentul optic pentru fracţia de fotoni generaţi care sunt transmişi în exteriorul cavităţii.

Este de notat faptul că Ip, curentul de prag depinde de curentul de injecţie ca şi de temperatura joncţiunii. Tjonct.

Randamentul cuantic diferenţial este deci dependent de curent:

(I) = (6. 31)Se vede că (I) poate fi negativ dacă dIp/dI > 1. Graficul puterii optice de ieşire în funcţie de

curentul de injecţie va avea o pantă negativă.

1.3. Modulatoare opticeModulaţia luminii este procesul prin care are loc modificarea unuia din parametrii

purtătoarei optice: amplitudinea, frecvenţa sau faza. Se utilizează de asemenea modulaţia intensităţii, la care, în locul modificării amplitudinii, se produce modificarea pătratului acesteia, deci modificarea intensităţii. Există diferite tipuri de modulatoare, care permit realizarea tipului de modulaţie dorit.

Pentru diodele luminescente şi laserii cu semiconductori, în cazul modulaţiei intensităţii nu sunt necesare modulatoare externe speciale. Tensiunea de modulaţie polarizează dispozitivul, comandând injecţia electronilor în joncţiunea p-n şi variaţia în limite mari a intensităţii radiaţiei (figura 6.37).Obţinerea caracteristicilor de modulaţie liniare la modulatoarele optice este dificilă. La modulaţia analogică este necesară şi realizarea liniarităţii la retranslatoare, motiv pentru care se utilizează în principal tipurile discrete de modulaţie: manipulaţia de amplitudine şi manipulaţia polarizare. Datorită acestui fapt, semnalele primare analogice se transmit în sistemele optice în formă numerică sau de impuls, la care impulsul de modulaţie capătă valori discrete ale fazei.Modulaţia luminii se poate realiza direct (intern), sau indirect (extern). Modulaţia directă se realizează prin modularea curentului printr-un dispozitiv fotoemisiv, cum este o LED sau o diodă laser. La modulaţia directă, intensitatea luminii generate este controlată de un semnal electric. Modulaţia directă este larg utilizată în comunicaţiile optic. Ea sunt anumite caracteristici. Astfel, nu este posibilă obţinerea unei modulaţii de viteză mare, tipic mai mult de 10 GHz. Motivul este acela că modulaţia este limitată de timpul de relaxare asociat cu purtătorii de sarcină şi cu fotonii. Pe de altă parte, modulaţia introduce fenomenul de chirping, prin care frecvenţa pulsurilor de lumină variază pe durata semnalului.

Fig. 6.37 – Caracteristicile tipice de modulaţie (putere de emisie – curent) ale surselor de radiaţie: 1 - laser cu semiconductor; 2 - diodă luminescentă

Modulaţia externă implică modularea unei caracteristici a luminii: intensitatea, faza,

frecvenţa sau polarizarea, atunci când lumina trece prin modulator. Există diferite tipuri de modulatori, bazaţi pe un anumit efect fizic, cele mai importante fiind efectul electro-optic, efectul acousto-optic, efectul magneto-optic şi efectul de electro-absorbţie bazat pe gropi cuantice multiple.

1.3.1. Modulatoare electro-opticeEfectele electrooptice constau în modificări ale indicelui de refracţie al unui material

induse de aplicarea unui câmp electric extern, care deci „modulează” proprietăţile optice; câmpul aplicat nu este câmpul electric al unei unde luminoase ci un câmp extern separat. Un astfel de câmp extern se poate aplica prin plasarea unor electrozi pe feţele opuse ale unui cristal şi conectarea acestora la o sursă de t.e.m. Prezenţa unui astfel de câmp distorsionează mişcările electronilor din atomi sau a moleculelor în substanţă, sau distorsionează structura cristalină, rezultând modificări în proprietăţile optice. De exemplu, un câmp extern aplicat poate determina ca un cristal optic izotrop, cum este GaAs, să devină birefringent. În acest caz, câmpul induce axe optice principale în cristal. De obicei, modificările indicelui de refracţie sunt mici. Frecvenţa câmpului aplicat trebuie să fie de o astfel de valoare, astfel încât câmpul să apară ca fiind static pe intervalul de timp necesar ca mediul să-şi modifice proprietăţile, ceea ce corespunde timpului necesar ca lumina să traverseze substanţa. Efectele electro-optice sunt clasificate în două categorii: efecte de ordinul I şi efecte de ordinul al doilea. Dacă se consideră indicele de refracţie n ca fiind funcţie de câmpul electric aplicat, E, adică n = n(E), această expresie se poate dezvolta în serie Taylor. Noul indice de refracţie n’ este atunci:

n’ = n + a1E + a2E2 + … (6. 32)unde coeficienţii a1 şi a2 a1 şi sunt numiţi coeficientul efectului electro-optic liniar, respectiv coeficientul efectului electro-optic pătratic.

Termenii de ordin superior în dezvoltarea în serie Taylor sunt în general foarte mici şi efectele lor neglijabile pentru majoritatea câmpurilor de interes practic. Modificarea lui n datorată primului termen este numită efect Pockels. Modificarea lui n datorată termenului de ordinul al doilea este numită efect Kerr şi coeficientul a2 este în general scris sub forma λK, unde K este numit coeficient Kerr. Astfel, cele două efecte sunt exprimate prin

n = a1E (6. 33)respectiv

n = a2E2 = (K)E2 (6. 34)Toate materialele prezintă efectul Kerr, în schimb numai unele materiale cristaline

prezintă efectul Pockels. Astfel, a1 = 0 pentru toate materialele necristaline (cum sunt sticlele şi lichidele). De asemenea, dacă structura cristalină are un centru of simetrie, atunci a1 este tot zero. Numai cristalele care nu au centre de simetrie prezintă efectul Pockels. Ca un exemplu, un cristal de NaCl nu prezintă efectul Pockels, dar un cristal de GaAs prezintă acest efect.

Unul dintre cele mai simple exemple de aplicaţie în optoelectronică a efectului Pockels este modulatorul de polarizare, prezentat în figura 6.38 şi care este realizat dintr-un ghid de undă încastrat, obţinut prin implantarea unui substrat de LiNbO3 cu atomi de Ti care cresc indicele de refracţie al materialului. Doi electrozi coplanari sub formă de bandă sunt depuşi de-a lungul ghidului de undă, de o parte şi de alta a acestuia, permiţând aplicarea unui câmp Ea, perpendicular pe direcţia de propagare a luminii, z.

Figura 6.38 – a) Modulator cu celulă Pockels; b) secţiune transversală a aceluiaşi dispozitiv

Tensiunea externă de modulaţie, V(t) este aplicată între electrozii coplanari şi, în virtutea efectului Pockels, induce o variaţie ∆n a indicelui de refracţie şi deci o variaţie de fază dependentă de tensiune, a luminii. Reprezentând propagarea luminii de-a lungul ghidului sub forma a două componente ortogonale, Ex pe direcţia x şi Ey pe direcţia y, cele două componente suferă modificări de fază simetrice. Defazarea ∆φ între componentele Ex şi Ey este proporţională cu variaţia indicelui de refracţie, deci cu câmpul aplicat. Totuşi, câmpul aplicat nu este uniform

între electrozi şi, în consecinţă, nu toate liniile câmpului aplicat sunt în interiorul ghidului de undă. Efectul electro-optic se produce în toată regiunea de suprapunere spaţială dintre câmpul aplicat şi câmpurile optic. Totuşi, ∆φ este proporţional cu V/d (câmpul aparent aplicat), şi cu lungimea L a canalului (figura 6.38).

Rezultă deci că dispozitivul este un modulator de fază; ∆φ este modulat de V(t). De exemplu, dacă tensiunea induce o defazare de π/2, atunci o radiaţie liniar polarizată la un unghi de 45° faţă de axa x poate fi transformată într-o radiaţie circular polarizată. Tensiunea necesară pentru a produce o defazare ∆φ = π este numită tensiune seminundă, Vλ/2. La λ = 1,5 µm, pentru un modulator ca în figura 6.38, cu d ≈ 10 µm, Vλ/2L ≈ 35 Vcm. De exemplu, un modulator cu L = 2 cm are o tensiune semiundă Vλ/2 = 17,5 V. Prin comparare, pentru un modulator de LiNbO3

la care propagarea luminii se face pe direcţia y iar câmpul este aplicat pe direcţia z, Vλ/2L ≈ 5 Vcm.

Modulatorul Mach-Zender este un dispozitiv electro-optic pe bază de LiNbO3 în care transmitanţa luminii este controlată printr-o tensiune externă. Dispozitivul utilizează efectul Pockels în LiNbO3 şi interferenţa dintre unde care au o diferenţă de fază relativă, indusă de o tensiune externă aplicată. Dispozitivul converteşte defazarea indusă într-o variaţie de amplitudine prin utilizarea unui interferometru în care interferă două unde de aceeaşi frecvenţă dar de faze diferite.

Figura 6.39 – Modulator de intensitate optică integrat Mach-Zender

Aşa cum se poate vedea în figura 6.39, dispozitivul are implantat un ghid de undă monomod într-un substrat de LiNbO3 (sau alt material electro-optic), în geometria arătată. Ghidul de undă de la intrare, C, se bifurcă în două ramuri, A şi B, care ulterior se unesc într-o singură ramură. D, care constituie ramura de ieşire. În cazul ideal, puterea optică a undei luminoase de la intrare este egal divizată pe ramurile A şi B, astfel încât câmpul electric al undei

este divizat cu un factor pe fiecare ramură. Structura acţionează ca un interferometru deoarece cele două unde care se propagă prin ramurile A şi B interferă la ieşirea D şi amplitudinea undei la ieşire depinde de diferenţa de fază (diferenţa de drum optic) dintre undele din cele două ramuri. Aşa cum se vede în figura 24, câmpul extern aplicat în ramura A este de sens opus cu cel aplicat în ramura B. Variaţiile indicelui de refracţie sunt în consecinţă opuse, ceea ce înseamnă că şi modificările fazelor în ramurile A şi B sunt opuse. De exemplu, dacă un câmp electric extern aplicat induce o variaţie a fazei de π/2 în ramura A, în ramura B ea va fi de – π/2, astfel încât undele din ramurile A şi B vor fi defazate cu π. Aceste două unde interferă apoi distructiv şi se anulează reciproc, intensitatea la ieşire fiind zero. Cum tensiunea exterioară aplicată controlează diferenţa de fază dintre cele două unde, A şi B la ieşire, aceasta controlează deci şi intensitatea luminii la ieşire, deşi relaţia nu este liniară. În practică, pierderile în joncţiuni şi scindarea inegală au ca rezultat scăderea performanţelor modulatorului; undele din ramurile A şi B nu se anulează complet când φ = π.

1.3.2. Modulatoare acousto-opticeModulatoarele acousto-optice se bazează pe efectul fotoeleastic, în care o solicitare

mecanică exercitată asupra unui cristal induce modificări ale indicelui de refracţie n al acestuia. Relaţia dintre solicitarea mecanică şi indicele de refracţie este destul de complicată, deoarece trebuie considerat efectul unei solicitări S pe o direcţie în cristal asupra variaţiei induse în n pentru o direcţie particulară de propagare a luminii şi o polarizare specifică. Într-o primă aproximaţie, efectul fotoeleastic poate fi considerat liniar, variaţia ∆n indusă fiind proporţională cu mărimea solicitării mecanice, S.

Se pot genera unde acustice sau ultrasonice la suprafaţa unui cristal piezoelectric (cum este LiNbO3) prin plasarea unor electrozi întrepătrunşi pe suprafaţa sa, aşa cum se poate vedea în figura 6.40 şi prin aplicarea pe aceştia a unei tensiuni sinusoidale de frecvenţe radio. Efectul piezoelectric este fenomenul de generare a unei tensiuni mecanice într-un cristal prin aplicarea unui câmp electric extern. Tensiunea variabilă aplicată pe electrozi va genera astfel o undă acustică superficială prin intermediul efectului piezoelectric.

Figura 6.40 – Modulator acusto-optic

Aceste unde acustice se propagă prin dilatări şi comprimări regiunilor superficiale ale cristalului, care duc la o variaţie periodică a densităţii şi de aici la o variaţie periodică a indicelui de refracţie, sincronizată cu amplitudinea undei acustice. Rezultatul constă într-un fel de „reţea de difracţie” care se creează la suprafaţa cristalului datorită undei acustice. Aceasta produce difracţia fasciculului optic şi permite modularea unghiului şi intensităţii undei difractate prin amplitudinea şi frecvenţa semnalului RF aplicat. Apare o modificare în frecvenţa fasciculului difractat, cu o valoare ce corespunde frecvenţei acustice.

1.4. Multiplexoare şi demultiplexoareMultiplexoarele combină mai multe semnale de diferite lungimi de undă, provenite de la

mai multe surse laser. Aceste semnale sunt transmise printr-o fibră optică, într-un singur fascicul luminos. Demultiplexoarele separă acest fascicul luminos incident în semnale de lungimi de undă individuale, care sunt apoi trimise spre detectori. Realizarea lor se bazează pe utilizarea filtrelor şi reţelelor de difracţie. Se folosesc în principal trei tehnologii: filtre în straturi subţiri, reţele Bragg gravate în fibră (FBG) şi Arrayed Waveguide Gratings (AWG).

1.4.1. Filtre în straturi subţiriAceste filtre sunt cel mai răspândite în sistemele MUX/DEMUX DWDM cu un număr

mic de canale şi se bazează pe principiul interferenţei create datorită unei acoperiri în strat subţire, pe un substrat de sticlă.

În prezent, această tehnologie este complet matură şi oferă o stabilitate perfectă în temperatură, ca şi o bună izolaţie între canale. Totuşi, aceste filtre necesită modalităţi de fabricaţie complexe, când numărul de canale devine important. La mai mult de 32 canale, realizarea lor devine cvasi-imposibilă.

1.4.2. Reţele Bragg gravate în fibrăAceastă tehnologie est rezultatul unei fibre monomod de-a lungul miezului căreia este

gravată o reţea de difracţie. Modificarea periodică a indicelui de refracţie permite funcţia de filtraj prin eliminarea anumitor lungimi de undă, altele traversând reţeaua cu un minim de atenuare.

Reţeaua de difracţie este fabricată prin expunerea fibrei la acţiunea unui puternic fascicul ultraviolet, numit fotoinscriptor.

1.4.3. AWGAWG sunt ghiduri de undă în siliciu sau în dioxid de siliciu, fabricate pe un substrat

semiconductor standard. Semnalul luminos incident este divizat de mai multe ori de un cuplor şi fiecare semnal individual trece prin ghiduri de undă curbate. Fiecare ghid de undă are o lungime cu puţin diferită de a celuilalt, ceea ce determină un timp de parcurs diferit în AWG.

Această întârziere a luminii în fiecare ghid de undă provoacă interferenţe şi structuri de difracţie în cuplorul de ieşire. În final, semnalele de fiecare lungime de undă emerg separat din cuplorul de ieşire.

AWG prezintă avantajul de a fi capabile să separe eficient un foarte mare număr de semnale de lungimi de undă diferite şi sunt utilizate în sisteme DWDM care integrează o foarte mare densitate de canale.

1.5. Amplificatoare opticeExistă mai multe tipuri de amplificatoare: EDFA, amplificatoare Raman (amplificare activă

pe toată lungimea fibrei), laseri de pompaj, EDWA, SOA etc.

1.5.1. Amplificatoare cu fibră dopată cu erbiu Modulele amplificatoare cu fibră dopată cu erbiu (Erbium-Doped Fiber Amplifier – EDFA)

sunt utilizate pentru amplificarea semnalelor luminoase prezente într-o fibră optică. Acestea primesc la intrare un semnal luminos de amplitudine mică şi îl amplifică respectând domeniul optic al acestuia. Modulele EDFA utilizează laseri de pompaj pentru excitarea unui material dopat cu erbiu, aflat chiar în fibră, care restituie această energie de pompaj amplificând semnalul luminos prezent în aceasta. Sistemele EDFA sunt constituite din mai multe platforme de tratare a semnalelor, incluzând sisteme de compensare în dispersie, de atenuare variabilă şi de egalizare a amplificării.

Figura 6.41 – Schema benzilor energetice ale erbiului şi tranziţiile care pot avea loc între acestea

Deci, EDFA este un tip de amplificator optic, utilizat pentru creşterea intensităţii semnalelor optice transportate prin fibră optică în sistemele de comunicaţii. El este alcătuit dintr-o fibră al cărui miez este puternic dopat cu ioni de erbiu şi funcţionează pe baza fenomenului de

emisie stimulată. Lucrează în banda C (1530-1560 nm) şi L (1570-1610 nm). Este folosit erbiul, deoarece acesta are câteva proprietăţi importante, care îl fac să constituie o alegere excelentă pentru un amplificator optic. Ionii de erbiu (Er3+) au niveluri cuantice care permit stimularea pentru emisia în banda de 1540 nm, care este banda cu pierderile de putere cele mai mici în majoritatea fibrelor pe bază de oxid de siliciu. Nivelurile cuantice ale erbiului permit, de asemenea, ca acesta să fie excitat cu un semnal optic atât la 980 nm, cât şi la 1480 nm, amândouă putând fi transmise prin fibra optică pe bază de oxid de siliciu fără pierderi mari. Pentru înţelegerea funcţionării unui EDFA

Înţelegerea funcţionării amplificatorului optic cu fibră dopată cu erbiu poate fi înţeleasă foarte uşor, pe baza analizei schemei din figura 6.41.

Figura 6.42 – Diagrama-bloc a unui EDFA

În figura 6.42 este prezentată diagrama-bloc a unui EDFA, iar în figura 6.43, principalele caracteristici ale EDFA, amplificarea şi zgomotul, în banda de lucru a amplificatorului.

Figura 6.43 – Caracteristicile a unui EDFA

Avantajele EDFA sunt: disponibilitate comercială în banda C şi banda L, insensibilitate la starea de polarizare a luminii, amplificare mare, zgomot redus (4,5 ÷ 6 dB), lipsa distorsiunilor la fluxuri de date mari, amplificarea simultană a semnalelor multiplexate prin divizarea lungimii de undă, imunitate la interferenţe între canalele de multiplexare, nu necesită electronică de viteză mare, independenţa vitezei de transmisie (bit rate transparency).

1.5.2. Amplificatoare Raman Amplificarea Raman est activă pe toată lungimea fibrei optice, pe distanţe putând atinge

10 km, fapt ce o deosebeşte de amplificarea de tip EDFA, care nu este activă decât pe câţiva metri în jurul dispozitivului. Modulele amplificatoare Raman necesită utilizarea de componente de tip FBG, izolatoare, cuploare sau alte componente pasive.

1.5.3. Laseri de pompajLaserii de pompaj sunt laseri cu semiconductori, utilizaţi pentru amplificarea semnalelor

optice. Ei sunt caracterizaţi de puteri mari (300 ÷ 400 mW).

Laserii de pompaj funcţionează la 980 nm sau 1480 nm. Randamentul laserilor la 980 nm nu este încă suficient pentru a se putea obţine puteri mari. În schimb, laserii de pompaj la 1480 nm sunt produşi şi folosiţi pe scară largă. Modulele de amplificare sunt utilizate în cea mai mare parte pentru reţele optice de mare distanţă, în scopul regenerării semnalelor

2. Sisteme de comunicaţie optică

2.1. Canalul de comunicaţie opticăO descriere completă a canalului de comunicaţie optică include nu numai mediul de

transmisie ci şi sursa optică, eventual un modulator şi receptorul (fotodetectorul). În cel mai simplu caz, semnalul de ieşire al sursei este modulat direct de semnal, de exemplu prin variaţia curentului injectat în joncţiunea p-n a unei diode semiconductoare. Recombinarea purtătorilor în joncţiune conduce la emisia de fotoni, care reproduce concentraţia purtătorilor. La celălalt capăt al canalului, fotonii incidenţi în fotodetector generează perechi de electroni-goluri, care, la rândul lor, produc un fotocurent proporţional cu densitatea de fotoni. Curentul injectat la sursă şi fotocurentul la detector sunt cele două variabile măsurabile direct care definesc canalul optic.

Fig. 7. 1 – Canalul de comunicaţie optică

Adesea, această definire riguroasă exclude câteva fenomene specifice sursei. Astfel, de exemplu, canalul optic este considerat liniar, în timp ce toate caracteristicile transmisiei sunt independente de amplitudinea semnalului (densitatea de fotoni) deşi curenţii de intrare şi ieşire pot fi legaţi printr-o relaţie neliniară din cauza pragului efectelor de saturaţie în sursă. Această definiţie este convenabilă deoarece permite descrierea căii de transmisie dispersive atât în domeniul de timp, cât şi în cel al frecvenţelor, în care ce două sunt legate prin transformări Fourier simple. Presupunerea de liniaritate este satisfăcută cu suficientă exactitate sub pragul proceselor de împrăştiere stimulată.

Un efect care influenţează indirect liniaritatea este schimbarea în distribuţia spectrală a semnalului luminos în funcţie de amplitudinea semnalului. Laserii cu semiconductori tind să oscileze într-un număr de rezonanţe distribuite la intervale egale sub acţiunea radiaţiei stimulatoare dar rămân numai una sau câteva, odată ce emisia stimulată se desfăşoară la niveluri înalte. Această limitare spectrală afectează dispersia cromatică, astfel încât caracteristicile de transmisie devin dependente indirect de amplitudinea semnalului. În general acest efect este mic.

Dacă pierderile în canal variază în timp, poate rezulta un fading sau zgomot depinzând de scala de timp implicată. De exemplu, cele două moduri de polarizare ortogonală care se propagă într-o fibră monomod interferă într-un fel care depinde critic de drumul fibrei şi de temperatura sa şi conduce la un fading într-un receptor sensibil la polarizare. Problema poate fi soluţionată prin proiectarea unei fibre birefringente. S-a observat un fading similar cu zgomotul în fibre multimod folosite pentru transmisia radiaţiilor laser. Efectul a fost atribuit surselor de pierderi localizate în punctele de îmbinare. Influenţa acestor discontinuităţi scade odată cu creşterea distanţei faţă de sursă. Experienţa sugerează fie efectele de interferenţă în fibră, fie efectele de auto-blocare în sursă, determinate de reflexia sporadică din canal. Ambele efecte variază odată cu temperatura şi mişcările fibrelor.

Interferenţa poate apărea atunci când diferenţele de întârziere dintre moduri sunt mai mici decât timpul de coerenţă în semnalul optic de intrare. Timpul de coerenţă al unei singure rezonanţe într-un laser cu semiconductor este determinat de stabilitatea cavităţii şi este de ordinul 10 ps. Efectele de interferenţă pot de aceea să apară în fibre multimod cu o lungime de peste 1 km sau mai mult.

Pe lângă zgomotul indus în canal discutat mai sus, există şi alte surse de zgomot, cel mai evident fiind zgomotul de cuantificare, rezultat din natura discretă a fotonilor transmişi.

2.1.1. EmiţătorulEmiţătorul unui sistem de comunicaţii optice are în componenţa sa, în primul rând un

dispozitiv emiţător de lumină, care trebuie să îndeplinească două condiţii. În primul rând, trebuie să se poată cupla la fibra optică. În al doilea rând, trebuie să permită modularea luminii. Generic, un astfel de dispozitiv este un traductor electro-optic.

Sunt câteva caracteristici generale care trebuie asigurate de un bun dispozitiv emiţător de lumină. Astfel, dimensiunile fizic trebuie să fie compatibile cu dimensiunea fibrei optice utilizate, ceea ce înseamnă că el trebuie să emită lumina într-un con cu diametrul secţiunii transversale de 8-100 m. De asemenea, el trebuie să genereze suficientă putere optică, pentru a asigura o rată de erori (bit error rate – BER) corespunzătoare. În plus, dispozitivul trebuie să asigure o eficienţă bună în cuplarea luminii generate în fibra optică, o liniaritate suficient de bună, pentru a preveni generarea armonicilor şi distorsiunea de intermodulaţie şi să asigure o viteză de modulaţie suficientă pentru scopul propus.

Toate aceste cerinţe pot fi satisfăcute de diode semiconductoare cu joncţiune, emiţătoare de lumină, care sunt de două tipuri: diode emiţătoare de lumină (light emitting diode – LED) şi diode laser (lase diode – LD). Cu mici excepţii, diodele laser au avantaje faţă de LED-uri în următoarele privinţe:

- pot fi modulate la viteze mai mari- pot produce o putere optică mai mare- au o eficienţă de cuplare la fibra optică mai mare

Şi LED-urile prezintă unele avantaje faţă de diodele laser: fiabilitate mai mare, liniaritate mai bună, preţ de cost mai scăzut.

O diferenţă esenţială privind semnalul de ieşire, între LED şi LD este domeniul lungimilor de undă în care este distribuită puterea optică, adică domeniul spectral de emisie. Figura 7.2 ilustrează lărgimea spectrală a semnalului emis de cele două dispozitive. Puterea optică generată de fiecare dispozitiv este proporţională cu aria de sub curbă. O diodă laser are întotdeauna un domeniu spectral mai îngust decât cel al LED-urilor, valoarea propriu-zisă depinzând de detaliile structurii diodei respective şi de materialul semiconductor. Totuşi, valorile tipice ale lărgimii domeniului spectral de emisie pentru un LED sunt în jurul a 40 nm pentru lucrul la 850 nm şi 80 nm pentru lucrul la 1310 nm. Valorile tipice pentru o diodă laser sunt de 1 nm pentru lucrul la 850 nm şi 3 nm pentru lucrul la 1310 nm.

Fig. 7.2 – Lărgimile spectrale la LED şi dioda laser

Dispozitivele emiţătoare de lumină trebuie să aibă o fereastră transparentă pentru a transmite lumina în fibra optică. Ele sunt echipate fie cu un dispozitiv special de cuplare la fibra optică (pigtail), fie cu o fereastră transparentă din plastic sau sticlă, care poate avea şi o microlentilă care să ajute la focalizarea luminii în fibra optică.

Funcţia de modulaţie poate fi asigurată prin diferite metode: modulaţia în intensitate (Intensity Modulation – IM), modulaţia de frecvenţă (Frecvenţă Modulation – FM), modulaţia de fază (Phase Modulation – M) şi modulaţia de polarizare (Polarization Modulation – PM). În cazul semnalelor discrete, de obicei, în locul termenului modulaţie se utilizează termenul manipulaţie (shift keying). Astfel, pentru semnalele discrete, modulaţia în intensitate este numită manipulaţie de amplitudine (Amplitude Shift Keying – ASK) sau, în cazul semnalelor digitale, manipulaţie „da-nu” (On-Off Keying – OOK).

Semnalul optic modulat este dat de:Es(t) = E0m(t)cos (2fst) (7. 1)

unde m(t) este semnalul modulator, care conţine informaţia şi fs este frecvenţa semnalului purtător.

0 1 0 0 0 1 0 1

m(t)

t

Fig. 7.3 – Două metode pentru modulaţia cu LED sau diode laser

Modulaţia în intensitate este utilizată practic universal în legăturile prin fibră optică, deoarece se potriveşte foarte bine cu modul de lucru atât al LED-urilor, cât şi al diodelor laser. Purtătoarea pe care acestea o generează este uşor de modulat cu această tehnică. Puterea radiaţiei emise (uneori numită radianţă) este proporţională cu intensitatea curentului ce trece prin dispozitivul emiţător şi astfel puterea optică ia forma curentului. Dacă acesta este de forma m(t), reprezentând informaţia binară, semnalul optic rezultat va fi un semnal intermitent. Situaţia este ilustrată în figura 7.2 şi figura 7.3. Prima dintre aceste figuri prezintă circuitele de bază pentru modulaţia în intensitate ale dispozitivelor emiţătoare de lumină (LED sau diodă laser – LD). A doua ilustrează curentul de intrare, reprezentând informaţia, şi semnalul optic rezultat, generat şi furnizat în fibra optică, m(t).

Fig. 7.3 – Curentul de intrare, reprezentând forma semnalului modulat, m(t)

2.1.2. ReceptorulReceptorul sistemului de comunicaţii optice îndeplineşte două funcţii. Prima este

detectarea luminii şi conversia acesteia într-un semnal electric. A doua este demodularea semnalului pentru a extrage informaţia.

Fig. 7.4 – Exemplu de diagramă bloc - primul etaj – a unui receptor

Detectarea luminii este realizată de o fotodiodă, o diodă p-i-n, sau o fotodiodă cu avalanşă (APD). De obicei, fotodiodele au o suprafaţă mare fotosensibilă, care poate fi de mai multe sute de microni în diametru, ceea ce face ca să nu fie necesare precauţii speciale la centrarea fibrei în conectorul receptorului şi face preocupările de aliniament mult mai puţin critice decât cele de la emiţătorul optic.

În general, semnalul optic şi curentul electric rezultat din conversie au amplitudini mici. Ca urmare, circuitele fotodiodei trebuie să fie urmate de unul sau mai multe etaje de amplificare. De asemenea, se mai pot folosi filtre şi egalizatoare pentru a forma şi corecta semnalul electric purtător de informaţie. Toate aceste circuite active din receptor reprezintă o sursă de zgomot, care poate afecta procesul de demodulaţie. Figura 7.4 prezintă circuitul simplificat al unui receptor, iar figura 7.5 schema detaliată a unui receptor analog (figura 7.5.a), respectiv digital (figura 7.5.b).

Fig. 7.5 – Schema unui receptor analog (a), respectiv digital (b)

Ca şi în cazul emiţătoarelor, receptoarele optice sunt disponibile şi în versiunea analogică şi în cea digitală. Ambele tipuri folosesc de obicei un etaj preamplificator analog, urmat de un etaj de ieşire analog, respectiv digital, în funcţie de tipul receptorului.

În figura 7.5.a este prezentată schema simplificată a unui receptor analog, la care primul etaj este un amplificator operaţional, conectat ca un convertor curent-tensiune. Acest etaj primeşte curentul slab provenit de la fotodiodă şi îl converteşte în tensiune, de obicei de ordinul a câţiva milivolţi. Următorul etaj este un simplu amplificator operaţional de tensiune, în care semnalul este amplificat la nivelul dorit.

Figura 7.5.b prezintă schema simplificată a unui receptor digital. Ca şi în cazul receptorului analog, primul etaj este un convertor curent-tensiune. Ieşirea acestui etaj este cuplată la un comparator de tensiune, care produce un semnal de ieşire curat, cu un timp de creştere scurt al pulsurilor. Ajustarea nivelului de declanşare, când este prezent, este utilizat pentru reglarea punctului pe semnalul analog în care comparatorul comută. Aceasta permite simetria semnalului digital refăcut signal, pentru ca acesta să poată fi rectificat cu precizia dorită.

Este important de subliniat faptul că, în timp ce cablul de fibră optică este imun la toate formele de interferenţă, receptorul electronic nu este, motiv pentru care sunt necesare precauţii normale, ca ecranarea şi legarea la pământ.

Receptorul poate încorpora un număr de alte funcţii: generarea unui semnal de tact (în cazul comunicaţiilor sincrone) decodarea informaţiei, detectarea erorilor şi regenerarea. Un receptor complet trebuie să aibă o detectabilitate ridicată (pentru a detecta semnalele optice de nivel scăzut provenite din fibra optică), bandă largă sau timp de creştere scurt (pentru un răspuns suficient de rapid, necesar demodulării datelor digitale la viteză mare) şi zgomot redus, pentru o rată de erori (bit error rate – BER) cât mai scăzută.

În majoritatea aplicaţiilor, elementul preferat este dioda PIN, datorită faptului că poate fi alimentată de la o sursă standard, tipic între 5 şi 15 V.

Dispozitivele APD au o mult mai bună sensibilitate şi o bandă de două ori mai largă. Totuşi, ele nu pot fi utilizate cu o sursă de 5V. De asemenea, ele necesită o sursă de alimentare foarte bine stabilizată, ceea ce creşte mult costul sistemelor care utilizează APD.

2.1.3. Dispozitive de cuplare şi îmbinareConectorul este un dispozitiv mecanic montat la capătul unei fibre optice, al unei surse de

lumină, sau receptor. El permite adaptarea la un dispozitiv similar. Caracteristica esenţială ce îl deosebeşte de dispozitivele de îmbinare (splicing), este faptul că poate fi ataşat şi detaşat cu uşurinţă, adică este deconectabil. Sunt mai multe tipuri diferite de conectoare.

Fibrele optice trebuie îmbinate unele cu altele din mai multe motive.Unul este acela al necesităţii de a realiza o legătură de o anumită lungime. Cum fabricanţii oferă cabluri optice cu lungimi de 1 ÷ 6 km, legăturile mai lungi impun în mod evident îmbinarea fibrelor optice. Conectarea a două fibre optice necesită o aliniere precisă. Sunt două tipuri principale de îmbinări: mecanică şi prin topire. Îmbinarea mecanică este comod de aplicat, necesitând puţine instrumente, dar implicând şi pierderi de aproximativ 0,2 dB. Cel de-al doilea tip de îmbinare utilizează un arc electric pentru a suda două fibre optice, alinierea fiind asigurată prin controlul computerizat; pierderile sunt de 0,05 dB.

2.1.4. Parametri ai sistemului de comunicaţie PierderiPierderile Pi sunt exprimate în decibeli (dB) la fiecare lungime de undă λi, prin relaţia:

Pi = 10 (7. 2)unde i este puterea optică injectată în linia de transmisie şi 0 este puterea incidentă la λi.

Diafonie

La celălalt capăt al fibrei, semnalele la diferite lungimi de undă sunt separate de un demultiplexor care, la fel ca multiplexorul, trebuie să aibă pierderi minime. Diafonia optică, Dij, între canalul i şi canalul j, este:

Dij = 10 (7. 3)unde ij este puterea optică reziduală a canalului i la lungimea de undă λi în canalul j şi jj puterea optică de ieşire în canalul j la lungimea de undă λj.Diafonia optică totală în canalul j este:

Dj = 10 (7. 4)Acest defect este datorat numai demultiplexorului când sunt folosite surse cu lărgimi

spectrale mult mai mici decât banda de trecere spectrală a multiplexorului.

2.1.5. Consideraţii asupra sistemului de comunicaţieBanda finită, Bc, a purtătorilor optici impune anumite constrângeri asupra tehnicilor de transmisie posibile. Când se produc fluctuaţii de amplitudine a purtătorilor cu constante de timp

mai mici de , banda mesajului, Bm, care poate fi transmis trebuie să fie mai mică decât Bc. Folosind un receptor cu o bandă BR = Bm, se poate obţine o medie a celor mai rapide fluctuaţii de amplitudine. Principiul acestui proces de detecţie a fost discutat anterior. Variabila Q(t) mediată pe intervale de timp de lungime 1/2BR a fost folosită ca descrierea măsurabilă a anvelopei optice.

O metodă de transmitere mai directă decât codificarea optică ar putea consta dintr-o modulaţie a anvelopei de forma:

Q(t) = [1 + s(t)] (7. 5)unde s(t) este un mesaj având amplitudinea pulsului unitară media nulă şi banda BR.

De exemplu, s(t) ar putea fi un semnal vocal (o convorbire telefonică) sau un mesaj video (de televiziune). În orice semnal de acest fel, zgomotul trebuie să fie foarte mic pentru a asigura recepţia adecvată în prezenţa semnalelor slabe. Pentru video, de exemplu, puterea maximă a semnalului în puls trebuie să fie cu 4÷6 ordine de mărime mai mare decât zgomotul la semnale de amplitudine mică. În termeni relativi la fotoperechi primare, puterea semnalului în puls este

2, în timp ce zgomotul pentru un semnal s(t) foarte slab poate fi aproximat de abaterea 2 + j2 a distribuţiei Gauss. Pentru amplificatoare tipice cu tranzistori bipolari j = 100 şi, deci,

cel puţin = 105 ÷ 106 perechi trebuie să fie produse. Multiplicarea în avalanşă este de mică valoare în aceste condiţii de raport semnal-zgomot mare, în timp ce abaterea zgomotului cuantic,

, este de acelaşi ordin de mărime ca abaterea zgomotului Johnson, j2. În cazul unor semnale video de 5 MHz, este necesară o putere optică de 1 W pentru producerea a aproximativ 106

perechi necesare.Pe lângă acest lucru, forma modulaţiei impune condiţii stricte asupra liniarităţii canalului

şi asupra particularităţilor sursei, atât timp cât chiar neliniarităţi foarte mici produc armonici intolerabile ale semnalului. Cele mai critice pot fi evitate cu forme de modulaţie mai sofisticate.

Figura 7.5 reprezintă nivelurile puterii optice disponibile de la surse tipice şi nivelurile de putere necesare în cazul transmiterii video analogice cu raport semnal-zgomot între 104 ÷ 106. Este de asemenea, reprezentată şi puterea necesară pentru recepţia digitală, calculată în paragraful 4.1. Transmisiunea digitală a semnalelor audio sau video necesită o bandă de aproximativ 8 ori mai mare decât pentru transmisia analogică.

Un semnal video este aproximativ echivalent cu 1000 de semnale audio. Deci, un semnal video de 5 MHz sau 1000 semnale audio trebuie comparate cu un mesaj digital de 80 Mbit/s. Figura 7.5 arată că această informaţie poate fi transmisă printr-un canal laser digital având pierderi de 50 dB, printr-un un canal laser analogic sau LED digital, cu pierderi de 30 dB, sau printr-un canal LED analogic cu pierderi de 15 dB.

Sistemele optice analogice cu bandă îngustă trebuie desigur să fie comparate cu sistemele de transmisie prin cablu coaxial, care admit de asemenea o pierdere de semnal 30 dB sau mai mult pe canalul de transmisie. În contrast pierderile în fibre, pierderile în cablul coaxial variază în general foarte mult în funcţie de banda mesajului, astfel încât în receptor este necesară o egalizare corectă.

Transmisia digitală audio prin perechi de fibre este folosită în reţelele telefonice deoarece ea permite refacerea repetată a semnalelor cu o scădere a calităţii neglijabilă. Semnalele tipice 24 audio sunt codificate în formatul dat de modulaţia în puls codificat, multiplexate şi transmise pe aceeaşi pereche de fire. Pentru o capacitate informaţională de peste 500 de circuite audio, sau pentru unul sau mai multe circuite digitale video, canalul din fibră are un avantaj evident faţă de cablul coaxial datorită benzii de transmisie largi şi caracteristicilor de pierderi uniforme. Semnalele video, audio şi de date pot fi combinate pe acelaşi cablu de fibre optice.

Fig. 7.5 – Puterea optică medie disponibilă de la surse de lumină tipice şi cea necesară fotoreceptorilor la transmisia analogică şi digitală

Datorită disponibilităţii surselor de GaAs, dezvoltarea iniţială a sistemelor de transmisie prin fibre optice s-a concentrat în banda de lungimi de undă dintre 800 şi 900 nm, unde pierderile fibrei sunt de 3÷6 dB/km. Distanţele de transmisie erau limitate de această pierdere la valori de până la 8÷16 km pentru canalele digitale cu laser lucrând în domeniul 50 Mbit/s. Trecerea la domeniul 1300 nm, unde pierderea scade sub 1 dB/km şi banda canalului depăşeşte 1 GHz/km, chiar şi pentru surse LED, a extins foarte mult domeniul şi potenţialul sistemului de comunicaţie prin fibre optice. Pe baza datelor din figura 7.5, distanţa posibilă de transmisie pentru sisteme digitale cu LED între 30 ÷ 300 Mbit/s este limitată de banda de transmisie (aproximativ 1 GHz/km) la aproximativ (Bm)–1 GHz/km dacă pierderea în fibra instalată este de maxim 1,5 dB/km. Deci, 140 Mbit/s pot fi transmişi la o distanţă de 14 km fără regenerare. Semnalele generate de laser transmise prin fibre monomod permit transmiterea fără refacerea semnalului pe distanţe depăşind 50 km.

În general, pentru a transmite informaţii este nevoie ca raportul semnal/zgomot să nu scadă sub un anumit prag. În cazul comunicaţiilor prin fibre optice, comunicaţii digitale, cum standardul obişnuit impune o rată de erori de 1/109 biţi, este necesar ca semnalul util să nu scadă sub nivelul de 500 fotoni/bit (pentru o radiaţie infraroşie cu lungimea de undă 1,5 m). Considerând puterea optică medie a unei diode laser de ordinul a 1 mW (însemnând 1016 fotoni pe secundă), la un debit de informaţie de 1 Gbit/s corespunde un număr de 10 7 fotoni pe bit, ceea ce duce la faptul că, la o transparenţă de 95 %, pragul de 500 fotoni pe bit este atins după o distanţă de ordinul a 200 km.

Pentru extinderea distanţei peste aceste valori, se folosesc repetoare optoelectronice. Acestea sunt alcătuite dintr-o fotodiodă care converteşte semnalul optic într-unul electric, un amplificator (amplificarea este însoţită şi de refacerea formei semnalului şi filtrajul zgomotului), un circuit basculant şi o diodă laser pentru conversia semnalului electric în semnal optic. Aceste repetoare determină însă o limitare a debitului maxim transmis, limitare impusă de electronica folosită în construcţia acestora.

Din această cauză, repetitoarele optoelectronice au început să fie înlocuite, începând cu sfârşitul anilor ’80, de amplificatoare optice cu fibră de sticlă dopată cu erbiu, care funcţionează pe un principiu analog cu cel al laserului (amplificare stimulată a radiaţiei). Amplificarea este datorată dezexcitării stimulate a ionilor de erbiu, inversia de populaţie fiind realizată prin pompajul optic cu ajutorul unei diode laser cu lungimea de undă de 0,98 m sau 1,48 m. Se pot obţine amplificări în putere de ordinul a 102 ÷ 104. Avantajul acestor sisteme este că se elimină conversia optic-electric şi invers, care impune limitări severe. Pe de altă parte, cu astfel de dispozitive, mai multe canale optice de lungimi de undă diferite pot fi amplificate simultan.

Amplificatoarele optice au câteva calităţi esenţiale: insensibilitatea la tipul de polarizare a undei electromagnetice, absenţa distorsiunilor la amplificare, compatibilitatea cu fibrele optice standard (lipsa reflexiilor parazite), pierderi energetice minime la conexiuni, zgomot redus, insensibilitate la variaţii de temperatură într-un domeniu larg (– 40 C ÷ + 60 C), bandă de frecvenţe largă (100 ÷ 3000 GHz).

Un alt aspect al modernizării transmisiilor prin fibre optice este cel referitor la înlocuirea multiplexării temporale, realizate electronic, având limitări tehnologice sau economice, cu multiplexarea în lungime de undă (Wavelength-Division Multiplexing – WDM), la care realizarea practică este efectuată de componente optice pasive, în mod asemănător cu descompunerea culorilor la trecerea printr-o prismă optică.

Aceste tehnici au totuşi şi ele limitări (10 Gbit/s la distanţe de cel mult 10000 km) datorită fenomenelor de dispersie (cromatică, neliniară etc.).

Dispersia cromatică duce la limitarea debitului prin faptul că, cu cât acesta este mai ridicat, cu atât impulsurile sunt mai scurte şi mai apropiate unele de altele, ducând până la suprapunerea acestora şi la imposibilitatea decelării lor individuale.

Dispersia neliniară nu permite creşterea arbitrară a energiei semnalului pentru a diminua rata erorilor; peste un anumit prag al intensităţii, efectul dispersiei liniare duce la creşterea acestei rate.

Soluţia depăşirii acestor limitări vine din partea transmisiei solitonice. Impulsul luminos (pachetul de unde) este constituit din mai multe unde sinusoidale (moduri), fiecare caracterizată de o anumită amplitudine şi o anumită frecvenţă. Ca urmare a dispersiei cromatice, în timp pachetul de unde tinde să se destrame (are loc lărgirea temporală a lui). La intensităţi suficient de mari, se produce efectul electrooptic pătratic (efectul Kerr), care face ca indicele de refracţie al materialului (şi, deci, viteza de propagare a undei) să depindă de intensitate. Dacă acest efect este exploatat de aşa natură încât el să compenseze exact efectul de dispersie cromatică, impulsul se propagă fără deformare, conservându-şi integritatea: aceasta este “unda solitară” sau “solitonul”. Comunicaţiile solitonice au atins debite de 20 ÷ 100 Gbit/s, faţă de cele clasice, care sunt limitate la maxim 10 Gbit/s.

Alte limitări în funcţionarea sistemelor de comunicaţii prin fibre optice sunt cele legate de fluctuaţiile statistice în intensitatea semnalului, care determină un zgomot de fond parazit.

2.2. Utilizarea benzii fibrei optice de către mai mulţi utilizatori2.2.1. Utilizarea în comun a mediului de transmisie. Multiplexarea

Imensa lărgime de bandă pe care o asigură comunicaţia prin fibră optică ar fi utilizată cu totul neeconomic dacă ea ar fi folosită pentru o singură necesitate particulară de comunicaţie. Mult mai eficientă este utilizarea în comun a sistemului de comunicaţie, pentru mai multe scopuri. Tehnica utilizată pentru a obţine acest lucru este numită multiplexare. Ea nu este specifică sistemelor de comunicaţie prin fibră optică, ci se poate folosi pentru orice mediu de transmisie (cablu, microunde etc.) unde banda disponibilă depăşeşte cu mult nevoile unei comunicaţii individuale. Conceptual, multiplexarea este ilustrată în Figura 7.6. Aceasta prezintă n perechi sursă-utilizator. Există un multiplexor (MUX), care preia datele provenind de la cele n surse (S1, S2, …, Sn) şi le combină într-un flux comun, pe care îl trimite prin fibra optică la cei n utilizatori (R1, R2, … Rn). La celălalt capăt al sistemului de comunicaţie, demultiplexorul (DEMUX) preia fluxul de informaţii din fibră, separă diferitele date şi le transmite spre utilizatorul corespunzător.

Conexiunile de la surse la multiplexor şi de la demultiplexor la utilizatori se numesc circuite de capăt (tail circuit), iar cea dinte multiplexor şi demultiplexor (fibra optică, în acest caz), este numită legătură compusă, mixtă (composite link). Perechile sursă-utilizator nu trebuie să fie obligatoriu de acelaşi tip. Ele pot fi tipuri total diferite de echipamente de date, servind unor aplicaţii diferite şi cu caracteristici de viteză diferit.

Sunt două tehnici pentru realizarea multiplexării în sistemele de comunicaţii prin fibră optică. Acestea sunt multiplexarea prin divizare în timp (Time Division Multiplexing – TDM) şi multiplexarea prin divizare în lungime de undă (Wavelength Division Multiplexing – WDM).

MUX DEMUX

S1

S2

Sn

R1

R2

Rnfibră optică

MUX DMX

1

2

n

1

2

nfibră optică

Fig. 7.6 – Schemă conceptuală a procesului de multiplexare. O singură fibră optică este folosită în comun de mai multe canale de comunicaţie optică

2.2.2. Multiplexarea prin divizare în timp (TDM) pe cabluri de fibră opticăÎn TDM, a multitudine de legături de comunicaţie, fiecare pentru o pereche sursă-

utilizator dată, împart acelaşi cablu de fibră optică în timp. Multiplexorul stabileşte o secvenţă continuă de intervale de timp, utilizând un ceas. Durata acestora depinde de un număr de diferiţi factori de proiectare, cel mai important fiind viteza de transmisie necesară pentru diferitele legături. Fiecare legătură de comunicaţie este alocată unui interval de timp specific, un canal TDM, pe parcursul căruia este permisă trimiterea de date de la sursă la utilizator. În acest timp, nici unei alte legături nu îi este permisă transmisia de date. Multiplexorul preia datele de la sursele conectate la el, le încarcă în canalul TDM corespunzător, iar la celălalt capăt al cablului, demultiplexorul descarcă datele din fiecare canal şi le trimite la utilizatorul corespunzător.

2.2.3. Multiplexarea prin divizarea în lungime de undă (WDM) pe cabluri de fibră optică

Telecomunicaţiile optice permit transmisia unor semnale analoage sau digitale de până la câţiva GHz sau Gb/s pe o undă purtătoare de foarte înaltă frecvenţă, tipic 186 – 196 THz. În fapt, viteza de transmisie a datelor poate fi crescută mai mult, folosind mai multe unde purtătoare care se propagă fără vreo interacţiune semnificativă în aceeaşi fibră. Este evident că fiecare frecvenţă corespunde unei lungimi de undă diferite. Această tehnică se numeşte multiplexare prin divizarea frecvenţei (Frequency Division Multiplexing – FDM) sau multiplexare prin divizarea lungimii de undă (Wavelength Division Multiplexing – WDM). Cel de-al doilea termen este preferat de obicei, în majoritatea cazurilor. Multiplexarea prin divizarea densă a lungimii de undă (Dense Wavelength Division Multiplexing – DWDM) este rezervată pentru o spaţiere foarte strânsă a frecvenţei (tipic, mai puţin de 100 GHz, corespunzător la 0,8 nm la lungimi de undă în jurul valorii de 1,5 μm).

În WDM (figura 7.7), o multitudine de legături de comunicaţie, fiecare pentru o pereche sursă-utilizator dată, împart acelaşi cablu de fibră optică pe baza divizării în lungime de undă. Datele de la fiecare sursă sunt atribuite unei lungimi de undă optice. Multiplexorul conţine circuite de modulaţie şi transmisie şi modulează fiecare canal de date de la fiecare sursă.

Fig. 7.7 – Schemă conceptuală a procesului de multiplexare prin divizarea lungimii de undă

După procesul de modulaţie, semnalul optic rezultat, generat pentru fiecare canal de date de la fiecare sursă, este plasat pe o purtătoare de lungime de undă atribuită. Apoi, multiplexorul cuplează totalitatea semnalelor optice generate, pentru toate canalele de date de la surse, în cablul de fibră optică. Aceste semnale optice de lungime de undă diferită se propagă simultan, spre deosebire de TDM.

La utilizator, demultiplexorul primeşte aceste semnale optice simultan şi le separă conform diferitelor lungimi de undă (operaţia de demultiplexare), corespunzător diferitelor canale de date sursă-utilizator. Acestea sunt în continuare demodulate şi furnizate utilizatorilor respectivi.

WDM a primit o imensă atenţie în contextul problemelor legate de reţelele de arie largă (Wide Area Networks – WAN). Atât sistemele de televiziune prin cablu (CATV), cât şi cele de telecomunicaţie utilizează din ce în ce mai mult WDM pentru a mări capacitatea reţelelor de fibră optică instalate. În mediul WAN, multiplicitatea canalelor printr-o singură fibră a crescut imens prin utilizarea WDM. Această creştere a dus la termenul multiplexare prin divizarea densă în lungime de undă (DWDM), pentru a descrie noile tehnici WDM utilizate.

Conceptul de multiplexare optică datează din anii 50 ai secolului XX şi ea reprezintă o transpunere a tehnicilor folosite în telecomunicaţiile clasice cu semnale electronice. Primele componente practice pentru multiplexare au fost propuse prima dată în anii 70.

În prezent, majoritatea reţelelor instalate utilizează o separare între canale de 0,8 nm. Standardul Uniunii Internaţionale de Telecomunicaţii (International Telecommunication Union – ITU) propune o grilă de frecvenţe cu separare de 100 GHz (aproximativ 0,8 nm), cu multipli şi submultipli. La o primă privire, o fibră fără OH ar permite 1.000 de canale la spaţiere de 50 GHz. Desigur, sunt unele limitări care apar. Principala problemă este diafonia (crosstalk), datorată defectelor tehnice în demultiplexor, dar şi problemelor fizice, cum este conversia lungimii de undă de-a lungul fibrei prin FWM, SBS, SRS, sau alte efecte neliniare.

3. Elemente de optică integrată

4. Senzori cu fibră opticăSenzorii cu fibră optică sunt adesea grupaţi în două clase: senzori cu fibră optică extrinseci,

sau hibrizi şi senzori cu fibră optică intrinseci, sau integrali. Figura 9.1 ilustrează cazul unui senzor cu fibră optică extrinsec sau hibrid.

Fig. 9. 2 – Senzor cu fibră optică extrinsec

În acest caz, o fibră optică duce spre o „cutie neagră”, care „imprimă” informaţia în fasciculul de lumină transmis prin fibră, ca răspuns la un fenomen din mediul înconjurător. Informaţia poate fi imprimată ca intensitate, fază, frecvenţă, polarizare, conţinut spectral sau alte metode. O fibră optică transmite apoi lumina cu informaţia imprimată spre un procesor optic şi/sau electronic. În unele cazuri, fibra optică de intrare acţionează şi ca fibră de ieşire.

Senzorul cu fibră optică intrinsec, sau integral, prezentat în figura 9.2, utilizează o fibră optică pentru a transmite fasciculul de lumină şi fenomenul din mediul înconjurător imprimă informaţia în acesta în timp ce este în fibră.

Fig. 9. 2 – Senzor cu fibră optică intrinsec, în care fasciculul de lumină ce se propagă prin fibra optică este modulat de fenomenul din mediul înconjurător

Fiecare dintre aceste clase au, la rândul lor, mai multe subclase.În unele cazuri, cel mai simplu tip de senzor cu fibră optică este tipul hibrid, care se

bazează pe modulaţia de intensitate. Figura 9.3 prezintă un senzor de vibraţie sau închidere, care constă din două fibre optice care sunt ţinute una în apropierea celeilalte. Lumina este injectată în una dintre fibrele optice şi când iese, este expandată într-un con de lumină al cărui unghi depinde de diferenţa dintre indicele de refracţie al miezului şi învelişului fibrei optice. Cantitatea de lumină captată de cea de-a doua fibră optică depinde de unghiul său de acceptanţă şi de distanţa d dintre fibre. Când distanţa d este modificată, rezultă o modulaţie de intensitate a luminii captate.

Fig. 9. 3 – Senzor de vibraţie şi închidere

O variantă a acestui tip de senzor este prezentată în figura 9.4. Aici este utilizată o oglindă care este montată flexibil, pentru a răspunde unui efect extern, cum ar fi presiunea. Când poziţia oglinzii se modifică, separarea dintre fibrele optice se modifică, având drept rezultat modulaţia de intensitate. Aceste tipuri de senzori sunt utili pentru aplicaţii cum sunt închiderea uşilor şi ferestrelor.

Fig. 9. 4 – Senzor cu oglindă flexibilă

Prin aranjarea a două fibre optice în paralel, poate fi configurat un senzor simplu de translaţie, ca în figura 9.5. Ieşirea de la cei doi detectori poate fi proporţionată pentru a determina poziţia de translaţie a fibrei de intrare.

Fig. 9. 5 – Senzor de translaţie cu fibră optică

S-au dezvoltat senzori cu fibră optică de poziţie de rotaţie şi liniară, care au ca scop eliminarea interferenţelor electromagnetice pentru a perfecţiona protecţia a reduce nevoia de ecranare şi, deci, gabaritul. Figura 9.6 prezintă un senzor de poziţie de rotaţie care constă dintr-o placă codată, cu zone de reflectanţă variabilă, plasate astfel ca fiecare poziţie are un cod unic. O serie de fibre optice sunt utilizate pentru a determina prezenţa sau absenţa unei anumite zone.

Fig. 9. 3 – Senzor de poziţie de rotaţie bazat pe măsurarea reflectanţei unor zone întunecate şi luminoase

Un exemplu de senzor de poziţie liniară utilizând multiplexarea prin divizarea lungimii de undă este ilustrat în figura 9.7. Aici, o sursă de lumină de bandă largă, care poate fi o diodă emiţătoare de lumină (LED) este utilizată pentru a cupla lumina în sistem. O singură fibră optică este utilizată pentru a transmite fasciculul de lumină până la elementul de multiplexare prin divizarea lungimii de undă (WDM) care împarte lumina în fibre separate, care sunt utilizate pentru a interoga o cartelă de codare şi determina poziţia liniară. Dreptunghiurile de pe cartelă reprezintă zone de mare reflectanţă, iar restul suprafeţei are o reflectanţă scăzută. Semnalele reflectate sunt apoi recombinate şi separate printr-un al doilea element de multiplexare prin divizarea lungimii de undă, astfel încât fiecare semnal este citit de un detector separat.

Fig. 9. 7 – Senzor de poziţie liniară utilizând multiplexarea prin divizarea lungimii de undă

O a doua metodă de interogare la un senzor de poziţie utilizând o singură fibră optică este metoda multiplexare prin divizarea timpului (TDM). În figura 9.8, sursa de lumină este pulsantă. Pulsurile de lumină se propagă prin fibra optică şi se împart prin multiple fibre de interogare. Fiecare dintre aceste fibre este aranjată astfel ca ele să aibă linii de întârziere care separă semnalul de întoarcere de la cartela de codare printr-un interval de timp care este mai lung decât durata pulsului. Când semnalele de întoarcere sunt recombinate pe detector, rezultatul este un semnal codat corespunzând poziţiei cartelei de codare.

Fig. 9. 8– Senzor de poziţie liniară utilizând multiplexarea prin divizarea timpului

Principalele avantaje ale senzorilor de poziţie cu fibră sunt imunitatea la interferenţele electromagnetice şi gabaritul redus.

O altă clasă de senzori cu fibră optică bazaţi pe măsurarea intensităţii este cea care foloseşte principiul reflexiei totale. În cazul senzorului din figura 9.8, lumina se propagă prin miezul fibrei şi ajunge la capătul înclinat al acesteia. Dacă mediul în care este plasat capătul fibrei are un indice de refracţie suficient de mic, atunci practic toată lumina este reflectată şi se întoarce în fibră. Dacă indicele de refracţie al mediului se apropie de cel al sticlei, o parte din lumină se propagă în afara fibrei optice şi este pierdută, rezultând o modulaţie de intensitate.

Fig. 9. 9 – Senzor cu fibră pentru măsurări de presiune/indice de refracţie

Acest tip de senzor poate fi utilizat pentru măsurarea presiunii sau a modificării indicelui de refracţie într-un lichid sau gel cu o acurateţe de 10%. Această metodă poate fi folosită şi pentru măsurarea nivelului unui lichid aşa cum se prezintă situaţia din figura 9.10.

Fig. 9. 10 – Senzor cu fibră pentru măsurări de nivel al lichidului

Confinarea propagării fasciculului de lumină în regiunea miezului fibrelor şi transferul de putere între două miezuri de fibră plasate foarte apropiat pot fi utilizate pentru obţinerea unor senzori cu fibră bazaţi pe evanescenţă. Figura 9.11 ilustrează un astfel de senzor. Pentru o fibră optică monomod, distanţa dintre miezurile fibrelor este de ordinul a 10 ÷ 20 m.

Fig. 9. 11 – Senzor cu fibră optică bazat pe evanescenţă

Când este utilizată o fibră monomod, apare o scurgere considerabilă de energie din fasciculul de lumină în jurul regiunii miezului, în înveliş sau în mediul din jur. Dacă un al doilea miez de fibră este plasat în regiunea de evanescenţă a primului, apare o tendinţă de cuplare a miezurilor adiacente. Cuplajul depinde de un număr de parametri, printre care lungimea de undă a luminii, indicele de refracţie relativ al mediului în care sunt plasate miezurile de fibră, distanţa dintre miezuri şi lungimea de interacţie. Acest tip de senzor cu fibră poate fi utilizat pentru măsurarea lungimii de undă, a indicelui de refracţie şi observarea unor fenomene din mediul înconjurător acţionând asupra mediului din jurul miezului (temperatură, presiune şi tensiuni mecanice). Dificultatea la acest tip de senzor, care este comună mai multor senzori cu fibră, este optimizarea proiectării, astfel încât să fie detectaţi numai parametrii doriţi.

Fig. 9. 12 – Senzor cu fibră optică bazat pe evanescenţă

Un alt mod în care lumina se poate pierde din fibra optică este atunci când raza de curbură a fibrei depăşeşte unghiul critic necesar pentru confinarea luminii în zona miezului şi apare o scurgere în înveliş. Micro-îndoiturile locale ale fibrei pot determina astfel o modulaţie de intensitate a luminii ce se propagă prin fibra optică. Au fost construiţi senzori cu fibră bazaţi pe micro-îndoituri, pentru detecţia vibraţiilor, presiunii şi a altor mărimi caracteristice fenomenelor

din mediul înconjurător. Figura 9.12 prezintă un dispozitiv tipic, constând dintr-o sursă de lumină, o secţiune de fibră optică poziţionată într-un traductor cu micro-îndoituri, proiectat să moduleze intensitatea luminii ca răspuns la un fenomen din mediul înconjurător şi un detector.

Un ultim exemplu de senzor bazat pe intensitate este dispozitivul cu reţea, prezentat în figura 9.13. Aici, un fascicul de lumină este colimat de o lentilă şi trece printr-un sistem cu dublă reţea. Una din reţele este fixă, iar cealaltă este mobilă. Rezultă modificări în intensitatea semnalului modulat la ieşirea din fibra optică, care sunt în funcţie de acceleraţia cu care se modifică poziţia relativă a reţelelor.

Fig. 9. 13 – Senzor de intensitate cu fibră, cu reţea, pentru măsurarea vibraţiilor sau acceleraţiei

O limitare a acestui tip de dispozitiv este datorată modificărilor în sensibilitatea senzorului când reţelele se deplasează din poziţia de transparenţă totală în cea de opacitate totală.

O categorie distinctă de senzori este cea a senzorilor spectrali cu fibră optică, care se bazează pe modularea în lungime de undă a unui fascicul de lumină, de către un fenomen din mediul înconjurător. Exemple de astfel de tipuri de senzori includ pe cei bazaţi pe radiaţia corpului negru, absorbţie, fluorescenţă, etaloane şi reţele dispersive.

Unul dintre cei mai simpli senzori de acest tip este cel descris în figura 9.14. O cavitate cu rol de corp negru este plasată la capătul unei fibre optice. Când temperatura cavităţii creşte, ea începe să radieze şi acţionează ca o sursă de lumină.

Fig. 9. 14 – Senzor spectral ce permite măsurarea temperaturii

Senzorul utilizează detectori în combinaţie cu filtre de bandă îngustă pentru determinarea profilului radiaţiei, din care se obţine temperatura (la peste 300 C). Performanţa şi precizia acestui tip de senzor sunt mai bune temperaturi mai mari şi scade drastic la temperaturi în jurul a 200 C, datorită raportului semnal-zgomot mic.

Un alt tip de senzor spectral de temperatură este prezentat în figura 9.15 şi este bazat pe absorbţie. În acest caz, este utilizată o probă din GaAs, în combinaţie cu sursă de lumină de bandă largă şi fibre optice. Profilul de absorbţie al probei este dependent de temperatură şi poate fi utilizat pentru a determina temperatura.

Fig. 9. 15 – Senzor cu fibră optică bazat pe absorbanţa variabilă a unui material (GaAs), care permite măsurarea temperaturii şi presiunii

Senzorii cu fibră bazaţi pe fluorescenţă sunt larg utilizaţi pentru aplicaţii medicale, în chimie şi pentru măsurarea unor parametri fizici, ca temperatura, viscozitatea şi umiditatea. Sunt diferite configuraţii pentru aceşti senzori, dintre care una este cea a senzorului în care lumina se propagă prin fibră spre o probă de material fluorescent plasat la capătul acesteia. Semnalul fluorescent rezultat este captat de aceeaşi fibră şi direcţionat înapoi, spre un demodulator de ieşire. Sursele de lumină pot fi în pulsuri şi sunt disponibile probe al căror răspuns depinde de viteza de scădere a intensităţii pulsului de lumină.

În modul continuu, pot fi monitorizaţi parametri ca viscozitatea, conţinutul de vapori de apă, procentul de conţinut de fibră de carbon în materialele compozite epoxy şi termoplastice.

O variantă este cea care utilizează proprietăţile de evanescenţă ale fibrei prin gravarea regiunilor din învelişul fibrei şi umplerea golurilor cu material fluorescent.

Sunt în uz, de asemenea, senzori cu fibră optică interferometerici.Senzori cu fibră optică s-au dezvoltat şi utilizat în două direcţii majore. Prima este ca

înlocuitor direct pentru senzorii existenţi, unde senzorul cu fibră oferă avantajul de performanţă semnificativ îmbunătăţită, fiabilitate, siguranţă şi/sau cost.

Astfel, se urmăreşte înlocuirea tehnologiei convenţionale cu senzori electronici prin tehnologii cu senzori cu fibră optică, ce oferă senzori cu imunitate relativă la interferenţe electromagnetice, reduceri semnificative în gabarit şi siguranţă în funcţionare crescută.

A doua direcţie de dezvoltare a senzorilor cu fibră optică este în domeniile de aplicaţie noi.

În industrie, senzorii cu fibră s-au dezvoltat în special pentru procesul de control. O altă arie în care senzorii cu fibră optică sunt utilizaţi pe scară largă este domeniul medicinii, unde aceştia sunt utilizaţi pentru măsurarea unor parametri şi a nivelului de dozare a unor medicamente. Deoarece aceşti senzori sunt complet pasivi, ei tind să înlocuiască rapid alte tipuri de senzori în acest domeniu. Industria de automobile, cea de construcţii şi alte domenii tradiţionale de utilizare a senzorilor rămân încă dependente de tehnicile clasice, în principal datorită costurilor, dar o schimbare a situaţiei este de aşteptat ca urmare a perfecţionărilor în optoelectronică, ce continuă să aibă loc.

5. Stocarea optică a informaţiei

5.1. Construcţia compact-discurilor; codificarea datelorUn compact disc (disc optic) are un diametru de 120 mm (~ 4,72 inci) sau 80 mm (~ 3,15

inci) şi o grosime de 1,2 mm. Gaura centrală are un diametru de 15 mm. Discul este confecţionat din policarbonat (un material plastic transparent) şi datele sunt înscrise pe una din suprafeţe. Aceasta este acoperită cu un strat subţire de aluminiu, care reflectă lumina şi permite citirea informaţiei inscripţionate cu ajutorul unui laser în unitatea CD. Informaţia este stocată sub forma unei structuri de adâncituri microscopice inscripţionate pe spirală care pleacă din centrul discului şi ajunge la marginea acestuia. Pentru evitarea prejudicierii stratului metalic, peste acesta este aplicat un lac protector.

Înainte de fabricarea în serie a discului, trebuie realizat iniţial un exemplar master, prin aşa-numitul proces de „mastering” Se începe cu pregătirea datelor. Diferitele fişiere şi date sunt aranjate în structuri logice, conform standardelor industriale, este generată apoi o imagine a CD-ROM-ului, sunt adăugate informaţii de sincronizare, un header şi coduri pentru detectarea şi corectarea erorilor. Pentru toată informaţia ce urmeză a fi stocată pe compact disc este creat un fişier imagine, care este scris pe o bandă magnetică. Cea mai convenabilă cale pentru a testa un CD înainte ca el să fie produs într-un mare număr de exemplare este producerea unui CD-R, care poate reprezenta baza producţiei CD-ului.

În procesul de mastering, informaţia este transferată de către un dispozitiv de înregistrare laser (Laser Burn Recorder - LBR) pe stratul fotosensibil depus pe un disc de sticlă numit „glass master”. Acest proces special este numit „imaging”. Imediat după expunerea laser, discul de sticlă master este developat prin aplicarea pe suprafaţa masterului a unei substanţe de developare, astfel încât în stratul fotosensibil este gravat modelul adânciturilor. Masterul de sticlă este pregătit pentru etapa următoare de producţie prin depunerea unui strat de argint pe suprafaţa fotosensibilă. În acest moment, masterul de sticlă are trei straturi: sticla, fotorezistul cu modelul de adâncituri şi stratul de argint. În final, într-o baie de acoperire, masterul este acoperit cu un strat de nichel. Stratul de nichel formează „discul-tată” (father part), care este apoi separat de masterul de sticlă şi reprezintă o imagine oglindă a acestuia; în locul adânciturilor, pe suprafaţă apar mici ridicături. Din acest disc-tată este produs „discul-mamă”, din care se obţin mai multe „discuri-fii”, care sunt copii (imagini) ale discului-tată. Matriţa pentru producerea CD-urilor este discul-tată sau un disc-fiu. Ea este plasată într-o maşină de injectat mase plastice, unde, pe suprafaţa ei se toarnă un strat de policarbonat. Apoi, discul de policarbonat obţinut este acoperit cu un strat metalic, astfel încât pe suprafaţa de policarbonat este creat modelul de adâncituri, corespunzând masterului. Apoi este aplicat un lac protector.

Deci, diferitele stadii ale producerii unui CD sunt: dezvoltarea aplicaţiei; pregătirea datelor; pre-mastering; mastering; multiplicare; etichetare; ambalare.

Toate dispozitivele de stocare optică utilizează pentru citirea informaţiei de pe disc un fascicul laser. Acest fascicul este generat de un mic laser cu GaAs. Pentru citirea informaţiei, fasciculul laser este focalizat pe spirala cu adâncituri de pe disc. Lumina este reflectată în moduri diferite de adâncituri şi de zona plană dintre acestea. La întâlnirea unei adâncituri, lumina este difractată, în timp ce lumina ce cade pe zona plană dintre adâncituri este reflectată şi poate fi detectată de un fotodetector. Pentru a citi informaţia de pe disc, raza laser trebuie să fie focalizată într-un spot circular de dimensiuni foarte mici. Adânciturile au o lăţime de 0,6 m şi adâncimea de 0,12 m, lungimea adânciturilor sau a zonelor plane dintre ele putând fi de 0,833 ÷ 3,56 m. Astfel, densitatea pistelor este de aproximativ 16000 urme/inci (tracks per inch - tpi). Pentru

comparaţie, un floppy-disc are 96 tpi şi un hard-disc câteva sute. Lungimea pistei unui disc de 120 mm este de aproximativ 6,5 km.

Există două tehnici de scriere şi citire a informaţiei stocate optic. Aceste tehnici sunt numite CLV şi CAV, fiind utilizate iniţial pentru diferite tipuri de video-disc.

CAV (Constant Angular Velocity) este tehnica în care discul se roteşte cu o viteză de rotaţie constantă, de 1800 rotaţii/min (rpm) pentru standardul NTSC, sau 1500 rpm pentru PAL şi SECAM. Astfel, pe fiecare faţă a unui video-disc pot fi stocate 36 de minute de informaţie video. Pista CAV nu este continuă de la centru spre exterior într-o singură linie; sunt mai multe piste, aranjate sub formă de inele concentrice crescătoare în diametru de la centru spre exterior. Fiecare pistă stochează o imagine video. Video-discul CAV este utilizat pentru aplicaţii interactive.

CLV (Constant Liniar Velocity) este tehnica în care discul nu se roteşte cu o viteză constantă, ci variabilă, în aşa fel încât fasciculul laser parcurge pista şi citeşte informaţia cu viteză liniară constantă. Astfel, când fasciculul laser este localizat spre centrul discului, acesta se roteşte cu viteză mai mare, în timp ce atunci câd fasciculul laser citeşte o zonă aflată spre exteriorul discului, acesta se roteşte cu o viteză mai mică. Viteza de rotaţie a unui disc CLV variază între 500 şi 1800 rpm (spectrul de la cea mai mică la cea mai mare viteză depinde de sistemul video, NTSC, PAL sau SECAM). CLV permite înregistrarea a aproximativ 60 minute de informaţie video pe o faţă a video-discului. Există însă şi dezavantaje ale acestei tehnici: nu se poate avea acces aleatoriu la o imagine oarecare, nu se pot reda imagini cu încetinitorul sau cu derulare rapidă şi nu se poate obţine o imagine statică (stop-cadru).

Pe un video-disc sunt înregistrate semnale analoage. În schimb, informaţia pe un compact disc este stocată complet digital. Astfel, avantajul capacităţii mai mari a CLV poate fi combinat cu accesul aleatoriu la orice informaţie de pe disc. Toate compact-discurile operează cu tehnica CLV. Viteza de rotaţie variază între 200 şi 500 rpm. Timpul mediu de acces la informaţia de pe un compact disc este mare (în comparaţie cu un harddisk) deoarece este necesar un anumit timp pentru ajustarea vitezei de rotaţie corespunzătoare locaţiei citite. Unităţile CD-ROM de calitate au un timp mediu de acces de sub 300 ms.

Aparent, s-ar putea crede că este foarte simplu de codificat informaţia pe un compact disc: 1 pentru adâncituri şi 0 pentru zona plană, sau invers. În realitate, lucrurile nu stau chiar aşa: adânciturile, ca şi zonele plane reprezintă 0 logic, iar 1 logic reprezintă tranziţia de la o adâncitură la o zonă plană sau invers. Lungimea adânciturilor şi a zonelor plane indică numărul de zerouri.

Reprezentarea biţilor printr-un model de adâncituri şi zone plane necesită utilizarea aşa-numiţilor biţi-canal (channel-bits). Prin codificarea unei succesiuni de biţi utilizând adâncituri şi zone plane este imposibil să se reprezinte succesiuni de 1. Chiar şi prin utilizarea celor mai scurte adâncituri şi zone plane posibile, vor fi mereu doi 0 între doi 1. Dacă tranziţiile ar fi mai apropiate, ele nu ar putea fi citite de fasciculul laser sau ar conduce la erori mari. Din acest motiv, 1 byte de informaţie nu poate fi reprezentat doar de 8 biţi. 1 byte de informaţie poate reprezenta 28 = 256 valori diferite. Pentru a obţine 256 de combinaţii diferite de biţi pentru reprezentarea a 256 valori este nevoie de 14 biţi-canal, ceea ce înseamnă minimul necesar pentru reprezentarea a 8 biţi-utilizator pe un CD. Astfel, la citire este nevoie de un tabel pentru convertirea modelului de 14 biţi-canal în 8 biţi-utilizator pentru 1 byte. Pe de altă parte, când se produce un CD, cei 8 biţi ai fiecărui byte trebuie să fie transformaţi în 14 biţi-canal. Această transformare este numită „modulaţie 8-14” (Eight to Fourteen Modulation - EFM).

Rămâne, totuşi, o problemă. Dacă se reprezintă un byte cu 14 biţi-canal şi la sfârşitul acestuia este un 1, acesta ar putea fi situat prea aproape de succesiunea de biţi următoare, a celor 14 biţi-canal, care ar putea începe tot cu 1. De aceea, trebuie să fie plasaţi câţiva biţi între simbolurile a doi biţi-canal succesivi. Pentru rezolvarea acestei probleme, sunt utilizaţi 3 biţi de legătură (merge-bits). În total, sunt necesari 14 + 3 biţi-canal pentru a reprezenta 1 byte pe un CD.

Întotdeauna sunt „împachetaţi” câte 24 baiţi-utilizator într-un pachet numit cadru (frame). Cadrele sunt unităţile de bază de stocare a datelor pe disc. Un cadru nu constă însă numai din aceşti 24 baiţi-utilizator. El mai conţine şi o structură de sincronizare pentru aliniere, constând din 24 biţi-canal plus 3 biţi de legătură.

Într-un cadru se mai află 1 bait de informaţie pentru aşa-numitele sub-canale, şi încă 8 baiţi pentru detectarea şi corectarea erorilor.

Astfel, un cadru este alcătuit din:- blocul de sincronizare (sync pattern) 24+3 channel-bits- blocul de cod sub-canal 1×(14+3) channel-bits- blocul de date utilizator 24×(14+3) channel-bits- blocul de detecţie şi corecţie a erorilor 8×(14+3) channel-bits

Pentru un cadru sunt utilizaţi în total 588 biţi-canal. Când se citeşte informaţia de pe un compact disc, unitatea elimină mai întâi cei 27 biţi de sincronizare. Cei 561 biţi-canal rămaşi sunt convertiţi printr-o modulaţie 8-14 inversă în 33 baiţi [561/(14+3)=33]. Unul dintre aceştia, baitul de sub-cod, este trimis la un decodificator special, iar 8 baiţi sunt utilizaţi pentru detecţia şi corecţia erorilor. Orice CD player sau CD-ROM au un dispozitiv special pentru detecţia şi corecţia erorilor, care utilizează aceşti 8 baiţi. Dacă nu sunt erori, sau după corectarea datelor, aceşti 8 baiţi sunt descărcaţi. Astfel, rămân 24 baiţi utili, de date într-un cadru. 98 de cadre formează un sector (bloc), cu 2352 baiţi (98 cadre × 24 baiţi). Majoritatea formatelor de CD diferă prin subdivizarea sectoarelor. Sectoarele se succed câte 75 pe secundă. Informaţia pe disc este adresată în minute, secunde şi sectoare (mm:ss:ss).

Toate formatele de CD, adică CD-DA, CD-ROM, CD-ROM/XA, CD-I etc., utilizează 9 baiţi din cei 33 ai unui cadru astfel: un bait de cotrol al sub-canalului şi 8 pentru detecţia şi corecţia erorilor.

Pe un CD se întâlnesc două tipuri diferite de erori. În primul rând, erorile se pot produce în timpul procesului de fabricaţie: mici bule de aer sau impurităţi microscopice în policarbonat pot afecta propagarea fasciculului laser. Standardul admite 250 erori/s. Alte erori pot fi determinate de amprente, zgârieturi, sau pete. Erorile sunt eliminate printr-un sistem special de corectare a erorilor. Toate metodele de corectare a erorilor sunt bazate pe informaţia redundantă, în combinaţie cu algoritmi matematici specifici pentru detectarea erorilor şi pentru reconstrucţia valorilor datelor originale. Schemele pentru detecţia şi corecţia erorilor se numesc EDC (error detection code), ECC (error correction code), şi EDAC (error detection şi correction code). Codul de detecţie a erorilor (EDC) pentru CD este bazat pe un bine-cunoscut cod de corectare a erorilor, numit Reed Solomon Code. Playerele CD audio, ca şi unităţile CD-ROM, utilizează o schemă de corecţie internă, numită Cross Interleaved Reed Solomon Code (CIRC). Decodorul este integrat în hardware. Această corecţie a erorilor este foarte eficientă: maxim o eroare necorectată la 109 baiţi pe un CD audio. Pentru stocarea datelor pe un CD-ROM este necesară o corecţie adiţională a erorilor, numită Layered ECC (cod de corecţie a erorilor stratificat); baiţii pentru aceasta sunt transmişi împreună cu datele din sectorul de utilizator. Codul Layered ECC este decodat prin mijloace hardware sau software.

5.2. Tipuri de compact-discuri1. CD-Digital Audio (CD-DA)

CD Digital Audio (CD-DA) a fost definit în 1982 în Cartea Roşie de către Philips şi Sony. Un sector CD-DA are 2352 baiţi de date de utilizator. Pistele sunt adresate în minute, secunde şi sectoare. Informaţia de adresă este stocată în subcanalul Q. Timpul maxim de rulare a unui CD de 12 cm este de 74 minute, respectiv 21 minute pentru un CD de 8 cm. Pentru adresarea unui CD audio sunt două moduri de măsurare a timpului de adresare:- ATime, adică timp absolut (absolute time), care este măsurat de la pornirea discului;- Track Relative Time, adică timpul relativ al pistei, care este măsurat de la începutul pistei.

Cele 99 piste de pe un disc pot fi accesate direct de către un CD-DA player. O pistă este o secvenţă continuă de date. Fiecare pistă trebuie să conţină cel puţin 4 secunde (adică 300 sectoare, întrucât o secundă este divizată în 75 sectoare). Pentru o pistă poate fi utilizat la maxim întregul CD. O singură melodie sau secvenţă muzicală este atribuită unei piste pe CD-DA. Pe un CD-DA, toţi cei 2352 baiţi ai unui sector sunt date de utilizator, astfel încât 2353 baiţi multiplicaţi cu 75 sectoare (176400 baiţi) sunt transferaţi într-o secundă, ceea ce înseamnă aproximativ 1,41 Mb/s.

Pentru fiecare sector şi 2352 baiţi de date de utilizator, sunt stocaţi 882 de baiţi adiţionali: 784 pentru codul de detecţie şi corecţie a erorilor (CIRC) şi 98 baiţi de control. Fiecare bit al unui bait de control este desemnat printr-o literă: P, Q, R, S, T, U, V, şi W. Primul bit este bitul P, al doilea Q şi aşa mai departe. Succesiunea de date rezultând din primul bit al tuturor celor 98 de baiţi de control este numit „sub-canalul P”, iar succesiunea tuturor biţilor din poziţia a doua, „sub-canalul Q”. Al treilea sub-canal combină biţii R, S, T, U, V şi W într-un cuvânt de 6 biţi şi succesiunea acestora, rezultând din cei 98 baiţi de control, este numit „sub-canalul R-W. Sub-canalul P are un marcaj (flag) ce indică începutul datelor audio în pistă. Sub-canalul Q dă codul de timp, ATime şi Pistă Relative Time. În blocul de început (lead-in) de pe disc, acest sub-canal conţine „Cuprinsul” (Table of Contents - TOC). 72 dintre cei 98 biţi ai sub-canalului Q sunt utilizaţi pentru informaţii, ceilalţi pentru sincronizare, control şi corectarea erorilor (pentru sub-canale). Pe lângă biţii de sincronizare, control şi corectarea erorilor, sub-canalul R-W poate include date de utilizator (64 cuvinte de 6 biţi pe sector) pentru informaţie adiţională. Acest lucru este permis numai de specificaţiile din Cartea Roşie (pentru CD-DA), în timp ce Cartea Galbenă impune ca aceşti biţi să fie 0. Pe un CD audio, sub-canalul R-W este uneori utilizat pentru date grafice sau MIDI. (MIDI = Musical Instrument Digital Interface, reprezintă un protocol standard pentru comunicarea între instrumente muzicale electronice şi computere). Aceste discuri sunt numite CD+G (Compact disc plus graphics) or CD+MIDI, şi pot fi redate de un player special împreună cu un aparat TV şi o combină hi-fi.

2. CD-ROMImediat după definirea standardului CD audio, s-a înţeles că acest mediu de stocare

pentru cantităţi imense de date audio ar putea fi utilizat şi pentru stocarea datelor de computer. Totuşi, el a trebuit să fie adaptat pentru aceasta. Astfel, în 1984, Cartea Galbenă a firmelor Philips şi Sony a definit standardul CD-ROM pentru stocarea datelor de computer. S-au introdus două noi tipuri de sectoare: Mode 1, pentru stocarea datelor de computer şi Mode 2, pentru datele audio sau video/grafică comprimate.

În primul rând, datele de computer necesită un acces mai precis decât acela al pistelor unui CD audio. Pe un CD audio sunt accesate 99 de piste, în timp ce pe un CD-ROM pot fi mii de fişiere de date care trebuie să fie accesate. Astfel, ambele formate, Mode 1 şi Mode 2,

utilizează anumiţi baiţi la începutul sectorului pentru o adresare precisă. Primii 12 baiţi sunt baiţi de sincronizare pentru separarea sectoarelor. Următorii patru baiţi sunt baiţi de header. Trei dintre ei sunt utilizaţi pentru adresare, iar al patrulea este baitul de mod, care marchează modul utilizat de sectoarele pistei.

Sectoarele de Mode 1 au 2048 baiţi de date de utilizator. Sectorul poate fi divizat în blocuri logice. Pot fi utilizate diferite blocuri logice: blocuri de 512, 1024 sau 2048 baiţi. Mărimea unui bloc logic nu poate fi mai mare decât mărimea sectorului.

Sectoarele sunt cele mai mici părţi adresabile ale unui CD-ROM care pot fi accesate independent de alte părţi adresabile ale ariei înregistrate. Totuşi, pot fi accesate şi blocuri logice mai mici, prin intermediul unui sector. Baiţii de adresă a header-ului indică minute, secunde şi informaţie adiţională pentru blocuri. Prin această informaţie poate fi identificat numărul blocului logic (Logical Block Number - LBN). Primul sector fizic ce poate fi accesat este sectorul 00:02:00. Acest sector conţine LBN 0. Dacă sunt blocuri de 512 baiţi, 18000 blocuri fac un minut, 300 fac o secundă şi 4 fac un sector. Astfel, se poate obţine adresa blocului logic printr-un algoritm simplu. Totuşi, în acest caz, trebuie scăzute 600 blocuri, deoarece adresa primului sector este 00:02:00 (2 secunde înseamnă 600 blocuri).

CD-ROM Mode conţine codul de detecţie şi corecţie a erorilor (CIRC) al unui CD audio. Totuşi, deoarece datele de computer necesită un nivel mai ridicat al integrităţii datelor este implementat în CIRC un cod adiţional de detecţie şi corecţie a erorilor, numit Layered EDC/ECC. Acesta necesită câţiva baiţi din sector după datele de utilizator: 4 baiţi pentru detecţia erorilor şi 276 baiţi pentru corecţia acestora. Între baiţii pentru detecţia erorilor şi cei pentru corecţia acestora sunt 8 baiţi neutilizaţi. Aceştia sunt redefiniţi în specificaţiile CD-ROM/XA şi CD-I.

CD-ROM Mode 2 nu conţine o schemă adiţională pentru detecţia şi corecţia erorilor, astfel încât toţi cei 2336 baiţi de după baiţii de sincronizare şi header sunt baiţi de utilizator.

Sectoarele Mode 1 şi Mode 2 ale unui of CD-DA sau CD-ROM au aceeaşi mărime, dar cantitatea de date utilizator care poate fi stocată diferă considerabil, datorită utilizării baiţilor de sincronizare, header, detecţia şi corecţia erorilor. CD audio utilizează toţi baiţii unui sector (2352) pentru date de utilizator, blocurile unui CD-ROM Mode 1 au 2048, iar Mode 2 au 2336 de date de utilizator. De aceea, ratele de transfer al datelor sunt diferite (aproximativ 1,22 Mb/s pentru Mode 1 şi aproximativ 1,4 Mb/s pentru Mode 2). Deşi Mode 2 are o rată de transfer mai ridicată şi mai mult spaţiu pentru date de utilizator, el nu este utilizat foarte des, cu excepţia tipurilor CD-ROM/XA şi CD-I (care sunt întotdeauna Mode 2).

Mode 2 poate fi citit şi de unităţi CD-ROM normale, dar este necesară utilizarea unui software special.

3. CD mixtDacă sunt necesare secvenţe audio de înalt nivel, pistele CD-ROM şi CD audio pot fi

mixate pe un compact disc. Un CD are cadre, sectoare şi piste. Pistele nu pot conţine tipuri diferite de sectoare, dar CD-ul poate avea diferite de piste. De obicei, prima pistă a unui CD mixt (Mixed Mode CD) este o pistă CD-ROM Mode 1 şi următoarele sunt piste CD-DA.

În general, există o limitare importantă pentru CD mixt. O unitate CD-ROM poate să citească pistele doar pe rând, una după alta, iar când este citită o pistă audio, alte tipuri de date nu pot fi transmise de la unitatea CD-ROM. Sunt două metode obişnuite pentru a rezolva această problemă. Prima este utilizarea unităţii CD-ROM ca un player CD audio şi transferarea dinainte a programului de aplicaţie şi a datelor pe harddisk. Calculatorul poate astfel să citească informaţia program din memorie şi să acceseze continuu datele audio. Pentru a face acest lucru,

calculatorul trebuie să dispună de memorie suficientă şi spaţiu liber pe harddisk. Alternativa este citirea informaţiei program din memoria calculatorului înainte de accesarea datelor audio, dar această metodă atrage după sine întreruperea semnalului audio când următoarea porţiune de date trebuie să fie citită.

Pistele audio de pe un CD mixt pot fi adresate în două moduri diferite: utilizând ATime, sau Pistă Relative Time. În cele mai multe cazuri de utilizează Pistă Relative Time, deoarece la adresarea ATime, fiecare accesare audio necesită re-sincronizarea dacă volumul datelor pistelor CD-ROM Mode 1 s-a schimbat în timpul procesului de producţie. Chiar dacă pistele audio pot fi redate cu un player CD audio, CD mixte nu trebuie să fie utilizate pe astfel de dispozitive, deoarece în acest fel pot fi accesate şi pistele CD-ROM, ceea ce ar putea duce la distrugerea dispozitivului de redare.

4. CD-ROM/XAPrima formă a specificaţiilor pentru CD-ROM/XA (Compact Disc-Read Only

Memory/eXtended Architecture) a fost introdusă de Philips, Sony şi Microsoft în septembrie 1989, iar descrierea finală a sistemului (Final System Description) a urmat în martie 1991. Totuşi, probabil nu aceasta va fi adevărata descriere finală, întrucât CD-ROM/XA de nivelul 3 trebuie să integreze formatul MPEG şi alte specificaţii viitoare pentru identificarea sistemului de operare gazdă (GOE, Generic Operation Environments). Cum CD-ROM/XA nu este în realitate un nou standard, ci o extensie a Cărţii Galbene şi a definiţiilor pentru CD-ROM, specificaţiile sunt numite uneori şi Cartea Galbenă Extinsă (Extended YellowBook). Extensiile sunt legate de specificaţiile CD-I din Cartea Verde. Datorită acestor relaţii şi faptului că CD-ROM/XA poate constitui o punte între sistemele de computer bazate pe XA şi player-ele bazate pe CD-I, acest standard este adesea privit ca veriga lipsă pentru producerea de discuri care să poată fi rulate pe platforme diferite, pentru pieţele industriale şi de consum.

Pistele XA pot conţine date codificate binar, dar şi date video şi grafice, date în format text şi date audio comprimate. Alte formate de CD utilizează numai un singur format de sector, într-o singură pistă. XA poate utiliza două formate de sector diferite într-o pistă. Astfel, un sector poate fi urmat de altul, de tip diferit. Cele două formate de sector XA sunt numite format 1 şi 2 (Form 1 şi Form 2). Utilizarea unuia sau a celuilalt depinde de conţinut. Sectoarele de format 1 sunt utilizate pentru date de calculator. Ca şi sectoarele CD-ROM Mode 1, ele pot avea un Layered EDC adiţional, utilizând primii 12 baiţi pentru un modul de sincronizare şi următorii 4 baiţi pentru date de header (adresare şi descrierea modului). Ca şi CD-ROM Mode 1, fiecare sector format 1 conţine 2048 baiţi de utilizator. Totuşi, spre deosebire de CD-ROM Mode 1, la sectoarele format 1 este adăugat un subheader după baiţii de header şi nu mai există baiţi neutilizaţi între codul de detecţie a erorilor codul de corecţie a erorilor. EDC şi ECC sunt plasate împreună şi astfel cei 8 baiţi neutilizaţi în formatul anterior pot fi utilizaţi pentru subheader. Sectoarele CD-ROM/XA format 1 conţin date de computer. Sectoarele format 2 sunt aranjate în acelaşi mod ca sectoarele format 1, cu excepţia faptului că lipseşte ECC. La sfârşitul datelor de utilizator din sector este rezervat un câmp de 4 baiţi, care poate fi utilizat pentru controlul calităţii în timpul procesului de fabricare a discului, caz în care se utilizează acelaşi algoritm EDC ca şi pentru sectoarele format 1. În caz contrar, aceşti baiţi sunt setaţi la zero.

Atât sectoarele de format 1, cât şi de format 2 utilizează 8 baiţi pentru un subheader care specifică datele de utilizator care urmează. Deoarece diferite sectoare, cu conţinut diferit pot fi stocate într-o manieră întreţesută, primul bait din subheader este un număr pentru identificarea sectoarelor întreţesute din cadrul unui anumit fişier. Un fişier întreţesut poate conţine diferite părţi de informaţie, care pot fi redate combinat sau separat. Al doilea bait din subheader este un

număr pentru selecţia în timp real a informaţiei. Pentru sectoare audio sunt utilizate numerele de la 0 la 15, iar pentru sectoare video sau de date de calculator sunt utilizate numerele de la 0 la 31. Următorul bait defineşte atributele globale ale sectorului şi este numit baitul de submod. Fiecare bit poate fi setat ca un marker (flag), de exemplu pentru a indica tipul informaţiei (video, audio), pentru a marca ultimul sector al fişierului (End Of File - EOF) sau ultimul sector al înregistrării (End Of Record - EOR) şi pentru a fixa modul în timp real. Utilizarea sectoarelor în mod timp real înseamnă că sincronizarea citirii datelor este mult mai importantă decât integritatea acestora, astfel încât corecţia erorilor este efectuată numai dacă sincronizarea datelor nu este afectată. Aceasta este o caracteristică importantă când se utilizează date bazate pe timp, cum sunt fluxurile de date audio. Ar fi de-a dreptul enervant pentru ascultător dacă fluxul de date ar fi întrerupt la detectarea fiecărui bit eronat, a cărui transmitere ar rămâne totuşi probabil neobservată. Baitul de submod este urmat de un bait pentru codificarea informaţiei, care defineşte detaliile tipului de date localizate în zona de utilizator a sectorului: tipul datelor audio (stereo sau mono), rezoluţia şi tipul codificării video etc. Pentru evitarea pierderilor de date, informaţia din primii patru baiţi din subheader este repetată în baiţii 5 - 8. Este posibilă mixarea pe un CD a pistelor CD-ROM/XA, CD Mode 1 şi CD audio, caz în care pista CD Mode 1 pistă trebuie să fie prima pe disc, urmată de o pistă CD-ROM/XA şi una CD audio.

CD-ROM/XA oferă un număr de avantaje în comparaţie cu CD-ROM Mode 1, care devin importante când se utilizează date dependente de timp în aplicaţiile multimedia, deoarece datele de calculator şi datele audio comprimate pot fi citite astfel de pe aceeaşi pistă.

Pe un CD-ROM normal, unele fişiere de pe pistele Mode 1 sunt citite şi stocate în memoria computerului sau trecute pe harddisk înainte ca aplicaţia să poată fi lansată. Astfel, este necesar un timp, care poate dura câteva secunde şi uneori chiar minute, înainte ca utilizatorul să primească primele informaţii.

La utilizarea unui CD-ROM/XA, fişierele întreţesute pot fi citite în paralel, în acelaşi timp. Sunt citite doar acele părţi care sunt necesare în momentul respectiv. Utilizatorul obţine informaţia în timp util şi nu sunt necesare intervale lungi de timp de aşteptare. Datele audio pot fi separate de un controler la citirea discului, decomprimate şi redate cu sisteme adecvate. Doar datele necesare sunt transmise prin magistrala de date a calculatorului.Ca şi CD-ROM Mode 1, sectoarele format 1 admit o rată de transfer al datelor de 1,2 Mb/s; la sectoarele format 2, rata creşte la aproximativ 1,4 Mb/s, un sector fiind citit în 1/75 s şi având în plus 276 baiţi de date de utilizator, ceea ce înseamnă transmiterea a 20 KB de date de utilizator pe secundă în plus.

Pentru producerea unui CD-ROM/XA este necesar un software special, care suportă întreţeserea fişierelor în diferite sectoare. În plus, este necesar un controler special pentru citirea informaţiei întreţesute de pe disc.

5. CD-IStandardul CD-I a fost descris în 1987 de Philips şi Sony în Cartea Verde. Sectoarele

unui CD-I sunt identice cu cele ale unui CD-ROM/XA şi sunt la fel, în format 1 şi 2. CD-I permit întreţeserea sectoarelor şi fişierelor în acelaşi mod ca la CD-ROM/XA. Din multe puncte de vedere, s-ar putea spune că CD-I este un tip special de CD-ROM/XA pentru utilizarea în dispozitive ale industriei electronice casnice. De aceea, specificaţiile nu descriu doar formatul sectoarelor, dar şi sistemul de operare, numit CD-RTOS, pe care se bazează CD-I. Acesta este derivat din OS-9. Playerele CD-I folosesc un microprocesor 68070 Motorola, fiind de obicei montate într-un lanţ hi-fi şi putând citi şi CD audio, CD foto, CD+G, utilizând structuri interactive şi medii diferite: text, audio, grafică, animaţii, video. Standardul CD-I specifică

formate audio şi video. Ele sunt de trei niveluri diferite pentru audio; nivelurile B şi C sunt suportate şi de CD-ROM/XA. Pentru rezoluţia video pe CD-I sunt definite trei niveluri: normal, dublu şi înalt. Rezoluţia normală pentru TV NTSC 525 linii este 384 orizontal × 240 vertical, iar pentru sistemele PAL 625 linii 384 × 280. Dubla rezoluţie are o rezoluţie orizontală dublă şi rezoluţie verticală normală, iar în rezoluţia înaltă ambele rezoluţii, orizontală şi verticală sunt duble.

6. CD-I ReadyUn disc numit CD-I Ready este (virtual) un CD audio normal, cu anumite caracteristici

suplimentare, care pot fi redate numai cu player-e CD-I. Cartea Roşie permite producătorului să stabilească anumiţi indici pe un CD-DA. Dacă acest mod este suportat de dispozitiv, player-ul poate sări anumite zone marcate pe pistă. De obicei sunt utilizaţi numai doi indici: index 0 şi index 1. Index 0 este localizat înaintea zonei de tăcere audio la începutul unei piste, iar index 1 marchează începutul unei piste audio. Tăcerea audio durează 2 ÷ 3 secunde. Index 0 pentru prima pistă nu este niciodată utilizat de player-ele CD audio. Pe prima pistă la începutul fiecărui disc şi Index 1 este întotdeauna sărit. CD-I Ready utilizează o zonă de tăcere mai largă între index 0 şi index 1, în care, înaintea pistei 1 este plasată o pistă CD-I care poate fi recunoscută doar de un player CD-I. Player-ele CD audio normale ignoră această zonă, discul fiind citit ca un CD audio normal. Player-ele CD-I pot identifica disc prin adresa de start. Dacă adresa primei piste este mai mică de 30 secunde, este vorba de un CD audio normal, în caz contrar locul unde pot fi citite fişierele CD-I este scris în sectorul de date 00:02:16. Informaţia este încărcată în memoria RAM a player-ului înaintea începerii redării audio şi apoi redată. În acest fel, CD-I Ready poate fi privit ca un CD mixt utilizând CD-I şi CD-DA.

7. CD multisesiuneTermenul de CD multisesiune a fost utilizat pentru prima dată pentru CD Foto Kodak,

care stochează imagini de film. Astfel, într-o primă sesiune sunt stocate imaginile unui film şi, dacă mai rămâne spaţiu, acesta poate fi folosit pentru o nouă sesiune. Fiecare sesiune are propriile bloc lead-in, spaţiu de date şi bloc lead-out. Acest mod de scriere a unui CD permite scrierea de noi date la momente diferite de timp. Adăugând sesiuni închise permite utilizatorului să citească discul ca un CD-ROM în unităţi CD obişnuite. Pentru scrierea blocurilor lead-in şi lead-out pentru fiecare sesiune necesită însă o capacitate de stocare (aproximativ 20 MB), astfel încât, dacă sunt prea multe sesiuni, devine mai avantajoasă scrierea discului o singură dată. Acest mod de scriere poate fi însă utilizat şi pentru scrierea sesiunilor pe un CD multisesiune, ceea ce înseamnă că o sesiune este scrisă continuu, de la blocul lead-in la blocul lead-aut, cu avantajul că subcanalele P şi Q sunt disponibile.

Alte moduri de transfer de date pe un CD-R sunt scrierea pistă cu pistă (track by track) sau scrierea sector cu sector, Dar în acest caz datele înscrise sunt accesibile numai pentru aplicaţia particulară folosită în procesul de fabricare a discului. Prin adăugarea în momentul finalizării a structurilor ISO 9660, este posibil însă ca discurile scrise pistă cu pistă să poată fi citite de unităţi CD normale. Pentru fiecare bloc în modul de scriere pistă cu pistă sunt necesari 14336, dar aceasta nu reprezintă o risipă a capacităţii, în comparaţie cu scrierea unor mici sesiuni multiple.

Scrierea sector cu sector este numită scriere incrementală a pachetelor (incremental packet writing), mod suportat numai de unităţile CD mai noi.

8. CD-ExtraAvantajele discurilor multisesiune au fost utilizate iniţial de CD-I ready. Metoda descrisă

mai sus a fost doar un mod de producere a CD-I ready. Dezavantajul acestei metode era acela că

utilizatorul ar fi putut accesa datele de pe CD-I utilizând funcţia de redare a unui audio player, ceea ce ar fi putut distruge lanţul audio. Astfel, s-a utilizat o altă metodă, cu două sesiuni, una pentru pistele audio pistă, a doua pentru date CD-I. Deoarece player-ele audio nu pot citi sesiuni multiple, ele pot accesa doar prima sesiune, de tip audio. Aceeaşi problemă apare şi la utilizarea unui CD mixt. Prima pistă este o pistă de date, care nu trebuie citită de un player audio. Pentru a evita aceste probleme, conceptul de CD multisesiune a fost transferat la CD-ul mixt, rezultând un produs nou, numit CD-Extra. Tehnic, CD-Extra combină pistele normale de CD audio cu pistele de date de CD-ROM/XA pe un disc de 12 cm şi este similar cu CD mixt.

Dar player-ele audio pot accesa numai prima sesiune, incluzând pistele audio, în timp ce unităţile CD-ROM multisesiune pot citi şi informaţia din a doua sesiune, aflată în zona exterioară a discului. O astfel de informaţie poate fi de tipul video clip, text al melodiilor, biografii ale artiştilor, fotografii, animaţie, aplicaţii multimedia complete. Utilizând conceptul de bridge disc, a doua sesiune poate conţine de asemenea date CD-I. CD-Extra care rulează pe un player audio sau CD-I, ca şi pe unităţi echipând un PC sau un computer Apple Macintosh sunt numite Rainbow CD (CD curcubeu), deoarece conţin piste conforme cu specificaţiile Cărţii Roşii (CD audio), Cărţii Galbene (CD-ROM) şi Cărţii Verzi (CD-I).

Discurile CD-Extra pot conţine un fişier numit AUTORUN.INF, localizat în directorul rădăcină. Acesta conţine informaţie cu privire la diferitele platforme de computer care pot executa aplicaţiile de pe disc şi are rolul de a porni aceste aplicaţii când discul este introdus în unitatea CD-ROM. CD-Extra este suportat de Microsoft Windows 9x şi OS Apple Macintosh.

9. Bridge-DisculBridge-discurile sunt discuri conţinând informaţie care poate fi citită pe unităţi CD-

ROM/XA ce echipează un calculator, ca şi cu CD-I player-e. Datorită caracterului identic al sectoarelor şi unor formate audio şi video, bridge-discurile pot stoca date accesibile prin ambele sisteme (deşi sunt necesare programe diferite, depinzând de diferitele sisteme de operare). Toate pistele de pe bridge-discuri trebuie să fie piste Mode 2. Specificaţiile pentru bridge discuri, aflate în Cartea Albă, au fost stabilite în octombrie 1991. Pentru producerea bridge discurilor este necesar un software special. Un bine-cunoscut exemplu de bridge disc este Kodak Foto CD, care rulează pe un player CD-I, ca şi pe un sistem XA (şi, bineînţeles, pe un player Foto CD).

10. CD-R, CD-MO şi CD-RWToate CD-urile descrise până acum sunt discuri „read only”, ceea ce înseamnă că ele pot

fi doar citite uc player-e CD şi unităţi CD-ROM, dar informaţia nu poare fi scrisă şi stocată pe astfel de discuri, cu excepţia mijloacelor speciale de fabricaţie. Fabricarea acestor CD Read-Only cu maşini de injectat materiale plastice, când se pot realiza un mare număr de copii are anumite avantaje, în sensul că discurile pot fi produse foarte repede şi la un preţ scăzut. Sunt însă şi dezavantaje, dacă numărul copiilor este mic. În acest caz, o singură copie devine foarte scumpă, iar procesul de producţie este complicat şi consumă prea mult timp. Astfel, pentru un număr mic de copii, ar fi mai avantajos de a scrie direct pe un disc.

S-au dezvoltat diferite metode de scriere pe un mediu de stocare optică, dar în general sunt două tipuri de discuri. Pe aşa-numitele discuri WORM (Write Once-Read Many), informaţia poate fi scrisă o singură dată, procesul de scriere nefiind reversibil. Discurile MO (Magneto-Optical) sunt reinscriptibile, astfel că informaţia poate fi scrisă, ştearsă şi înlocuită cu alta. Cea mai cunoscută technologie pentru discurile WORM a fost pusă la punct de compania japoneză Taiyo Yuden. Construcţia unui astfel de disc WORM este similară cu cea a unui CD normal. Pe un disc de policarbonat se depune un strat subţire de colorant organic (cianură sau ftalocianură). Fasciculul laser determină schimbarea unor proprietăţi ale stratului de colorant în privinţa

absorbţiei luminii. Peste stratul de colorant se depune un strat reflectător de metal auriu (considerat a avea proprietăţi mai bune decât cele ale aluminiului). Stratul metalic este acoperit de un lac protector. Discul este preformat. Pe stratul de policarbonat este creată o spirală de 0,7 m care „arată” drumul de parcurs. De asemenea trebuie să fie disponibilă şi o anumită informaţie cu privire la viteza discului CLV, deoarece viteza de rotaţie depinde de locul unde scrie fasciculul laser pe disc. Astfel, pista are definite mici forme ondulatorii, a căror frecvenţă trebuie să fie menţinută la 22,05 kHz în timpul înregistrării. Există de asemenea şi o modulaţie în frecvenţă, care indică poziţia fasciculului laser şi dă o informaţie codificată în timp (ATIP - Absolute Time in Pregroove). La începutul discului, înainte de blocul Lead-In, se află o zonă numită „zonă de calibrare a puterii” (Power Calibration Area - PCA) pentru aliniere şi o zonă numită „zonă de memorie program” (Program Memory Area - PMA) care conţine numărul pistelor înregistrărilor, inclusiv timpul de start şi stop al acestora. Zona PMA este utilizată pentru discurile înregistrate parţial. Un disc WORM care corespunde standardului CD a fost definit de Philips şi Sony în noiembrie 1990 în Cartea Portocalie. Conform acestui standard, un CD-R sau CD-WO poate fi citit de o unitate CD-ROM standard sau de un player audio. Totuşi, deoarece un CD-R poate fi scris doar o dată, Cartea Portocalie permite prezenţa unor sesiuni multiple pe CD, fiecare având propriile blocuri Lead-In, Program area, şi Lead-out. Astfel, după stocarea datelor şi terminarea primei sesiuni, o altă sesiune cu date suplimentare poate fi înregistrată ulterior. În fiecare Lead-In este scris conţinutul (TOC - Table of Contents); ultimul Lead-In conţine actualizarea întregului disc. Începând cu 1992, majoritatea unităţilor CD de pe piaţă sunt capabile să citească sesiuni multiple.

Există şi un alt mod de scriere pe un disc. Discurile magneto-optice (MO) au un strat de aliaj de ferită de terbiu şi cobalt. Metoda MO de scriere modifică şi ea caracteristicile optice ale unor puncte de pe suprafaţa discului, astfel încât fasciculul laser de citire este reflectat într-o manieră diferită decât celelalte zone. Citirea unui disc MO se bazează pe efectul Kerr, astfel că lumina polarizată liniar este influenţată de un câmp magnetic, planul de polarizare fiind rotit. Scrierea pe disc are loc cu un fascicul laser de putere, care este focalizat într-un spot foarte mic, care încălzeşte aliajul la o temperatură la care proprietăţile feromagnetice ale acestuia se pierd. Această temperatură este numită temperatură Curie. Pe cealaltă parte a discului se găseşte un electromagnet, care magnetizează stratul de aliaj în zona de citire. Dacă aceasta a fost încălzită până la temperatura Curie, nu mai are proprietăţi magnetice, astfel că la citirea cu un fascicul laser de putere mică planul de polarizare a luminii nu este rotit în aceste zone. Rotirea planului de polarizare este detectată cu un fotodetector.

Pe piaţă au apărut mai multe formate MO diferite, care nu sunt compatibile. Pentru a standardiza aceste formate s-au stabilit specificaţiile în Cartea Portocalie. Totuşi, datorită tipului caracteristic de stocare optică, CD-MO nu pot fi citite de unităţile CD-ROM normale sau de player-e CD.

CD-RW, sau compact-discul reinscriptibil, lansat în 1997, se bazează pe o tehnică de transformare de fază a unui material. Iniţial unităţile CD-ROM nu puteau citi CD-RW, deoarece, în timp ce reflectanţa unui CD-R şi a unui CD-ROM este definită a fi cel puţin de 65 ÷ 70 %, reflectanţa unui CD-RW este de doar 15 ÷ 20 %. La citirea acestor medii de stocare, unităţile CD normale trebuie să-şi modifice valorile reflectanţei, pentru a putea distinge zonele reflectătoare de celel nereflectătoare.

Stratul ce conţine informaţia pe disc este constituit dintr-un aliaj de argint, indiu, antimoniu şi telur (Ag-In-Sb-Te). În faza iniţială, acest strat este amorf. Prin încălzirea unei mici zone, cu un fascicul laser de putere mare, aceasta trece într-o fază cristalină. Citirea datelor pe

disc se face cu un fascicul laser de putere mică, ce este reflectat de zonele cristaline şi difuzat de cele amorfe. Lumina reflectată este detectată de o fotodiodă. Stratul de aliaj poate reveni la starea amorfă iniţială prin încălzirea cu un fascicul laser până la o anumită temperatură, diferită de cea la care a avut loc trecerea în această stare.

Capacitatea unui CD-RW este de aproximativ 680 MB. Cu toate că Matsushita a demonstrat că transformarea de fază se poate produce de mai mult de 1 milion de ori în ciclurile de rescriere, această tehnică are practic o capacitate limitată de reinscripţionare, depinzând de complexitatea aliajului. Creşterea performanţelor duce însă la creşterea preţului, astfel că menţinerea acestuia la un nivel rezonabil face ca CD-RW disponibile să aibă o limitare de aproximativ 10000 cicluri de reinscripţionare. De asemenea, a fost necesară şi modificarea standardelor ISO 9660 şi un nou software pentru compatibilizarea CD-RW cu unităţile CD normale.

11. MinidisculMinidiscul, lansat pe piaţă de Sony în 1992, este adesea considerat un CD, dar în realitate

nu este aşa. El este un disc MO, care nu se conformează cu standardele CD şi nici măcar cu specificaţiile MO din Cartea Portocalie. Acest disc are un diametru de 2,5 inci şi este acoperit de un înveliş de material plastic, precum un floppy-disk de 3,5 inci. El este utilizat pentru înregistrări şi redări audio în dispozitive electronice casnice, dar în viitor i se prevede o largă utilizare în stocarea datelor, mai ales de tip multimedia.

12. CD TextCD Text este o variantă a formatului CD Digital Audio convenţional, care oferă în plus

utilizatorului informaţie de tip text (titlul albumului, numele artistului, titlurile cântecelor, numele compozitorilor, aranjorilor, producătorilor etc.).

13. DVDÎn septembrie 1995 s-a propus şi s-a acceptat un format unic pentru noua generaţie de

discuri optice în format de înaltă densitate. Până atunci existau două propuneri concurente: Multimedia CD (MMCD), al unui grup de companii condus de Philips şi Sony şi Super Density Disc (SDD), care a fost introdus de un consorţiu numit SD Alliance, condus de Toshiba, Matsushita, şi Time Warner.

O privire asupra detaliilor tehnice ale unui DVD arată că principalele caracteristici ale unui astfel de disc au fost adoptate din varianta SD. Discul este format prin alipirea a două discuri de grosime de 0,6 mm. Avantajul unui disc dublu este creşterea valorilor mărimilor caracteristice ale birefringenţei, având ca rezultat reducerea aberaţiilor optice în domeniul spectral al luminii fasciculului laser. Pentru creşterea densităţii pistelor şi alocarea unei zone de dimensiuni mai mici pentru adânciturile de pe disc, lungimea de undă a fasciculului laser a fost redusă de la 780 nm, pentru CD-ul obişnuit, la maxim 650 nm. A fost necesară şi modificarea sistemului optic. Apertura numerică a acestuia a fost mărită substanţial, de la 0,45 la 0,60. Aceste modificări au permis creşterea de patru ori a densităţii informaţiei pe disc. În comparaţie cu un CD obişnuit, structura header-ului a fost modificată, eliminându-se subcodul şi utilizându-se mai puţini biţi de paritate. Discul de înaltă densitate are o schemă de corecţie de erori mai eficientă decât CD-ul obişnuit şi utilizează un alt tip de modulaţie. Aşa cum s-a arătat, CD-ul se bazează pe modulaţia EFM, la care, ca urmare a modului în care este stocată informaţia, 8 biţi sunt reprezentaţi prin 14 biţi canal propriu-zişi şi 3 biţi de legătură, adică 17 biţi canal reprezintă 8 biţi de informaţie. Sunt mai multe moduri efective de codificare a informaţiei, cu raportul 8:16 şi 8:15, care au fost propuse de Philips şi Toshiba pentru discul de înaltă densitate. Rezultatul tuturor acestor modificări este o capacitate de mai mult de şapte ori mai mare decât cea a CD-

ului obişnuit. Primul disc de înaltă densitate al firmei Toshiba (Super Density Disc - SDD) avea o capacitate de 5 GB, utilizând modulaţia 8:15. Din motive de siguranţă mărită, noul DVD a modificat metoda de modulaţie la 8:16, stabilind un bit special pentru creşterea siguranţei, ceea ce duce însă la scăderea capacităţii de la 5 GB la 4,7 GB pe fiecare strat de stocare a informaţiei.

Sistemul DVD este compatibil cu formatele existente de CD, utilizând un sistem special de focalizare dublă pentru citirea discului. Prima aplicaţie este distribuirea filmelor pe astfel de discuri, utilizând tehnologia de comprimare MPEG-2. Au apărut şi soluţiile tehnice pentru discuri inscriptibile şi reinscriptibile bazate pe straturi de colorant organic tehnologia transformării de fază.

5.3. Standarde pentru CDCând este utilizat un CD ca mediu de stocare a datelor, este necesar un sistem pentru

accesul fişierelor şi datelor, permiţând organizarea fişierelor în directoare şi subdirectoare. La începutul folosirii tehnologiei CD-ROM nu exista un standard de sistem de fişiere care să permită accesul sub sisteme de operare diferite. De aceea, producătorii şi-au creat propriile sisteme, prin adaptarea sau directă a celor existente, cum ar fi MS-DOS sau Macintosh HFS (Hierarchical File System). În acest caz, discurile pot fi citite doar de sistemul de operare respectiv. Curând s-a dovedit că este necesar un sistem de fişiere multi-platformă. Reprezentanţii industriei electronice casnice şi de computere au format un grup numit „High Sierra Group” (HSG), după numele hotelului din Nevada unde acesta s-a reunit prima dată în noiembrie 1985, când s-a făcut şi prima propunere de standardizare. În 1986 s-a renunţat la propunerea HSG şi s-a trecut la conceperea unui standard ISO (International Organization for Standardization). În 1988 s-a adoptat standardul internaţional ISO 9660, privind procesarea informaţiei – volumul şi structura de fişiere ale unui CD-Rom pentru schimbul de informaţie (Information processing - Volume şi file structure of CD-ROM for information interchange). Între ISO 9660 şi propunerea HSG există unele diferenţe minore.

Software-ul care permite unui computer cu sistem de operare MS-DOS să citească discuri în standard ISO 9660 este numit MSCDEX.EXE (Microsoft CD-ROM Extensions). Acest program este desemnat din fişierul AUTOEXEC.BAT, există şi un alt driver hardware specific pentru unitatea CD-ROM în fişierul CONFIG.SYS. Un driver CD-ROM pentru un PC multimedia necesită un fişier MSCDEX în varianta minim 2.2. Un driver special este necesar de asemenea pentru Apple Macintosh. Totuşi, pentru familia Macintosh există şi diferite discuri utilizând HFS. Pentru a permite un suport complet al standardului ISO 9660 de către sistemele UNIX, la începutul anilor ’90 s-a format Rock Ridge Group (grupul reprezentanţilor industriei), care a renunţat la RRIP (Rock Ridge Interchange Protocol) şi a adoptat un standard corespunzător. Discurile conforme cu standardul Rock Ridge sunt complet compatibile cu standardul ISO 9660.

Avantajul standardului ISO 9660 este că acesta permite accesarea datelor de pe un CD de către diferite sisteme de operare. Bineînţeles, este nevoie de programe executabile diferite pentru sisteme de operare diferite (de exemplu, un program pentru UNIX, altul pentru Apple şi un al treilea pentru MS-DOS), dar rulând aceste programe, aceleaşi fişiere de date pot fi accesate de sisteme diferite. ISO 9660 este un sistem de fişiere ierarhic ca MS-DOS şi defineşte directoare, subdirectoare şi căi. Ramificarea ierarhiei directoarelor nu poate fi mai mare de 8 niveluri. Pentru identificatorii de fişiere şi directoare (File şi Directory Identifiers) se utilizează litere majuscule de la A la Z, cifre de la 0 la 9 şi semnul „_”. Lungimea maximă a unui nume este de 8 caractere, cu extensia de 3 caractere. Aceste restricţii sunt stabilite pentru nivelul 1 de transfer (Interchange Level 1), cel mai utilizat de discurile ISO 9660. Există şi nivelurile de transfer 2 şi 3, fără aceste

restricţii pentru numele fişierelor. Majoritatea discurilor sunt în prezent conforme cu standardul ISO 9660. De asemenea, extensiile şi dezvoltările ulterioare ale CD-ROM descrise anterior se bazează pe sistemul de fişiere definit de ISO 9660, deşi au fost necesare unele modificări şi adaptări, de exemplu pentru CD-R multisesiune.

În ultimii ani, multe aplicaţii multimedia au apărut ca CD-uri hibrid, pentru utilizarea pe mai mult de un singur sistem de operare, de exemplu Apple HFS şi ISO 9660. În acest caz, fişierele de date care pot fi citite şi interpretate sub sisteme de operare diferite pot fi stocate o singură dată (de exemplu fişierele de tip TIFF, JPEG sau MPEG) şi utilizate în comun de aplicaţiile pentru sisteme de operare diferite.

Sistemele de operare moderne au sisteme de fişiere care permit nume lungi ale fişierelor. Sistemul de fişiere al lui Microsoft, Joliet File System, îmbunătăţeşte specificaţiile ISO-9660 şi permite nume de fişiere de până la 64 de caractere. Sunt permise, de asemenea, caractere ale oricărei limbi. Lungimea numelui complet al unui fişier, incluzând structura de directoare, este limitată la 120 caractere.

Pentru suportul unor noi caracteristici de scriere a unui CD, s-au dezvoltat noi specificaţii pentru sisteme de fişiere, cum este ISO 13490. De asemenea, s-au propus noi standarde pentru suportul aşa-numitelor „bootable CD”, permiţând producătorilor de CD-ROM să împacheteze aplicaţia şi mediul sistemului de operare pe disc, astfel ca acesta să ruleze utilizând toate informaţiile necesare direct de pe CD. Sistemul de specificaţii ale formatului „bootable CD-ROM”, propus de CD/OS Association în 1995 este numit "El Torito".

Formatul de disc universalUDF (Universal Disk Format) este un format logic pentru toate tipurile de disc optic. În

timp ce standardul actual pentru unităţile CD-ROM care lucrează pe platforme Windows, ISO 9660, a fost conceput sub o formă suficient de simplă pentru ca orice sistem de operare să poată citi CD-ul, UDF este suficient de flexibil pentru a asigura cerinţele sistemelor de operare moderne, incluzând unităţi şi fişiere foarte mari, nume lungi, seturi de caractere străine, atribute de securitate şi multe altele.

UDF este bazat pe standardul ECMA 167, „Volume şi File Structure for Write-Once şi Rewritable Media using Non-Sequential Recording for Information Interchange“ (structura de volume şi fişiere pentru medii de stocare şi reinscripţionare utilizând înregistrarea ne-secvenţială pentru transferul informaţiei), stabilit de European Computer Manufacturers Association (ECMA). Într-un anumit sens, acest standard este echivalentul standardului ISO 9660, dar diferă de acesta în două moduri importante. În primul rând, oferă o mult mai mare funcţionalitate, în principal datorită nevoilor utilizatorului pentru un suport crescut al setului de caractere şi caracteristici superioare ale sistemului de fişiere. În al doilea rând, recunoaşte nevoile separate privind bootarea, structura de volum şi cea de fişiere. În loc de a lega aceste funcţii diferite împreună, ECMA 167 separă cu grijă aceste funcţii în părţi distincte şi descrie în detaliu cum lucrează împreună. ECMA 167 a fost adoptat mai târziu de International Standards Organization ca strandardul ISO 13346.

Specificaţiile UDF ale Optical Storage Association (OSTA)sunt o implementare a standardului ECMA 167/ISO 13346, care defineşte de fapt acele domenii din standardul ECMA care sunt lăsate la înţelegerea dintre sistemele de origine şi cele de recepţie a informaţiei. OSTA este un grup cu mai mult de 30 de membri, printre care Hewlett-Packard şi Toshiba. Scopul primordial al OSTA UDF este maximizarea schimbului de date şi minimizarea costului şi complexităţii implementării standardului ISO 13346. Pentru a realiza acest lucru, sunt definite

anumite Domenii. Un domeniu defineşte reguli şi restricţii în utilizarea standardului ISO 13346. OSTA UDF defineşte domeniul „OSTA UDF Compliant“.