Optoelectronică

Capitolul 1

OPTOELECTRONICA - DEFINIRE, CONCEPTE DE BAZĂ ȘI MĂRIMI FIZICE

1.1. Definire

Optoelectronica reprezintă un domeniu interdisciplinar al științei și tehnologiei de optică și electronică, care vizează studiul și realizarea de Dispozitive OptoElectronice (DOE) - bazate pe interacția Radiației/Undei Electro-Magnetice (REM/UEM) din Spectru Optic Restrâns/Extins (SOR/SOE) cu diferite Medii Fizce (MF), proiectarea de circuite și implementarea de aplicații optoelectronice (în care se utilizează o gamă largă de DOE).

1.2. Mărimi fizice de bază (cu sens de standard)

La definirea principalelor mărimi radiometrice și fotometrice (cu care poate să fie caracterizată REM în diferite zone spectrale) se utilizează un set de mărimi fizice de bază, considerate ca mărimi fizice standard:

L [m] – lungime;

A [m2] – arie;

V [m3] – volum;

Ω [sr] – unghi solid;

λ [nm, μm] – lungime de undă;

t [s] – timp;

υ [Hz] – frecvență temporală (f – simbol pentru frecvență utilizat în electronică);

ω [rad/s] – frecvență unghiulară;

W [J] – energie.

1.3. Concepte de bază

În optoelectronică se operează cu o gamă variată de concepte, care se prezintă în continuare.

Conceptul de REM se referă la fluctuațiile sarcinilor electrice din atomii diferitelor meteriale – considerate cu rol de MF – care induc fluxuri de fotoni cu diferite valori de energie. Pe o axă de energie (de la volori suficient de scăzute până la volori suficient de crescute), corelată cu valori corespunzătoare de frecvențe și de lungimi de undă, se pot delimita mai multe zone spectrale precizate în figura 1.1. Valorile de frecvențe și de lungimi de undă pentru domeniul vizibil (optic ) sunt pezentate în tabelul 1.1. Energia pentru REM se calculează cu relația:

W = h = hc/

unde

h = 6,626196 . 10 -34 [J . s] este constanta lui Planck,

c = υ λ = 3 .10 8 [m/s] - viteza luminii în vid (în alte MF, c→cMF = c/n),

υ - frecvența temporală [Hz],

- lungimea de undă pentru REM [nm sau μm],

n ≥ 1 – indicile de refracție pentru un MF.

Fig. 1.1 - Spectrul pentru REM, în care se delimitează Spectrul Optic Restrâns (SOR) și Spectrul Optic Extins (SOE = SOR+IR Apropiat + UV Apropiat) în care operează structurile de DOE.

Tabel 1.1 – Spectrul Vizibil (Optic)

Conceptul de UEM se referă la propagarea în timp și spațiu a unei perturbații electromagnetice (sau de câmp electromagnetic) prin diferite tipuri de MF – generată de oscilația unei sarcini electrice. În funcție de proprietățile fizice ale MF, UEM poate să fie scalară - cu funcția de undă Ψ(x,y,z,t), vectorială – cu funcția de undă (unde este vectorul de poziție în spațiul unui MF) și tensorială – cu funcția de undă .

Conceptul de absobție a REM în diferite MF se referă la excitarea cu fotoni a electronilor de pe nivele inferioare pe nivele superioare de energie, prin absorbția energiei acestora în anumite condiții de lucru.

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

Conceptul de interacțiune a UEM cu din diferite MF se referă la modificarea controlată a proprităților și a caracteristicilor de bază, prin următoarele procese fizice: reflexie, refracție, atenuare a intensității, difuzie, dispersie, difracție, interferență, polarizare și birefringență.

Conceptul de lumină (light), văzut prin dualismul incorporat (lumina văzută ca undă electromagnetică, respectiv lumina văzută ca particule de tip foton), se referă atât la UEM cu diferite game pentru lungimi de undă din SOR (precizate în tabelul 1.1) cât și la REM din spectrul vizibil/optic – cu anumite nivele de energie ale fotonilor implicați (numit și spectrul vizibil/optic în sens restrâns pentru ochiul uman și în sens extins pentru DOE care operează în zona spectrală SOR/SOE – fig. 1.1). Lungimile de undă ale REM în spectrul vizibil (optic), care definesc lumina, sunt interpretate de ochiul uman prin culori diferite – obținute de Isaac Newton în 1672 cu ajutorul unei prisme optice prin care trece lumină albă (mai nuanțat, la fiecare lungime de undă se percepe o anumită semnătură de culoare din spectrul REM ilustrat anterior – fig. 1.1). În practică se operează cu conceptul de lumină monocromatică (dacă este prezentă o singură lungime de undă) și cu conceptul de lumină albă (dacă sunt prezente toate lungimile de undă din spectrul vizibil/optic).

Conceptul de întuneric (dark), prin contrast cu conceptul de lumină, se referă REM/UEM din afara spectrului vizibil/optic.

Conceptul de CEM (Câmp Electro-Magnetic) se referă la o formă combinată de câmp electric (generat de sarcini electrice și caracterizat prin următoarele mărimi de stare: - câmp electric și = ε - inducție electrică, unde ε = ε0.εr este permitivitatea dielectrică a MF, ε0 – permitivitatea dielectrică a MF de tip vid/aer și εr - permitivitatea dielectrică relativă a MF) și de câmp magnetic transversal (generat de variația în timp a sarcinilor electrice și caracterizat prin următoarele mărimi de stare: ┴ - câmp magnetic și = μ - inducție magnetică, unde μ = μ0.μr este permeabilitatea magnetică a MF, μ0 – permeabilitatea magnetică a MF de tip vid/aer și μr - permeabilitatea magnetică relativă a MF).

Conceptul de MF se referă la materialele/mediile caracterizate prin următoarele mărimi de stare: - densitate de curent, unde σ este conductivitatea electrică; = χe - polarizare temporală, unde χe este susceptibilitatea electrică și χm - magnetizare temporală, unde χm este susceptibilitatea magnetică (de exemplu: mediii fizice solide – cu structură amorfă și cristalină; medii fizice lichide; medii fizice gazoase și sub formă de plasmă, utilizate pentru generarea de REM și/sau pentru propagarea de UEM). Proprietățile optice ale oricărui MF se definesc prin interacțiunile specifice ale acestuia cu lumina (pe baza cărora se poate indentifica fiecare tip și clasă de MF – de exemplu, lumina care se transmite prin cristale este influențată/dependentă de compoziția chimică, de structura fizică și de simetria geometrică a acestora). În optoelectronică se operează cu următoarele clase de MF:

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

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

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