Comunicação Óptica

Código:

F513

Sigla:

F513

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Física

Ocorrência: 2009/2010 - 1S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Departamento de Física
Curso/CE Responsável:	Mestrado Integrado em Engenharia Física

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
M:F	1	Plano de Estudos do Mestrado em Física	1	-	5	-
			2
MI:EF	5	Plano de Estudos a partir de 2007	5	-	5	-

Língua de trabalho

Português

Objetivos

Conhecer aspectos centrais da tecnologia da comunicação óptica.
Conhecer em detalhe as características da propagação da radiação nas fibras ópticas e na óptica guiada planar.
Compreender o acoplamento entre guias de onda ópticos, e entre guias e emissores ópticos.
Conhecer aspectos básicos da teoria de acoplamento de modos e suas aplicações na análise de dispositivos importantes (acopladores direccionais, redes periódicas).
Estudar a modulação electro-óptica de radiação guiada.
Conhecer os princípios de funcionamento de dispositivos optoelectrónicos, sua estrutura, características e aplicações (emissores LED, díodos laser, fotodetectores).
Compreender aspectos básicos de amplificadores ópticos em semicondutores e fibras dopadas.
Construir uma base de conhecimento e competências que potencie o exercício de actividade profissional, ou o prosseguimento para estudos mais avançados, na área.

Programa

1.Introdução
Tecnologia de comunicação óptica e processamento óptico de informação. Propagação guiada, guias de onda dieléctricos. Fibras ópticas, dispositivos em fibra óptica, dispositivos integrados ópticos. Evolução dos sistemas de transmissão por fibra óptica. Elementos básicos de um sistema de transmissão por fibra óptica.
2. Guias de onda em geometria planar.
Modos guiados TE e TM em guias plano paralelos. Modos e reflexão total. Relação de dispersão. Corte de modos, limites de alta e baixa frequência, número de modos guiados. Parâmetros normalizados e relação de dispersão normalizada de modos TE e TM. Dispersão intermodal e intramodal. Potência guiada e confinamento de potência. Modos de radiação do substrato e do substrato-superstrato. Ortogonalidade dos modos e normalização. Expansão de um campo arbitrário em modos normais. Referência a perda-ganho, e a plasmões de superfície. Caracterização de guias planares com prisma.
Guias de onda tridimensionais. Método dos índices efectivos. Técnica BPM de análise de dispositivos integrados ópticos.
3. Propagação em fibras ópticas
Propagação em fibras de perfil de índice em degrau (SI). Modos HE, EH, TE e TM. Relação de dispersão. Corte de propagação. Parâmetros normalizados. Dispersão. Grupos de modos no limite de guiagem fraca; pseudo-modos LP. Funcionamento monomodo. Potência guiada e confinamento modal. Dispersão em fibras monomodo. Controlo de dispersão e fibras US, DS e DF. Diâmetro modal (MFD) e perfil equivalente (ESI). Dispersão de polarização e birefringência em fibras ópticas. Fibras ópticas multimodo. Propagação em fibras de perfil gradual (GI) segundo a Óptica Geométrica; dispersão de raios ópticos e optimização do perfil. Abordagem WKB; dispersão e sua optimização.
4. Acoplamento fibra-fibra e emissor-fibra
Acoplamento entre fibras monomodo, tolerâncias, conectores e juntas; reflexões. Acoplamento entre feixe gaussiano e fibra monomodo. Acoplamento entre fibras multimodo, e entre um emissor extenso e fibra multimodo.
5. Teoria de acoplamento de modos
Teorema da reciprocidade de Lorentz, ortogonalidade de modos, expansão de um campo em modos próprios do guia não perturbado. Sistema de equações acopladas nas amplitudes modais; coeficientes de acoplamento. Acoplamento direccional; sincronismo de fase; transferência de potência; comportamento espectral. Filtro sintonizável e comutador óptico. Análise de acoplamento direccional em termos de supermodos da estrutura; matrizes de guias acoplados. Acoplamento contra-direccional num guia com rede periódica; sincronismo de fase; coeficiente de reflexão; resposta espectral do reflector.
6. Modulação electro-óptica de ondas guiadas
Tensor permitividade eléctrica, elipsoide dos índices, efeito Pockels. Matriz de coeficientes electro-ópticos, materiais comuns. Moduladores de amplitude e de fase em niobato de lítio. Resposta em frequência; moduladores de ondfa progressiva.
7. Dispositivos optoelectrónicos
Semicondutores em Optoelectrónica.
Processos ópticos em semicondutores; LEDs de homojunção. Heterojunção; comportamento em equilíbrio e tensão directa; transporte unipolar. Injecção de corrente e ganho limiar de oscilação laser; heterojunções duplas, confinamento de portadores e de fotões. Laser de heteroestrutura. Lasers DFB; equações acopladas; funcionamento monomodo longitudinal. Referência a lasers de poços quânticos.
Fotodetecção numa junção pn inversamente polarizada; fotocorrente; modelo de circuito em modo fotocondutivo. Fotodetector pin; fotocorrente, estrutura, eficiência, resposta em frequência, ruído. Fotodetector de avalanche (APDTipos de amplificadores; Amplificadores DFA; esquema laser de 3 níveis; espectroscopia de dopantes; esquemas de bombagem; comportamento do ganho. Ruído em DFAs; ASE.

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

Aulas teóricas e teórico práticas.

Tipo de avaliação

Avaliação por exame final

Obtenção de frequência

Não pode exceder o limite de faltas legal.

Observações

BIBLIOGRAFIA
Optical Fiber Communications, 3.rd ed., G. Keiser, McGraw-Hill, 2000.
Optical Communication Systems, 2.nd ed., J. Gowar, Prentice-Hall, 1993.
Lightwave Technology, Components and Devices, G.P. Agrawal, Wiley Interscience, 2004.
Optical Electronics in Modern Communication, 5.th ed., A. Yariv, Oxford U. Press, 1997.
Fundamentals of Photonics, B.E. Saleh, M.C. Teich, John Wiley, 1991.
Electromagnetic Principles of Integrated Optics, D.L. Lee, J. Wiley, 1986.
Theory of Dielectric Optical Waveguides, 2.nd ed., D. Marcuse, Academic Press 1999.
Physical Properties of Semiconductors, Ch.M. Wolfe, N. Holonyak Jr., G.E. Stillman, Prentice-Hall, 1989.
Semiconductor Optoelectronic Devices, P. Bhattacharya, Prentice-Hall, 1994.
Optoelectronics: An Introduction to Materials and Devices, J. Singh, McGraw-Hill 1996.
Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Principles and Applications, E. Desurvire, J. Wiley, 1994.