Projeto de Iniciação Científica – F590

Relatório Final

“Amplificadores ópticos de semicondutor para aplicações analógicas” Aluno: Leandro Pereira Lopes RA 016545. Orientador: Prof. Dr. Newton Cesário Frateschi. Objetivo: Desenvolveremos amplificadores ópticos destinados à aplicações analógicas na banda C (1530 nm – 1560 nm O amplificador será avaliado dinamicamente onde fixaremos nosso interesse na distorção de sinais às flutuações de inversão de população com a injeção de sinais modulados. Introdução: O papel do amplificador óptico num sistema encontra-se em amenizar as exigências de potência óptica no transmissor, dados os limites de sensibilidade do receptor, uma vez que linearidade depende da quantidade de potência óptica modulada. Ou seja, utilizando-se um amplificador após o modulador ou logo antes do receptor, pode-se efetivamente aumentar o SFDR (spurious free dynamic range), contanto que não se aumente o ruído e a distorção.

Amplificadores ópticos podem ser obtidos a partir de estruturas muito similares a laseres de semicondutor sem realimentação, de tal forma a termos uma estrutura de passagem única da luz.

Nessa primeira parte da iniciação científica, desenvolvi equipamentos mecânicos para o acoplamento das fibras ópticas no ar e alinhamento delas com precisão para a execução de várias medidas, e que já foram utilizados, como será especificado a seguir. Descrição do trabalho desenvolvido: Para seguir um plano de trabalho, o meu orientador propôs um fluxograma no dia 15 de abril. Este fluxograma contém as atividades que deverão ser desenvolvidas durante o primeiro semestre de 2004, especificando datas de conclusão de tarefas.

A primeira parte do projeto constou da construção de bases para acoplar duas fibras ópticas através do ar. Utilizando dois posicionadores, um ajustado por micrômetros nas direções x e y no plano horizontal e outro ajustado por piezos elétricos do tipo AD Series da Newport®[1] nas direções x, y e z, de maneira a fazer um ajuste mais fino, comecei a montar bases para juntar esses dois tipos de posicionadores. Os piezelétricos são posicionadores de alta precisão que possuem um ajuste mais bruto através de um micrômetro colocado em um dos extremos do atuador e um ajuste muito fino, da ordem de nanometros, feito a partir de um ajustador de tensão cujo deslocamento é proporcional à tensão colocada no atuador; é um equipamento muito sensível e que exige bastante cuidado em seu manuseio. As bases foram desenhadas entre os dias 15 e 17 de março. A figura 1 é o desenho mecânico da base que adapta o posicionador de ajuste mais grosso à mesa onde se localiza o microscópio que é usado para auxiliar no

posicionamento. A figura 2 é a base que serve para o encaixe do posicionador x, y, z (460A Series linear stages) ao posicionador x, y de ajuste mais grosso.

Figura 1: Desenho da base adaptadora de encaixe do ajustador

bidimensional para a mesa de testes.

Figura 2: base colocada entre o ajustador xyz e o ajustador micrométrico xy.

No dia 18 de março, providenciei a execução deste primeiro projeto.

Preenchi uma folha de ordem de serviço para aquisição do alumínio na oficina mecânica da física. Fui à oficina buscar o material, achei um retalho na medida das bases e cortei uma outra chapa para completar todo o pedido. A massa total foi de 2,100 Kg e foram cortadas três chapas de 10 mm cada, contando o retalho. Devem ser feitas duas bases de cada tipo.

Dentro do plano de trabalho está o estudo sobre junções p-n. Como bibliografia, utilizo o livro “Solid State Eletronic Devices” [2].

Quando as bases ficaram prontas, testei os furos no ajustador micrométrico. Para terminar, enviei pedido de compra de parafusos para fixação dessas bases à mesa e aos ajustadores.

No dia 29 de março, fiz as medidas para construção da base do acoplador, que seria presa ao posicionador xyz para que fosse presa a ela o acoplador de maneira com que ele ficasse em linha reta com outros ajustadores. Como o objetivo é acoplar duas fibras ópticas no ar, as bases deverão ser duas e de

maneira espelhada de uma com relação à outra. A altura do eixo óptico das fibras deve estar próxima a uma montagem já feita no microscópico, que está a aproximadamente 150 mm de altura com relação à mesa.

Novamente fiz a ordem de serviço e fui buscar o material na oficina mecânica central, local onde no ano anterior eu havia cumprido meu estágio da Habilitação Profissional de Técnico em Mecatrônica. A primeira base foi construída com alumínio, e, baseado no catálogo do fabricante do posicionador xyz, Newport®, pude adquirir medidas para aproximar a altura da base. A figura 3 é o desenho da base que se encaixa no posicionador xyz, e que aproxima as fibras do microscópio.

Figura 3: desenho mecânico das bases para suporte

do acoplador da fibra óptica. Como deve haver duas bases frontalmente opostas entre si, com este desenho foi possível, apensa mudando o esquema de montagem de uma das

peças fazer a base oposta. Novamente a quantidade de bases construídas na oficina mecânica do Departamento de Física Aplicada (DFA) foram duas. O acoplador das fibras foi construído com latão, usinando um tarugo redondo na fresadora, criando um bloquinho nas medidas propostas pela figura 4 onde se pôde furar de maneira com que a fibra ficasse interna a um dos furos, presa por um parafuso sem cabeça tipo M4. A diferença da base desenhada nesta figura e a base oposta foi apenas a localização da rosca que prende a fibra ao acoplador, que foi simetricamente espelhada com relação ao eixo perpendicular ao eixo óptico no plano horizontal da peça.

Figura 4: desenho mecânico do acoplador da fibra óptica.

Concomitantemente ao projeto do acoplador, em meu cronograma proposto estava o estudo dirigido com relação a junções p-n. Estudei sobre os princípios da física do estado sólido, como se dá o crescimento de semicondutores por diversos métodos, formação de bandas, tipos de recombinações, níveis de Fermi,

equações de onda, equações de continuidade, excesso de portadores em semicondutores, zona de deplecção, correntes de difusão e deriva e fenômenos que ocorrem em uma junção p-n. No dia 2 de abril, assisti ao seminário de um dos doutorandos do grupo em que eu trabalho, o Adenir, que explicou sobre laseres de cavidade pequena, entre 60 e 150 µm de percurso dos raios quando se aumenta ou diminui a excentricidade do laser; ora a emissão principal ocorre quando a luz forma um losango com aproximadamente 60 µm de perímetro, ora a emissão maior é da “gravata borboleta” com 150 µm de perímetro. Apresentei um seminário sobre junções p-n no dia 16 de abril. Anteriormente à minha apresentação, outra aluna apresentou seu seminário sobre dispositivos semicondutores, para que pudesse dar uma introdução à minha apresentação, baseada nos conceitos desenvolvidos na apresentação dela. Fiz uma apresentação no Power Point para exemplificar os assuntos anteriormente mencionados. Em 7 de abril, com todas as partes mecânicas para o acoplamento das fibras prontas, fixei os dois conjuntos de ajustadores já montados na chapa onde está montado o microscópio, colocando uma proteção de papel para impedir a perda dos laseres, caso eles caiam quando formos fazer as medidas. Encaixei os piezos no fornecedor de tensão. Meu orientador ajustou o microscópio para enxergar a superfície do acoplador com 200 vezes de aumento. Ligamos os piezos e, através do microscópio, verificamos o deslocamento do conjunto com a variação na tensão dos piezos. A base ficou mais estável que o microscópio que estávamos usando para ver a superfície do acoplador. Antes de colocar a fibra óptica no acoplador, ligando o emissor ao receptor de sinais, meu orientador me explicou sobre o que são APC e PC: APC: acoplamento da fibra inclinado, para evitar retorno de sinal; PC: acoplamento reto da fibra, onde na ponta há uma simetria radial em relação ao eixo óptico da fibra. No dia 12 de abril, houve o acoplamento das fibras e o alinhamento primário com o microscópio aumentando 50 vezes. A maneira como as fibras foram encaixadas, presas com parafuso sem cabeça M4, possibilitou que a face de uma não batesse na outra. Fiz as aproximações visuais utilizando primeiramente o ajuste mais grosso dos posicionadores. Para o alinhamento preciso das fibras e determinação da distância focal delas, no dia 26 de abril, usando um laser de GaAs da Newport® como fonte luminosa de entrada, otimizou-se a passagem de luz para a outra fibra ajustando o posicionamento agora com o auxílio dos piezos elétricos. Acoplando diretamente através de apenas uma fibra óptica o laser ao espectrômetro e indiretamente através do acoplador desenvolvido na minha iniciação, obtive o resultado expresso pelo gráfico da figura 5 a seguir.

Figura 5: espectro de emissão de um laser de arseneto de gálio. Note que a

emissão do laser é de maior intensidade para comprimentos de onda na faixa do infravermelho.

Através da figura anterior, pode-se encontrar a perda em dBm. Essa escala é logarítmica, onde 1 dBm é igual a log P/P0 , onde P0 é a medida de referência igual a 1 mW. De acordo com esse gráfico, houve a perda média de (13,48 ± 0,10) dBm. Esta perda é considerada grande para a medida feita. Para verificação dos locais de perda, utilizei um visor de infravermelho e focalizei ao longo do comprimento da fibra. O esquema de transmissão de luz através da fibra segue a figura 6, e apresentou perdas no segundo acoplamento da fibra vinda do laser, na junção da fibra receptora, espalhamento no acoplamento aberto e perdas internas.

Receptor Vazamentos de luz

Figura 6: descrição das perdas de luz no acoplamento.

Atualmente estou na fase de execução das placas que servirão de substrato para os amplificadores ópticos, objetivo da minha iniciação. Haverá o controle de temperatura através de um Peltier elétrico, que resfria ou esquenta de

acordo com o sentido de corrente para que possamos controlar a temperatura das barrinhas amplificadoras, além de um termistor para medida da temperatura, placas de 1 mm para colar as barrinhas amplificadoras com cola de prata e uma base fina de latão que acople todos esses componentes no espaço máximo de 9 mm. O efeito Peltier ocorre apenas na junção de dois materiais diferentes quando nele existe uma corrente elétrica. Calor, chamado de Peltier calor, é também emitido ou absorvido na junção, dependendo da direção da corrente. O projeto já foi executado na oficina mecânica da Física Aplicada.

Figura 7: projeto do encaixe externo para prender os

componentes à base.

Figura 8: base para fixação das placas com o amplificador, Peutier e termistor

sobre uma base fixa à mesa de encaixe.

Figura 9: trilho da base fixa.

A figura 10 a seguir mostra a base onde serão presos os trilhos mostrados na figura acima. No dia 31 de maio, quando esse encaixe foi feito, a peça da figura 8 apresentou deslizamento forçado quando foram presos os trilhos a essa base. Houve um atraso de mais de duas semanas no projeto, pois modificações equivocadas foram feitas no projeto com relação a várias medidas, e ele teve que ser revisto, e estava planejado para que a fresadora da oficina mecânica do Departamento de Física Aplicada tivesse que passar por uma manutenção preditiva para verificação de tempos de usinagem e diminuição de folgas existentes na máquina.

Enquanto os trabalhos iam sendo executados na oficina, eu estudava sobre amplificadores ópticos e refazia os desenhos das peças para que a perda de

material com as novas modificações pudesse ser mínima, utilizando as peças já construídas para adaptar às medidas corretas.

Figura 10: adaptador dos trilhos sobre a haste.

Para elevar este adaptador à altura correta, foi feita uma haste com um tarugo de alumínio de secção quadrada de uma polegada, de acordo com a figura 11. Este foi um dos projetos que teve que ser modificado, além do adaptador da figura 10.

Figura 11: haste para suspender as barrinhas amplificadoras

na altura correta com relação à mesa de testes.

As barrinhas amplificadoras serão presas com cola de prata a placas de latão de 1 mm de espessura conforme a figura 12. Essas placas serão feitas utilizando tiras de uma chapa de latão cortadas primeiramente próximas às medidas desta figura, depois coladas com resina dissolvida em acetona, para que quando a acetona secar a resina grude uniformemente as placas, e por último prensadas na morsa da fresadora para deixá-las planas e fresar nas medidas corretas.

Figura 12: placas para substrato das barrinhas amplificadoras

no encaixe com o termistor e o Peltier na base da figura 8.

Na base da figura 8 serão encaixados o Peltier para regular a temperatura dos amplificadores, a placa de latão com a barrinha amplificadora colada com cola de prata, e o termistor com capa de látex, para verificação da temperatura da placa de latão, que é considerada próxima à temperatura do amplificador. A base será presa aos trilhos de latão por meio de parafusos Allen M4 sobre a base da figura 10, que será por sua vez presa à haste da figura 11 também por meio de parafusos M4. As indicações de rosca M3 na figura 10 e de furo com diâmetro 3 na figura 9 tiveram que ser modificadas devido a falha na execução do projeto mecânico. A haste está presa à mesa de testes por meio de uma base de alumínio com quatro posições de adaptação possíveis, sendo que para esta serventia

estamos usando os furos referentes à posição de um dos extremos da base, que foi colocada entre os primeiros acopladores mencionados no início do relatório. O estudo sobre amplificadores ópticos, segundo o livro “Semiconductor Lasers” [3] é referente à apresentação de um seminário que ocorrerá dia 18 de junho na sala de seminários do Departamento de Física Aplicada (pavimento inferior). Nele apresentarei informações sobre os seguintes assuntos: tipos de amplificadores (de semicondutor e de fibra), conceitos gerais envolvidos, enfocarei minha análise em relação aos amplificadores ópticos de semicondutor, explicarei grandezas quantitativas como saturação de ganho, reflectividade e espectro de ganho e comprimento de banda e por fim falarei as aplicações desses amplificadores. A figura 13 abaixo mostra a configuração geral de um amplificador óptico de semicondutor. Nesse tipo de dispositivo, há a dependência do ganho com relação à reflectividade, polarização, freqüência da luz em relação à freqüência atômica de transmissão, ruído e tamanho do amplificador.

Figura 13: construção de um amplificador óptico de semicondutor.

O esquema montado no laboratório segue como na figura 14 abaixo: Figura 14: montagem dos projetos desenvolvidos até agora na iniciação científica.

Placas de latão com os amplificadores

Base das placas de latão

Bases de alumínio

Terminal da fibra

Acoplador

Bases de Al

Posicionadores

Comentários do Coordenador: Data: 29/04/2004 19:25:38. Comentário: Projeto aprovado. Data: 19/05/2004 20:45:56. Comentário: RP aprovado. Mas tem de poder montar em um documento .pdf só. Foi pelo sítio indicado no "Mural"? Perguntas: Que tipo de deslocadores piezelétricos usa? Quais são as características? O que é o "Peltier" (eu sei mas quero que você o descreva). Em que posição se encontra respeito dos elementos ópticos? Qual o endereço eletrônico de seu orientador? Você tem bolsa? Conclusão: As bases e os acopladores construídos ficaram bastante estáveis. Essa estabilidade foi verificada pela pequena variação do sinal recebido pelo espectrômetro e pela maior vibração do microscópio em relação à das bases quando o aumento era de aproximadamente 200 vezes. Utilizando essas bas es e acopladores, pude verificar a distância focal das fibras óticas e o espectro de emissão do laser de arseneto de gálio, que será muito útil no decorrer da iniciação pois possibilita uma aproximação preliminar para as fibras com relação ao amplificador que estamos desenvolvendo. Com o novo suporte, será possível a obtenção de relações entre sinais de luz na entrada e sinais na saída, para saber sobre ganho e perda relativos a vários tipos de medida. Além disso, a montagem de barrinhas amplificadoras sobre as placas da figura 12 focalizará os próximos experimentos no objetivo principal da iniciação científica, que é o desenvolvimento do amplificador com menores distorções, e a determinação dos parâmetros envolvidos nas medidas fará possível o desenvolvimento de componentes optoeletrônicos compactos através apenas de uma organização dos itens desenvolvidos. Com relação à previsão de conclusão do projeto, pela complexidade e grande trabalho envolvido, ele está previsto por meu orientador para ser concluído em mais um ano, portanto este semestre trabalhei para adiantar o projeto sem bolsa de nenhuma instituição de apoio à pesquisa, e espero o resultado dos pedidos de bolsa para a FAPESP e o CNPq para que eu possa ter uma base financeira para seguir o desenvolvimento do meu trabalho. Meus objetivos em relação ao grupo LPD nesse semestre foram alcançados, houve modificações no fluxograma proposto no início do semestre e de acordo com essas mudanças estou em dia com meu trabalho. Para a disciplina, os resultados obtidos são satisfatórios tendo em vista que as bases mecânicas construídas estão em perfeito funcionamento e já são capazes de verificar espectros de laseres acoplados por fibra óptica. Bibliografia: [1] ”The Newport Resourse”, Guide to Standard Products, Application Notes and Tutorials, 2002, pág. 1069. [2] ”Solid State Eletronic Devices”, Ben G. Streetman – 3ª ed. Englewood Cliffs: Prentice-Hall c1990, capítulos de 1 a 5.

[3] “Semiconductor Lasers”, second edition, Govind P. Agrawal and Niloy K. Dutta, Van Nostrand Reinhold, cap. 11.