Comunicaes Opticas cap01

CAPlrULO 1

Preiimbulo e Resumo Historico da Fotonica

11 Introdu~ao

A nLCcssidade da impJemenlilltao de sistemas que pcrmlllssem muita s comunishycmOes simultAneas comeltoll ja nas primeiras decadas do seculo xx Por volta de 1926 Coram cdados as cquipamentos telefllnicos com onda ponadora plfa transmissao de dais Oll qualro canais de YOZIII OS primeiros modclos sofreram fapida evoultao ampliando de fo rma significat iva a capacidadc tic transmissao

o emprcgo de dispositivQS semicondutores a partir do infcio da decada de 1950 deu grande impulso a esse desenvolvimcnto wrnando as ci rcuitos eletr(micos ma ls e licicntcs mais conliiveis mais cornpactos com fficnor consumo de potJncia A passhysibilidade de csscs componentes procesSMcm sinais de freqOtncias muito elcvadas permitiu concentrar mais canais em uma mcsma onda portadora num unico mdo de transmissao com 0 emprego de sis tem1$ poderosos de multiplexa5O Desta forma- 0

objelivo de am pliar a capaddade de comunicac6es foi cumprido com born desempenho primeiramente pclos sistemas de frequencias multo elevadas (VHF ) e uhra -elcvadas (UHF) e depois pelos enlaces de microondas Todavia as pressOcs oriundas da comunidade t~m scm pre forcado 0 aumen to nas freqGencias das portadoras de maneira a possibilitar 0 envio de maior numero de informacOcs e-a prestacao de novos servios

o crescimento da demandil Irouxe grande congestionamemo e uma samracao dessils faixas tradidonais de freqliencias induindo os sistemas de rnicroondils Nos ultimos anos inlensificaram-se as aplica6es na faixa de ondas milimetricas que corshyrespondem a frequencias adma de 30GHz e tornou-se quase natural que as pesquisas fosscm encaminhadas pMa a idCia de utilizar a iuz como onda portadora ainda que mio necesslriamente na falxa visfvel

o desempcnho de um sistema de IclecomuniGIoeS COSiUma ser avaliado a panir de dois parllmelros fundamentais 0 fator de atrnlla(ao e a largllra de faixa 0 primeiro estabelece a distAncia max ima de transmissao scm necessidade de repetidores au sisteshymas capazes de rccuperar 0 nfvel do sinal 0 segundo fixara a maxima frequencia de modula1o permit ida em casO de sistemas anal6gicos ou a taxa maxima de transshymissao no caso dos sistemas digitalizados sem necessidade da restauraclio da forma dos pulsos

As comunicaOes 6pticas despenaram interesse principaimente por supla ntar os sistemas mais tradidonais ncsses dois pomos Assim em varias panes do mundo destishynaram-se vultosos investirnentos no apcrfcioamento e na criacao de componentes cqui plmentos e sistemas para 0 emprego da luz em comunica~6es que exigissem grandes largll ras de faixa ou altas taxas de transmissao

Prr4mbuo t Raunw HiilOrico da FOl6niw 17

o aper feiloamcnto de diversos modelos de laser a partir dos mos 60 e das fibras 6plicas de baixas perdas ao final da Meada de 1970 pode ser citadO como importame marco pa ra impiemen tar enlaces longos com clevadas taxas de modulaao urilizando frequncias porradoras milha res de vezes maior do que as das faixas de microondas Como conseqiiencia em rodos os pafses a ampliaao da rede de comunica~6cs 6pticas em rilmo muito acelerado tornou-se urn fato notavel Os projetos e os invesrimentos resultaram em cntroncamentos nacionais e internacionais para a rra nsmissao simulmiddot tAnea de sinais de voz vfdeo e dados na modulaltlo de urn feixe Oprico de grande intensidade e alIa pureza espccrral Para tamo sc1ecionaram-se valores de comprishymentos de onda que fossem mais adequados ao meio de rransmissltlo

As soluoes pioneiras em pregavam a luz infravermc1ha em torno de 850nm e com pouco lempo identHicou-se 0 comprimenro de onda de 13)UTI com vantagens de apreshysenlar pequena atenualtlo e pequena dispersltio quando se propilgilr em fib ras 6ptieas a base de sflicayl Despcrtou interesse tambcm 0 comprimento de onda de 1 55)U11 no qual a fibra apresenta perda ainda menor e pcrmile 0 usa de amplificadores espedais capazes de amplificar 0 pr6prio fcixc de luz Esse equipamento e construfcIo com urn tipo es pecial de fibm dopada com erbio c garanIC a compensaao das perdas que ocorrerem na lransmissao

12 Nova terminologia Com os desenvolvimcntos registrados no campa da 6ptica uma terminologia

pr6pria foi incorporada as publicaOcs tecnicas e ciemfficas ExpressOes e espcciaJidades tais como oproeietrOnica ~tr06piica c1etrOnica quantica clctrodinAmica quan tica 6plica illlegrada fibras 6plicas 6ptica nltiomiddotlinear e outras passiITam a fazer pltlrte do usa cotid iano e referemmiddotse a algulll tipo de eswdo dc aperfeioamento ou de aplicaOes de fontes COl1lroladas de luz tais como virios tipas de laser e de diodos emissores de luz Houve neeessidade da criaJo de urn lermo mais abrangeme cap17 de cobrir os diferentes segmcnlos de interesse dcnlro desta area Por analogia com a palavra elflronica que represen ta os varias campos de aluaao envolvendo dispositivos que opcram a partir de nuxo de cictrons a lecnologia Que usa os componentes c sistemas associados ao nuxo de f6tons tern side conhecida comronica

Nesta area incluemmiddotse estudos sobre como os f610ns sao gerados como opcram e interagem com 0 melo de propagaao cstudos sobre 0 comrale de fon tes 6pticas as formas de nrualtao sobre a intensidade luminosa e suas aplicaOes 0 descnvolvimenlO de componentes e disposilivos para inumeros empregos etc Algumas subareas rem mos trado evoluOes marcan tes Devem seT destacadas as que envolvem disposilivos eletr06pticos c optoclctrOnicos companentes de 6plica inlegrada dispositivQS que usam interaOes acust6pticas e magnet06pricas processos c equipamel1tos para tra nsmissOeS de c1evadas taxas com modulaOcs do feixe 6ptico execu tadas de forma direta ou ap6s sua emissao peia fon te e urn conjumo de CCnicas e procedimentos que conduziram ao apcrfcioamento e ao uso de novos materiais Nos dias de hoje ulilizammiddotse incontaveis componentes ( sis temas especializados para varios processamcmos do feixe 6plico c uma das aplicaOes de maior alennce pn1tico envolve os modernos enlaces de comunicao(s de alta capacidade

Comunktl(ks 6ptkas

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L3 Motiva~6es para novos empregos dos fenomenos opticos A idcia de utiliza~ao dos fenOmenos 6pticos para comunica~6cs data de uma cpoca

nu ito distante provavdmente remontando ~ idade dilS cavernas Os sinais de fogo e umalta sobre os quais era possivel exerccr algum controle foram utilizados pelos lrimeiros homens para a Iransmissao rudimentar de mcnsagens da epocayl Por nilhares de anos os homens usaram sinais criados com essa tecnica pam comunica~6es lentro do alc1nce visfveJ segundo c6digos rudimentares precs labclecidos

Ap6s 0 grande avan~o da Fisica durante a dade Media e a Idad e Modcrna alguns Xsquisadores haviam concluido que a 6plica era uma ciencia lerminada da qual sc lOdcria espcrar algum avanro em conhecimentos ja adquiridos sem conseguir saltos ignificalivos ncm novas descobertas ou dcscnvolvimentos acentuados Motivos para ~ssa5 previs6es deriv(lvam do falO que as aplicaltOes dos fenomenos Iuminosos em geral kavam rcstrilas ~ lecnologia oriunda da 6ptica geomeuica com 0 aperfei~oamento de entes espelhos e outros aparelhos 6Plicos baseados nesses componentes Os cfeilos ram inlerprclados a partir do estudo dos raios luminosos urn recurso que se mostrou nsuficienle para 0 eSludo e a explicar1o de muitos falos rclativos ~ IUl posteriormente malisados de maneira mais rigorosayl

Descobertas a pltlrtir da segunda metade do sCculo XIX derrubaram a previsao de que l 6ptica linha se complelado como ciencia Em primeiro lugar a teoria cletromagnetica inrelizada por Maxwell consolidou a 6plica ondulat6ria uma idCia associada ~ luz desdc 0

erulo XVII Depoi s em funltiio de novos conceitos cicntificos do infdo do sltculo xx urgiram a elctrodinfl1llica quantica e a 6pl ica quamica Novas conhccimemos e novas nvenOes obtidos com recursos teOlol6gicos modernos sugeriram inumeras aplica~6es

lara esta area Alem dos sistemas de comunica~6es implemcntaram-se estudos sobre a ermomiddotvisao e a holografia desenvolveram-se equipamentos que pcnnitem armazcshy1amento de dados atraves de uma siluarao de biestabilidade 6plica foi possfvel controiar llgumas caracleristicas do feixe de luz com dispositivos espedalmente desenvolvidos para ~ssas finaUdades e assim por diame llH SH61

14 Os estudos pioneiros da luz e seus efeitos Inumeros fcnOmcnos da natureza tern encantado c muilas vezes assustado as pesshy

oas desdc a aurora da humanidade Os aconlecimentos que chamaram mais atenrao empre foram os que afetavam os scntidos tais como 0 ca lor a luz e 0 som Uma das lrovas desta arirmaltao e que os documentos Clmigos geralmente de cunho religioso list6rico ou de legislarao frcqucntcmcnte deslacam a imponlncia desses fenOmcnos s Iradu~6es das lendas do infcio da Terra e do universo comuns em muilOS dos povos la anligiiidadc descrevem a criaao da luz e a dadiva do fogo como falos d1 maior mponancia para os homens E provavel que os proccssos tecnol6gicos tcnharn comeshyado com as ferramentas mals simples e os inventos e descobertas que pcrrnitissem usar ~ssas formas de energia nas primeiras comunidades A cx plicalt1u e 0 aproveitamcolo io feixe 6ptiCO tern sido objerivos dos horncns atraves dos seculos

Os rdatos a rcspeito da cria~ao de espclhos e lentes bern como a ulilizarao em nSlrumcnlOS 6plicos e varias interpretarOes sobre a luz rem acompanhado a hist6ria los povos Os pensadores da escola pitag6rica ja propunham uma Icoria admitindo que )5 objelOs bri lhantcs ernitiam panfculas que bombardeavam os olhos Os seguidores de Ialao avenlaram uma hip6tese mais complexa considerando Que a visao era rCSllltado ia interarao de raios emitidos pelo Sol partkulas emilidas pelos objclOs e os olhos

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Embora essas id6as lenham se tornado obsoletas muitas conlribufram p1ra 0 avanc do conhecimento cientHico Reconhece-se pela menos urna delas com urn valOi verdadeiro Sua proposiao se deve a Hero da Alexandria 0 grande fisico matem~tico e engenheiro que viveu no primeiro seculo da Era Crista e considerado 0 maior realizadOi de experitncias da antigUidade Entre suas invenOes destacam-se urn tipo de fon le automatica a primeira maquina a vapor e a descoberta que 0 ~ngulo de renexao e c Angulo de incidencia da 1m em urn cspclho eram iguais Justificava 0 fenOmeno a parliI da ideia que os raios luminosos percorriam 0 caminho mais curto entre 0 objeto e c olho

As temativas de usa das propriedades 6pticas continuaram a estimular a imashyginaao dos pesquisadores e na Tdade Media surgiram as primeira lentes para 6cuJos desenvolveram-se os primeiros telesc6pios e 0 fisieo e matematieo holanMs Willebrord von Roijcn Snell (1581-1626) descobriu a lei da rerafiio provavclmente 0 primeirc avan~o te6rico no estudo da IUl A lei de Snell cS labeleceu que a velocidade da JUl l inversamenle proporcional ao indice de refraao do mdo A descoberta ocorreu em 1621 ap6s incontltiveis experiencias com os parcos recursos da epoca mas s6 foi divulgada depois da mOrle de Snell

Em 16370 fil6sofo frances Rene Descartes (1596-1650) tambem publicou a lei da refraao partindo de argumentos metaffsicos e da hip6lcsc que a luz era formada pOi partfculas Sua proposiao foi expressa de uma forma diferente da que fora ltldOlada pOi Snell embora poderia te-Ia deduzida a partir daquclc tratado pioneiro Nao se sabe se Descartes tinha conhecimento dos trabalhos de Snell mas a vcrdade c que avantoll alem das propositOes do holandes Par exemplo concluiu ainda que a luz exercia algu m lipo de pressao no meio e que sua vclocidade deveria ser maior em meios mais densos hoje reconhlgtcidamente urna falha de raciacinio Apesar disLO por suas contribuiltks de lem side considerado urn dos fundadores do tratamemo cienlffico da 6ptica

Empregando tambem argumentos metafisicos e filos6ficos 0 matemtitico france~ Pierre de Fermat (1601-1665) justificou 0 pcrcurso relilfneo da luz dizendo que OJ natureza agia sempre de forma dircta e se op6s ~ concJlIsao da maior velacidade em meios mais densos defendida por Descart es Pclos seus estudos a trajet6ria de um raic de luz entre dois pontos deveria acorrer semprc no menor tempo possfvci afirmativOJ conhecida como principio de FtrmlllI7Ual ESIUdos posteriores concJu[ram pelo acerto de algumas de sllas concJus6es com base em argllmcntos cientfficos e nao filos6ficos Oll metaffsicos Entretanto comprovou-se tamb~m que quando 0 pcrcurso do feixe 6pticc envolver refraao c renexao 0 seu tempo de trans ito nao assume 0 va lor mlnimc passive Uma generalizatao do prindpio de Fermat foi proposta pelo maternAlicc irlandcs Sir William Rowan Hamilton (1805-1865) em sua lei dll ariio minima ESIa lei cs tabelece que 0 feixe 6ptico percorre uma trajet6ria que depcnde de sua extensao ( descreve uma Hnha que lende a minimizar 0 caminho total Ou seja 0 percurso real dc fcixe de 1m ~ estacionario em re lat~o a outros c1minhos Que es tiverem pr6ximos

No periodo entre l665 c 1666 Sir Isaac Newton ( l642-1727) 0 importame ffsico fil6sofo e matematico brititnieo eSlabeleceu as bases para 0 es tudo organizado da Fisica Nesse pcrpoundodo cle dcscobriu 0 (eorema binomial que leva seu nome 0 calculc diferencial e imegral invcsligou as cores de laminas mllito rinas comprOVOll que a lUi

branca era composta de odas as cores descnvolveu as tres leis do movimento f

eSlabeleceu a lei da gravitaao universal

Nos anos que vao de 1669 a 1676 Newton divulgou muitos resultados de SCll~ cstudos em 6pliea e envolveu-se em diversas pol~micas sobre 0 assunto Em seu classiC(

CcmunicQJa Opticas

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Tralado de 6plica escreveu a respeito dos raios de luz teorizando que se tralava de coq)()S muito pequenos emitidos por substaneias brilhanles Sua arirmaiio baseou-se no fa lo de que em mdos homogeneos a luz parece propagar segundo trajet6ri as retiUneas 0 conjunto de seus estudos fo i publicado em 1687 na obra c1assica Philosophie natllralis principia malltemalica (Princfpios malemdlicos da filosofia natural) que os crfticos tern considerado como 0 livro denllfico rna is importan te e 0 de maior innutncia entre lodos os jj escrilOS lI Choje

o fen6meno da difrafdo da luz fora descobcrto por Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) urn padre jesufta italiano na segunda metade do scculo XVII A partir de seus muitos ensaios Grimaldi pcrccbeu que ao alravcssar uma pequena fenda a luz tcnde a se espalhar Indepcndentemente do lamanho da fame por menor que scja a sombra projelada nunca lera contornos perfeilamemc defi nidos Suas descobertas foram divulgadas na obra Physicomathesis de lllmine coloribus el iride (Tesejisicomiddotmalemdtica sob a luz as cores I 0 arco-iris) publicada em 1665 dois anos depois de sua morte Desse momento em diante e por muitas dampdas varios pesquisadores dedicaram-se ao estudo da difra~ao podendo dtM 0 nOlavel Hsico e astrOnomo holandes Christiaan Huygens (1629-1695) 0 dentista e inventor ingles Robert Hooke (1635middot 1703) 0 medico ffsico e egipto[ogista brilanico TIlOmas Young (1773-1829) Hooke chegou quase as mesmas conclus6es de Grimaldi Estaheleceu uma teoria que inclufa a ideia de frente de onda e admitia que a luz era resulrado de alguma forma de oscilaao PMltl uma epoca muito anterior ao advenlO da teoria cletromagnctica pode-se dassificar como brilhante esta conclusao de Hooke

Huygens que entre suas contribuir6es para a cWncia indufa a descoberta dos ancis de Salurno e a invenrao do rd6gio de pendulo pcsquisou profundarnente os fenOmenos da dinamiC1 e apresentou a ltoria ondulal6ria da luz Divulgou seus trahalhos de 6ptica na obra Tratado da Iliz de 1678 e suslentava que os fenamenos luminosos eram resultados de ondas que se espalhavam em todas as dire~Oes a panir de sua fonte Pode cxplicar as pdmciras leis da reOexao a lei da refra~30 e apresentou 0 princlpio fisica que permitia interpretar a difraao como 0 espalhamcmo da luz a patir de fendas ou ao redor de ObSlaculos Dcscobriu tambem 0 fen6meno da polilriza~30 da luz embora nao 0 renha explicado Pela grilnde rdevancia de seus cs tudos Huygens c considerado 0 fundador da teoria ondulat6ria da luz e com a cxplica~ao dos fenOmenos da renexao e da refraltiio estabeleceu imponanles bases para a analise dos fen6menos 6plicos

Concomitame com os trabalhos desenvolvidos na Italia Inglaterra Holanda elc 0 dinamarqu~s Erasmus Bartholin (1625- 1698) descohriu 0 fenOmeno da dupla rerafao da luz Bartholin formaramiddotse em medicina nas eidades de Leiden e Padua e a panir de 1656 passou a ensinar medieina e matematica em Copenhague Em 1669 publicoll urn livro que desaevia suas experiendas com cristais dil famma da caleita incluindo a formaltiio de imagens duplils quando a luz atrilvessava esse tipo de mater ial Concluiu que a luz dividia-se em dois raios por ele denominados raio ordindrio e raio exlraordindrio designarao at~ hoje ildotada

Entre seus alunos estava Ole Christensen Romer (1644-1710) que mais tarde tornou-se um nOlave] astrOnomo Oescobriu a vclocidade finila da luz c efetuou a sua primeira medirao observando os ecl ipses dos satelites de Jupiter Em uma publica~ao datada de 22 de novembro de 1675 Romer regislrou 0 valor que convCriido no sistema metrico corresponde a aproximadamentc 225400kms urn resutildo muilo bom considcrados os recursos disponivcis na ocasiao Um valor mais exa to de 295DOOkms foi conseguido em 1728 pelo astr6nomo ingles James Bradley (1693-1762) que tern tambCm a seu credito a descobcrta da aberracao cs relac

Prrdmbul t RtSlllloJ JlislJrUiJ dtl FolJn i(tl 21

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Outra grande con lribui~ao para 0 estudo da luz foi dada por Etienne Louis Malu (1775-1812) fisico frances que descobriu a lei da polarizaoao a partir da reflexao da lu do Sol em laminas de vidro e a lei que relaciona a polarizaoao do feixe 6ptico com ( Angulo de refl exAo Em 1807 efetuou estudas sabre dupla rcfraoao que tambem ja fori vcrificada por Banholin AJguns eXpCrimentos neste sen lido haviam side fcitos po Huygens e Malus compravou-as

o fisico inglts Sir David Brewster (1781-1868) desenvolvcu urn trabalha sistemiddot matico sabre a reflexAa a absoroao e a polarizaoao da luz Em 1813 concluiu que i polarizaoao da luz ao atravessar sucessivas laminas de vidro depende do Indice dt refraoao do material Em 181 5 verificou que ocorre uma polarizaoao parcial quando luz rcflele-se em uma superffcie nao-mettilica Aumentando a 1nguJo de incidcncia ( polarizaoao da onda refletida tambem aumenta atingindo urn maximo quando St alcanoa 0 denominado anguo dt Bmvslcr ou lingulo de polarizado Ultrapassando (SS(

valor a polarizaoao do fcixe 6Plico comeoa a diminuir Conlinuou suas pesquisas com reflcxao em superficies metalicas aperfeiooou 0 sistema 6ptico dos fa r6is e invenlOU ( caleidosc6pio Dcscobriu lambem fo rmas diferentes de dupla refraoao em d iverso~ meios concluindo pela exis t~ncia dos chamados meios uniaxiais e biaxiais[J[9]

Em 1792 Young iniciou seus estudos de medicina em Londres e j ti no seu primeirlt ana publicou urn anigo em que discutia a ffsica do olho e da visilo e algum tempo depoi~ estabeleceu a ICOria da visao de cores a panir da composioao das IrCs cores fundamentais Embora nao tenha tido grandc succsso como medico nem como professor Young ddxOl enormes contribuio6cs cm outros campos do conhedmento como na mecanica ni cgiptologia e nct 6ptica Entre 180l e 1804 imcnsificou suas pe5quisas insistindo n

teoria onduli1l6ria da luz plraa explicaoao de cenos efeitos ja conhecidos desde os tempo~ dc Newton e de lI uygens Na realidadc ampliou 0 conceilo de que a luz era formada po ondas Na descritao original de Huygens imerpretava -se 0 feixc 6ptico como ondas en forma do que hoje sao conhecidos como pulsos c Young propOs sua const ituitao com( uma grandcza de variaao contInua e peri6dica Desta mandra conseguiu explicar a~ cores como constitufdas de diferentcs frcq(j(ndas e descreveu 0 fen6meno da imerferincia no qual dois ou mn is movimentos ondulat6rios interagem e combinam-se para produziJ uma resultante de maior au menor amplillldc[loJ(ll[

Sem exageros pode-se afinnar que um dos mais importantes pcsquisadores sohrt a luz e seus efeitos foi Augustin Jean Fresnel (1 788-1827) que desenvolvcu ( consolidou a tcoria ondulat6ria Em primeiro lugar explicoll com detalhes a teoria d difratao comprovando a importancia de considerar a IlIz como onda Efetuou pesquisa sobre as efeitos de corpos em movimenlOS nos fenomenos 6pticos c junto COil Dominique Frnnoois Jean Arago (1786-1853) comprovou que nao era posslvel havel interferencia entre dois fcixes de luz de polari7acentes diferentcs mesmo que originado~ de uma mcsmn fonte Depois dedicou -se ao estudo da dupla refra~ao e sintet iwu ( problema envolvcndo crislais uniaxiais e biaxiais em urn (mico sistema Por ult imo deduziu as leis da renexao e da refra~ao chcgando As cquao6es que permitem ca1cular i

quanlidadc de cncrgia lransferida e refletida quando a luz muda de meio

Ap6s a divulgatao de seus trabalhos muitos pesquisadores sen liram a necessidadl de estabelecer uma (ormulaiio matemhica mais exata para quantificar 0 compormiddot tamcOlO da luz Os trabal hos sabre a lcoria do potencial c a propagaoao de onda medlnicas em materia is s6lidos aprescntados por George Green (1793 -1 841) sa( considcrados como eta pas iniciais no es tudo matcmjtico das ondas A partir de seu metodos Sir George Gabriel Stokes ( 1819-1903) descreveu uma solu~ao rigorosa para ( problema da difraao sllbstituindo 0 metodo geometrico aproximado proposto pol

ComuniCQ(Ofs Opticas

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Fresnel Em 1852 Stokes explicou pela primeira vez 0 fen6meno da fluorescencia ao notar que a luz uli raviolela estava sendo absorvida c rccmilida como luz visfvel ESllOClcccu a lei que leva seu nome segundo a qual 0 comprimenro de onda da lUl emitida na nuorescencia emaior do que 0 comprimento de onda da lUI absorvida ISIO lhe permiliu CSlUdar 0 espectro ultraviolcta a parlir da nuorescenda de ccrlos materiais

Como i se anlecipou irnporlames fundamentos rnalcm~lieos para 0 estudo cia fotonica e dos fenomenos envolvendo 0 campo clelrieo e 0 campo magnelico estao sinletizados na Troria elerroma9elica proposta em 1864 por James Clerk Maxwell (183 1-1879) Graas ao seu trabalho que culminou nas famosas cquofoes de Maxwell muitos efeitos da eletriddade do magnctisrno e da lUI reuniram-sc em urn tratamento (mico Foi possfvcl saber que a luz visfvel e uma forma de encrgia que se propaga no espa~o associada a campos eletrico e magnctico inter-relacionados que receheu 0 nome de onda eielromagnelica Trata-se de uma si[uarao particular cujo cspectra completo inciui as ondas de radio a irradialtio na faixa de infravermelho na faixa de uhraviolela os raios X os raios garna e os raios c6smicos

Maxwell i havia demonstrado algumas propriedades relevantes envolvendo irradiarOcs clctrarnagnelicas como por cxemplo 0 fato de exercercm uma pressao no mcio Em 1849 ao esrudar a visiio das cores explicou como todas clas poderiam ser obtidas pcla combinarao das cores primarias vermclha verde e azul Gra(as a essa conciusao em 1861 roi possivd rcalizar a primeira fotografia colorida ulil izando 0 processo de tr~S cores A irnponincia dos t(abalhos de Maxwell garantiu-lhe uma das posiOes mais elevadas entre os homens que COnlribuiram para 0 progresso da cicncia

As atividades desses pesquisadores procuravam desenvolver (eorias que conduzisshysem a novos conccitos e novos conhecimentos dos fenomenos que envolviam a luz e outras formas de irradialao Mas em ncnhum momento os cSllIdos experimenlais foram abandonados de modo que muilas descobenas foram deduzidas de ensaios em labora16rio 0 fisico alemao Joseph von Fraunhofer ( 1787-1826) lrabalhava como fabricante e polidor de lentes em Munique e linha interesse em prodllzir lentes acromaricas de boa qualidade Em suas invcstig~r6es sabre a rcfrClao de diferenles tipos de vid ro ele usou um prismil e uma pequella fe nda para ohler uma fonte de luz monocromatica NotOll en tao que 0 espectro da luz solar apresentClva linhas escuras muito fi na s que mais tarde pClSSClfClm a se chama r 1inhas de Frmmhofer

As rnediOes cuidadosas cfeluadas por ele levClfam a 574 comprimcntos de onda entre os limites do vcrmdho e do violeta Esses resultados conduzi ram mais tarde a descoberta da compos irao qufmica da atmosfera do Sol Fraunhofer delerminou tambem caracterfsticas de dispersao e fndices de refraao de varios tipos de vidro desenvolveu a cspectroscopia e em 1821 tornou-se 0 primciro pesqu isador a utilizar a rede de difrarao para produzir urn cspeCITO 6ptico a pClrtir da 1m branca Aplicando a leoria ondulat6ria da lUI p6de deduzir uma equaCao geral parCl a rede de difrarao utilizada ale os dias de hoje

Virias expcriencias com a luz mOS lravam a imponancia de conhecer sua polarishyzarao quase sempre impossivel de obler com as fontes disponfveis Desla maneira um passo importame nCSiCl dircrao foi dado pelo fisico e ge6logo cscocts william Nicol (1768-1851) Em 1828 quando lecionava na Universidadc de Edimhurgo inventou 0 primeiro dispositivo com 0 qual era passfve oblcr uma Iuz plana pola rizada 0 dispositivo passou a seT conhecido como prisma de Nicol que s6 foi intcnsamente utilizado a partir de 1861 0 estudo da polariza~ao da luz an atravessar detcrminados

Preambule t Raume Hisarite da FClonka

materiais foi feito tambem por Michael Faraday (1791-1867) 0 extraordiniirio fisico c quimico britanico que deixou diversas conlribui~s para 0 desenvolvimento da ci~ncia

Em 1845 de propOs a id~ ia que a elet ricidade 0 magnetismo a luz c a gravidade estavam relacionados de alguma forma Nesse ano e1e conseguiu mostrar que a luz polarizada ao passar por uma subSlflncia lranspareme submetida a urn campo magnctico in tcnso altcrava sua polarizalao Est e fa to c hojc facilmente deduzido das equalOes de Maxwell apHcadas a eSlc lipo de meio e e rder ido nos textos espccial izados como rota(do de Faraday Nao foi bem succdido ao tentar resultado semclhante imeragindo a luz com 0 campo eletrico Mas sua ideia mostroumiddotse verdadcira quando em 1875 foi comprovada ]gtelo ffsico escoc~s Joh n Kerr (1824-1907) que descobriu a dupla rcfralao em detcrminados meios sujeitos a campos eietricos imensos Demonsu ou que a extensao do cfcito era proporcionai ao quadrado do campo clclricO apJicado e 0 fcnOmcno passou a ser conhecido como efeito Kerr A TOlacao de Faraday e 0 efcito Kerr foram os primeiros fatos cientfficos que relacionaram a influencia do campo eletrico e do campo magnctico sobre a lUI ou omra forma de irradiacao clelTomagnetica

Nascido em uma famnia abastada Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819middot1896) Irocou os es tudos de medicina pelas experiencias de 6plica e em 1849 mediu a velocidade da luz com 0 metodo da rada demada Embora 0 processo por ele descrito tenha sido muito importame para novos ensaios fmuros 0 valor encontrado de 314000kms apresentou um erro que hoje se sabe ser por volta de 5 por cilusa de impredsOes na medida da velocidadc da rod1 demada No ano seguinte Fizeau trabalhou com LFC Brcquet (1804-1883) e em 1851 comprovaram que a luz viajava mais lentamente na iigua do que no ar Os valores obtidos de suas experiencias concordavam de ronna admir~eJ com as previsOes de Fresne c com a teoria ondulilt6ria da luz

A mesma descobcrta foi feita tamb6n por Leon Jean Bernard Fouca ult (1819shy-1868) que jii cotilborara com as experi tncias de Fizeau e foi quem primeiro conseguiu medir a veloddade dil luz na iigua Essa medi~ao foi muito importante parque comprovava a influ~nda das propricdades do meio sobre uma das mais importantes caraclerfsticas da luz Todavia ainda est ava longe de dcscrever a dependencia dessa velocidade em relacao ao comprimento de onda da irradiaciio Essa depend~nda e determinada pelas caractcrfs ticas de dispcrsao do material e sua descri~ao foi fri ta de manrirltl muito lenta a medida que novos fatos cientfficos foram sendo descobertos

Uma contribuiliio importante sobre 0 assunto foi dada por lord Rayleigh (John William $tflltt) (1842-1919 ) atraves de seu extraordiniirio estudo sobre ondas 6pticas e arusticas Oa mesma forma a teori de Maxwell foi fundamental para 0 cntcndimento do problema e ao final do seculo XIX adotoll-SC a ideia de que se [(atava de urn caso particular do fcnOmeno da resson~ncia Dentro desse panorama os cstudos de Hendrik Anton Lorentz (1853 -1928) sobre 0 comportamento do eelron permitiu uma rcvisi10 nos estudos de Maxwell do qual se chegou a wna f6rmula mais aperfe iloada para quamificar 0 fen6meno da dispersao

15 Desenvolvimento das aplica~oes da luz Ao terminar 0 seculo XIX e nas primciras decad ils do seculo XX algumas

descobertils e muilos ensaias de laborat6rio demonstraram 0 fenomeno da intera~ao da luz com it materia fato impassfve de ser explicado por meio da (coria ondulat6ria Como exemplo em 1899 Phillipp Eduard Anton LcnMd (1862-1947) most rou a

~========================G====K~~m ================================1()

~xistencia de eieLIons ejetados por uma superficie metalica polida quando submelida i lncid~ncia de urn feixe de luz 0 fenOmeno ficou conhecido como eleila fatcelttrico e a ~missao 56 ocorria para comprimenlos de onda inferiores a urn valor crhico

As experilncias mais significat ivas foram realizadas em comprimcntos de onda de lli travioleta Os cletrons emilidos possuJam vc100dadcs que nao dependiam da intensidad e do feixe de luz Em 1902 esse pesquisador concluiu que urn feixe 6ptico de maior inlens idadc conduziria a um aumento na quantidade de e l~trons emi lidos c a velocidade era allerada inversamente com 0 comprimenlo de onda da irradia~ao incidente Na data hoje considerada hist6rica de 14 de dezembro de 1900 Max Planck (1858- 1947) publicou suas teorias nas quais demonsl rava que a emissao e a ab50r~ao k energia nos maleriais eram feitas em quantidades discretas Em 1905 AJbert Einstein (1879-1 955) conseguiu explkar esses fenOmenos ao moslrar a necessidade de introduzir uma teoria corpusrular modificada Estabeleceu que na inlCraao com os deurolrons a Iuz comporw-se como se eSlivcssc conCCnl rada em pcqucnos corpuscuos jenominadosfdtans ruja energia e inversameme proporcional ao comprimenlo de ondt

Arthur Holly Compton (1892 middot1 962 ) urn rcnomado ffsico norte- america no [)bservou que os raios X ao atravessarem uma lAmina de parafina sofriam espalhamiddot memos e concluiu que possu(am momento ( 1923) Diversos outros pcsquisadorcs ~companharam ou continuaram os trabalhos de compton e chegou-se acondusao que [) fato poderia scr explicado a partir da teoria de f61Ons ma s era impassive uma justificativa convincente se a luz fosse interpretada como onda EntretanlO il teoria Ietromagnclica ja estava laO sol idamentc cSlabe1ecida que se lornou impcrativa -lima tentativa de conciliayio entre as duas formas para descriao dos fen6menos 6plicos A Leoria corpusru lar permilia imerprelar mais facilmente as inlCraOcS da lUI com a materia A difraao a refraao a dupla refraao a dispersao a polarizaao e a inter feshyrencia emre feixes 6Plicos sao fatos ma is bern ex plicados com 0 cmprego da tcoria [)ndulat6ria

A medida que os comprimentos de onda lOrnammiddotse menores as propriedades [)ndulal6rias vao ficando mais dificcis de ser delcctadas e tudo indica Que a imerprela~ao corpuscular deva prevalecer Todavia mesmo em freq(j~ncias lao altas como em raios X e em raios gama foi demon strada a interfcrCncia e ponanto continua valida a interpretarao ondulat6ria Por outro lado as ondas de radio que ocupam faixas mais baixas do espect ro cielromagnclico sao estudadas quase cxclusivamente do ponto de vista ondulat6rio Para quase lodos os calculos nao ha necessidade de ad milir a leoria corpuscula r A faixa de luz localizada enlre 0 infravcrmelho c 0 uitravioleta corresponde a uma regiao inlermediAria do espectro e apresenta propriedades [)ndulat6rias em cenas condi~Oes e propriedades corpusculares em outras situaOes Para muitos dos fenomenos analisados a teoria ondulat6ria e a mais convenieme

As ullimas decadas mostraram urn aCllmulo de resultados tanto em termos da conccpao cicntffica para cxplicaao dos fen6menos associados a luz como no desenvolvimento tccnol6gico para aplicaOes praticas Podem ser citados 0 surgimcnto da hologra ria a partir de lima proposiao de Denis Gabor (l900- 1979) logo ap6s a II Grande Guerra 0 aperfeiIQamento dos primeiros maseres no infcio dos anos 50 de cujos fundamentos evolu iram muilOS lipos de laseres modernos Inventaram-se ou aperfei~oaram- se dispositivos que permitiram 0 aproveitamento da interaao de urn feixe de f610ns com um campo eiclromagnclico os conheddos componentes eletr06pticos e oplocietronicos e 0 aperfeiIQamento de componentes que pcrmiliIam inlcraOes de luz com OUlros fenomenos fisicos lais como os componentes acust6pticos e magnet06pticos Desenvolveram-se metodos de modulaao da luz e criaram-se

o PrrJmlmlo t Rrsunw Hist6rico da FotolliQ G

condiloes que levaram t evoluCao das ribras 6Plicas IX1ra a transmissao das onda lumi nosas Todos esses componenles sao usados nos modernos sistemas d comunicalOes de elevada capacidade de informa~Oes

De uma maneira mais sistematica 0 emprego da IUl em comunicarfgtes [em side estudado a partir de 1790 Nessa ~poca surgiram os semAforos e os heli6grafos qm usavam processos crlados por diferenles pesquisadores como 0 metodo da tclcgrari aerea do engenheiro francts Claude Chappc (1763- 1805)(1 1 Esses primeiros semaforo eram instrurnentos insta lados em lorres suslentados por braros orientados para a direcfgtes desejadas 0 operador de uma torre enviava mensilgens cifradas ao opcradOl postado na torre vizinha Os heli6grafos por sua vez eram equiparnentos capazes d( realizar transmissOcS do tipo lelegrHkas a distilnciilS de alCilnce visfvel por mdo d renexao da luz solar em urn conjunlo de espelhos1U1

Em 1870 0 pesquisador irlandes John Tyndall (1820-1893) demonstrou per ante i

Royal Society of London a possibilidade de guiar a luz dentro de urn jato dagu il Ao que parece essa foi a primcira cxperiencia real objelivando 0 desenvolvimento de urn mcic que pcrmitisse confinar a propagacao das ondas luminosas Tyndal era urn pesquisadOl que se inleressava por diversos ramos da flsica Ja tinha a seu credi(Q t rabalho~ desenvolvidos sobre a transfenncia de calor estudos pioneiros sobre 0 diilmagnetismo c o espalhamento da luz por partfculas poundinas em sus pen sao no ar e em Ifqu idos Tamhem jil havia descoberto 0 fen6mcno que passou a ser conhecido como e[eito Tyndall tornandc por base os eSludos de Rayleigh sobre a depend~ncia do espalharnento da luz em relaao a frequcneia Tyndall conseguiu explicar 0 motivo relo qual 0 ceu e de coloracac azul ada ( 1859) Demonstrava grande interesse na divu lgacao das descobertas cientflica~ e cosmmava realizar concorridas confertncias em muitos centros descnvoivipos EntH as pcssoas que participaram de algumas de suas cxpos icentes estava 0 inventor escoccs Alexander Graham Bcll (l847- 1922) Nessa ocas iao ja baslanle entllsiasmado com ltl

dcscobcrta de materiais que apresentavam sensibilidade aos fen6menos luminosos

Por volta de 1880 dez anos ap6s as expcriencias de Tyndall Bell fez vhias tcnlativas para conseguir transporta r 0 som sobre urn feixe luminoso Chegau ltl

alcantar urn resultado pnitico surpncndente para a epoca Focalizou a luz solar ate obler um feixe bern es treilo inddindo-o em uma lamina espclhada de pcqucna espessura Fillando nas proximidades da lAmina as ondas sonoras faziam-na vibrar e a energia luminosa reflelida sorria uma variacao correspondenlc em sua intensidadc A uma distancia aproximada de 200 metros a luz alcan~ava uma lamina de selenio material fotossensfvel modiricando sua resist~ncia conforme a intensidadc luminosa Em conscqucncia a corrente eletrica atraves do selenio variava reproduzindo os sinai~ sonoros no fone de recepcao 0 invento de Bell foi regislrado no Departamento d( Patem es das Estados Unidos com a destgnacao de Apardho para sinaliza(do e comunicafQC drnominado[otofone (US Patent 235199 de 20 de agosto de 1880 publicada em 07 d( dezembro do mesmo ano) Os resultados de seus trabalhos neste selQr foram publicado na revista The Electrician em 1880

Apesar dessas primeiras tental ivas por cerca de 100 anos as comunicaoe IclegrMicas c mais tarde as tclcf6nieas foram confinadas em cabas metalicos OL

enviadas pela ar por irradiacao das ondas eletromagneticas Os equipamentos forarr sendo continuamente apcr rei~ados chegando a sofrer inovac6es rcvol ucionarias com( a criatao e 0 desenvolvimento das tecnicas de mu lliplexagem e das tecnicas dt microondas que permitiram os conta tos entre os mais distantes rinc6es da Terra com ( emprego dos saleHtes artificiais Foi poss[vel garantir sistemas de grande efideia para transmissao a longas distancias

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Ale bern pouco tempo nlo se tinha este mesmo desempenho com os equipamentos e componenles de comunicaoes 6plicas propos lOS Todavia a idCia do aproveitamenlo da luz continuou a eSlimular os pesquisadores nao tendo sido nunca abandonada Exislem registros mostrando que desde antes da 11 Grande Guerra lem sido feitos esfonos para implememar comllnicaOcs na faixa de luz no inkio com objetivos excJllsivamente militares Seriam utilizados renetores parab6licos para a irradialtao e recepao associados a valvulas fotossenSlveis para a delecao das informaoes As primeiras lt~cnicas de comunica)Des 6pticas tentavam pois empregar 0

pr6prio ar como meio de transmissao

As experiencias comprovaram que as propagaOes a ceu abeno eram inaceilfiveis pois limitavam-se a dis tancias bern redllzidas 0 sinal luminoso fica submetido a uma atenualtao causada pela absorltao nos componentes atmosferkos e espalhamentos originados pelas partkulas em suspensao TanIO a absofao quanto 0 espalhamenlo estao relacionados com 0 tamanho da partkula comparado 10 comprimento de onda da irradialtao incidenle1~1 Enlre os componentes responsaveis pela absorao citam-se 0 vapor dagua e gases como 0 di6xido de carbona 0 ozunio elc Nos primeiros ensaios a perda e 0 espalhamento do feixe 6ptico eram agravados pela dificuldade em conseguir uma fonte de luz coerente e confiave Anos mais tarde quando surgiram os primeiros moddos de laser cuja irradialtao aproximava-se das exigidas para este objetivo a ideia do emprego da luz em comllnicaoes atraves de um meio nao-confinado ganboll novo impulso e mllilas pcsqllisas foram realizadas no perfodo entre 1960 e 1970 rn1

E posslvel que em urn futuro esses sistemas venham a ser nova mente compelitivos principal men Ie quando um ou ambos terminais forem de tipo m6vel ou para enlaces de curtas distancias como nas comunicaoes entre edifkios ou em regiDes que apresenlarem dificuldades no lanltamento dos cabos 6pticos ou linda para en laces entre satelites acima da atmosfera POf enquanto as grandes esforltos e investimentos feitos nos sistemas com fibras 6pticas conduziram a urn predominio total dos meios confinados sobre a transmissao em ambienles abertos

16 Desenvolvimento do meio de transmissao Uma das primeiras tentativas de melhorar a transmlssao foi 0 guia de ondas

construido com urn sistema de iris proposto para fins militares em 1959 Consistia de urn conjunto de aberturas para 0 feixe de luz posicionadas em intervalos regulares por tada sua extensao Ap6s a estabilizaltao do feixe 6ptico era possivel obcer uma atenllaao em torno de JdBJkm 0 sis tema nao progrediu porque exigia um rigor muilO grande na localizaao das fcndas Alcm dislO a propagaao deveria ser sempre em uma trajet6ria rerilinea A presema de curvas s6 era possivel com 0 auxflio de espelhos ou de prismas ajustados de forma adequada Finalmente por causa de difraoes nas bordas de cada his 0 feixe 6ptico tornava-se gradlla lmente divergentc degradando a qualidade da uansmissao

Para contornar os problemas oriundos dessa diverg~ncia do feixe Goubau e Schwering propllseram em 19610 guia de ondas consuufdo com lentes e 0 guia de ondas formado por espelhos[ll] Com essas configuraltoes era possivel a realizaltao de curvas com tim desvio das lentes ao 10ngo da trajet6ria ou com uma inclinalao dos espelhos Urn problema adicional era a perda de pOlencia causada pelas reflexoes nas interfaces das 1enles com 0 meio externo Su perou-se esse inconvenienle aplicando pelfculas anti-refletoras nas superficies reduzindo a atenualtao para aproximadamente 02dBkm Continuararn as dificuldades para manutenltao da qualidade do feixe 10

Prrdmlml r Rrsum lIislSrjw da FfJlonica 27

longo da estrutura principalmente quando se tinha lima curvatura acentuada da trajet6ria Exigiamiddotse uma grande quantidade de lentes aumentando a perda por renexao e por absonao para valores muito adma do toler ado A curvatura com 0 allXJlio de espclhos mostrou middotse tambem inadequada por causCI da deterioraltao das superffcies espclhadas com 0 uso prolongado

Outra ideia para 0 confinamento do fe ixe 6ptico foi a transmissao do sinal em tubos Experirnentarammiddotse diversos tipos de guias de ooda a com~ar pelo guia metalico oeo uma evolm-ao dos tipos trCldicionahncntc cmpregados nas faixas de microondasUm modelo dcsse guia foi apresentado por Karbowiak em 1958 Consistia em urn tubo circular de cobre com dilmctro de Osmm bern polido imernamente [161

Modclos mais aperfeioados surg iram em 1962 como 0 descrito par Eaglesfield 1111

Os caleulos cfetuados supondo 0 guia perfeitamente liso nas paredes internas e opcracao no modo circular eletrieo de ordem mais baixa (TEoJ) previam uma pcrda de potencia de 18dBkm no eomprimento de onda de IjU11 Contudo era pralicameme impossfvel garantir uma distribuicao (mica do campo guiado nesse eomprimento de onda Sempre oeorriam modos superiores com a lransferenda de parcelas da energia do modo origina l Esses modos aprcscntavam grandes atenuac6es eonsumindo a maior pane da patencia fornecida na entrada Verificoumiddotse lamigttm Que a alcnuacao prevista teoricamente falhava na pratica em virtude de nao se conseguirem paredes internas perfeitameme polidas onde as irregularidades rossem muho menores do que 0 comprimemo de onda (polimemo 6plico) Dutro erro no eAlculo era deeorrente do rato de os parametres eletromagneticos do melal assumirem na faixa 6plica valores bern difcrentes dos utilizados em baixas frequtndas Finalmentc 0 guia apresentava urn aumento exagerado na perdalie pot~ncia quando sofria uma dobra ou curva ainda que feita de modo bern suave

Foi experirnentado outro guia oeo em que se fazia 0 vacuo e pcriodicamente colocavammiddot se lente de focalizaltao para preservar a qualidade do feixe de luz Pesquimiddot sadores da Bell algum tempo depois ehega ram ao desenvolvimenlo de um guia cheio de gas aqueddo eom uma variacao transversal de temperatura COlre a face interna do tuba e 0 eixo 10l)gitudinal A temperatura do gas era maior na regiao pr6xima a parede c mais baixa no centro do guia Conseguiamiddotse lima mudanca radial no indice de refraCao obedeccndo a uma lei de varialtao aproximadamenle parab61ica com 0 valor maximo ao longo do cixo longitudinal A modificaltao radial do (ndice de refraao causava a refocalizacao do feixe 6ptico Se a estrutura sofresse uma curvatura suave 0 fcixe acompanhava sem maiores problemas lofelizmcnte ap6s cena dislAnda lornavamiddotse dificil controlar a temperatura do gas A variaao transversal do indice de refraCao desaparccia e com cia 0 efeito focalizador desejado Outro falor de degradaltao cra a influCncia da gravidade sobre 0 gas Em uma extenslio grande ocorria uma distribuiyio assimet rica da temperatura em torno do eixo dificultando a manutenao das caraeterfsticas do fcixe mesmo aOles de desaparecer a gradiente de temperatura Esses problemas para a implementacao do sistema delenninaram 0 abandono do projeto1141

Novas teOlativas durante os anos da decada de 1960 levaram ao desenvolvimemo do guia dieletrico oeo Expcriencias realizadas com urn IUbo de 2mm de diametro guiando uma luz eom comprimento de onda de IjU11 permit iram atenua~Oes tao pcquenas quanto 18dBkm desde que esse guia fosse pcrfeitameme retilfneo Urna curva ainda que suave elevaria de Conna exagerada 0 valor da perda de polencia 0 modelo tambtm lornoumiddotse irnpraticavel incentivando a busca de urn novo lipo como 0 que apresentava a reflexao total na fronteira de separacao entre 0 dieletrico e 0 ar ou

f Qlmllllirar6a Opti(as

~~~===================Ou

entre dois diclttricos com fndices de rdracao diferentes segundo 0 mecanismo aprcsentado por John Tyndall em 1870

Os primeiros eSlUdos te6ricos sobre as fibras 6pticas que aindil n50 tinham esw dcnominacao foram fci los em 1910 por Hondros e Debyc publicados na revista dentifica alema AnIraltn der Physik Os dois pesquisadores demonst raram que urn cilindro dielenico suspenso no ar com constante dic1etrica maior do que a do meio externo poderia guiar uma onda cietromagnetica no modo transversal magnetico (modo TM) que apresenta uma componente de campo clelrieo paralelo a diwao de propagacao118J

As experi~ncias pioneiras com a tcoria proposta por Hondros e Debye foram feitas por Zahn e Rilt er em 19 15 Schreiver efetuou diversos cnSilios prltiticos il pilrtir dessas infonmu6es le6rieas e os resuhados foram publicados na mesma revista cientffica em 1920 Poi lIsildil uma varela SUSPCOSil no ilr construfda com urn material dieletrico de muilO boa quaJidade cujo fndice de refracao era pr6ximo do valor conhecido p1ra 0 vidro lnfelizmentc os resuhados nao foram animadores Vcrificou-se a propagacao da luz em uma grande quantidade de modos caracterizados por inumeras distribuic6es de campos 6ptieos dentro da vareta A demanstracao te6rica de todos os modos posslvcis de ser guiados pelo dlindro dielelrico suspenso no vacuo foi feita por Carson Mead e Schelkunoff em 19361yenJ Esse grupo mostrou que a Iransmissao era fci La por modos hfbridos em que se t~m componentes de campo clelrieo e de campo magnclico na direcao de propagacao Provaram que cada modo apresentava uma frcqil lncia de corte abaixo da qual era impassivel propagar-se no interior da estrulura

Existia urn modo hfurido 0 de rna is baixa ordem designado como modo HEn que nao apresentava frequlnda de corte Trata-se de uma propricdadc importanlc que mais tarde permiliu 0 desenvolvimento das fibras 6plicas de lipa monomodo Os cs tudos ja mOSlravam que para obler uma propagaltclo em uma quantidade menor de modos 0 diamelro da varela dcveria ser muito pequeno uma dificuldade de fabrica cao insuperavel com a temologia disponfvel na epoca OUlra dificuldade detectada ja nos primeiros ensaios era que na interface da varela dier~lrica com 0 ar ocorriam irradiac6es trazendo perdas adidonais na tJansmissaoPJ Mesmo esses primeiros guias 6pticos exig iam urn pequeno diametro ainda que fossem apenas para as experilncias de laborat6rio Par este motivo a montagem do sistema cxigia um cuidado extraormiddot dinario em relacao aos suportes necessarios para manter 0 guia perfeitamente re(mnca

Na sequencia das investigac6es te6ricas de Carson e seus colaboradores os calculos das func6es de propagacao e da atenuacao para diversos modos hfbridos de ordens inferiores [oram apresentados por ElsasserJlIJ c ChandlerJZZ J em 1949 Como se ve as limitacentes das primeiras tentativas praticas de emprego da luz para comunicac6es naa eSlimulavam novas pcsquisas sabre 0 tema Conhecem-se iniciativas isoladas em alguns centros e universidades Por exemp]o em 1927 foi construfdo um cabo por John Logie Baird com urn feixe de fibra s de vidro cujos diamelros aproximavam do de um fio de eabclo humano Citam-se os IJabalhos de Beam Astrahan Jakes Wachowski e Firestone no Laborat6rio de Microondas da Northwestern University (Ilinois) em 1950

Diversos autores concordam que os primeiros problemas comecaram a ser superados com a criacao do guia 6ptico recobeno (1954) por Van HeelJllJ e pela dupla de pesquisadores Hopkins e Kapannytl-4J 0 recobrimento consis tia em urn material dieletrico de elevado grau de pureza com urn fndice de refracao Iigeiramente menor do que a parle central Com es ta configuracao 0 guia passava a ser cons lilufdo de urn nileeo com urn (ndice de refracao N e uma cobertura ex tcrna dcnominada casca com

Prrdm1Julo r Rnumo Hist6rico da Fotsnica (0o

indice de rcfra~ao N1 sendo 0 (ndice da casca menor da que 0 do nucleoyllll l Seus resultadas foram suficientemente animadores para sc inlensificarem as estudos te6ricos e experimentais visa ndo tornar pratico 0 uso da fibra 6ptica

Ale os meados dos anos 60 os vidros de elevada pureza aprcsentavam uma langente de perda da ordem de 10-amp nos comprimemos de onda 6pticos Estc valor signincava urn fato r de atenua~ao de 500d8Jkm a 600dBJkm Um resultada como este aliado a enorme distorao nos pulsos de modulaao por causa das dispers6es na fib ra dava desAnimo em uma grande parte dos pesquisadores Alguns chegaram mesmo a prcvcr que dificilmente a fibra 6ptica poderia ser empregada para comunicar6es a langas distAndas com e1evadas velocidades de transmissao Em 1964 a empresa Standard Telecommunications La boratories de Harlow (lnglalerra) llltSl encampou a ideia de inveStir pcsadamente na conquisla de uma fibra 6pt ica que permitisse transmiss6es a longas distAndas e com grandes larguras de fa ixa As caracterfsticas dos mareriais diclctricos roram investigadas em comprimentos de onda entre 1 OO~ e 01~

Jlt1 em 1966 os primeiros resultados prfiticas foram publicados por Kao e Hockham obtidos com os guias produzidos na ocasiaa Os cnsaios roram realizados com os melhores materiais trans parentes lais coma os vidras 6pticas de alIa qualidade a sOica fund ida 0 metacrilato de polimetil e outros lnfelizmenle a alenua~ao alcanava a casa das Centenas au rnesmo milhares de decibels por QuilOmetra l2l As perdas cram determinadas pcla absorao de pot~ncia e por espalhamentos nos ma leria is do nucleo e da casca As cont ribui~Oes de cada parte depcndiam da proporao de energia guiada em cada uma e da tangente de perda dos materiais Com essa alcnuaao 0 sis tema continuava sendo imprat icavel uma vez Que as enlaces por microondas apresentavam desempenhos muito melhori

Os ensaios de Kao e Hockham ind icaram que uma das causas prindpais de atenuaOes tao elevadas era a presena de fons de impurczas nos vid ros utilizados1l1 Os mais comuns eram os fons de cobrc ferra crama vanadio e fons de Agua na es( rUlura crislalina do vidro conhecidos como fan axidrila au hidroxila 0 material que apresentava melhor qualidade de transmissao relativamente as perdas era a sf1ica ou di6xida de siUdo obtido em escala industrial a partir dos cris ta is de qua rtzo As atenuaOes enconrradas em condioes controladas de labora16rio eram da ordem de 5d8km [171 Os valores representaram marcos cientfficas de grande relevtlOcia pais mostravam que associada a facilidade de oblenaa a sHica apresentava perda pequena quando comparada aos outros materiais disponiveis Essa alenua~ao passou a ter irnportanda como valor de referincia na busca por pcrdas cada vez menores

Com processos de dopagem modifica ram-se as caraaerfsticas originais da sftica tentando urn contrale sobre 0 fndice de refraao e sobre a quaJidade das transrnissOes Em 1968 ja sc conhcciam va riaOes necessArias na fndice da nucleo a fi m de que a propaga~aa em urna grande quantidade de modos trouxesse menos prejulzos tis caraclcrfsticas dos sinais gUiados Os estudas te6ricas e os primciros resultados experirnentais desse modele foram descnvolvidas no Japao por pesquisadores da Nippon Elearic Company (NEC) e da Nippon Sheet GlassyaJllYj 0 modelo roi patenmiddot [eado com a marca de SELFOC formada pelas palavras self1ocusin9 (auto1ocalizadora em ing l~s) No mesmo ano foi divulgada a pesquisa realiZlt1da por Pearson e seus colaboradores dos Laborat6rios Bell que conseguiram obler basH~cs de vidro com propriedades autofocaliza nt es empregando tecnicas de Iroea iOnica[ lO]

o inicio da Mcada de 1970 encantrau ainda muitos grupos de pcsquisas dedicando-se aos guias met~licos que operavam no modo circular eltt rico com os quais

ComuniCQOtr OpticllS

o

era possfvcl a lransmissao com baixas perdas Resultados expcrimemais indicavam uma utenuarao da ordem de 23dBkm pMa operarao na faixa de ondas milimeuicas contra as cemenas de decibels conseguidas nas fibras 6pticas disponrvcis1111 Uma das primeiras fibras de baixas perdas foi patemeada em 1970 pela Corning Glass Works dos Estados Unidos que empregava a ((cnica de fabrica50 conhecida como oxida50 ex(erna na fase de vapor (OVPO) Utilizava como ndeleo uma combinaao de sflica e titanio cujas perdas situavammiddotse na casa dos 2OdBkm em comprimenlos de onda por volta de 850nm IJ2] Medioes realizadas com esse modele indicavam 15dBkm no comprimento de onda de 633nm 0 que ja tornava exeqiHvel um sis tema de comunicarOes empregando a fibra 6ptica como meio de transmissao

Em uma rase intermediaria de aperfeioamcOlo foi apresenwda a poundibra com nueleo Jfqujdo de tctrac1oroetileno (1972) pelo Dr G J Ogilvie e seus colaboradores com a qual foram obtidas baixas atcnuaoes 1111 A Corning desenvolveu uma fibra desle tipo obtcndo perdas na casa dos SdBJkm em alguns comprimentos de onda do infravermelhorM] Todavia os cnsalos mOSlravam uma dificuldade enorme para a mnstrurao dessa fibm que garantisse a Ifansmissao em modo dnko

A equipc formada por Keck Maurer e Schultz out ra vez da Corning e cerca de urn ana mais tarde chcgou a uma fibra de nuc1eo s6lido com elevado grau de pureza com uma atenuarao da ordem de 4dBkm em comprimcnto de onda de 850 nanometros llJ] Quase simuitaneamcnte fibras apresentando 25dBkm roram propostas por Kaiser l361 e pela equipe de Frenchll7j dos Laoora16rios da Bell operando em alguns comprimemos de onda privilegiados Nos ensaios uma pequena atenuarao era conscgllida quando empregado a laser de Nd- VAG que fornecia lUI em 1060nm

Diversas combinaOcs roram testadas lais como a dopagem com silicato de boroll3l as vidros A base de fosfossilicatoslHIIWl os nucleos fabricados com vidro dopado com gcrmfiniol4DI a sflica dopada com alumina41] c sOica dopada com flllo rinatl7J No ana de 1974 desenvolveu-se 0 processo de fabriGI10 conhecido como deposirio de vapor qufmico modificado (MCVO) mais tarde absorvido e adaptado por pcsquisadorcs brasileiros do Centro de Pesquisas da Telebras e transreridO para a industria brasileira Tralamiddotse de urn processo que permite a rabrica~ao de fibras 6pticas de elevado desempenho Dcssa data para ca 0 aperfeioamento na lecnologia de fabricarao permitiu a obtenrao de fibras para transmissao do tipo multimodo com atenuarOcs inferiores a 3dSkm

As industrias japonesas N1T e Fujicura em 1976 apresentaram a fibra para propagarao monomodo com perda inferior a O5dBkm em comprimentos de onda de 131J111 e 155~ 14ll Quase simultaneamcnle foi aperfei(gtado 0 metodo de deposirao axial de vapor (VAD) de exccienles resultados praticos ainda hoje 0 mais utilizado na fabricaao das fibms japonesas Em 1979 havia sido alcanado 0 limite pr6ximo de O2dBkm de perda na fibra monomodo transmitindo no comprimcnto de onda de 155j1mrn]

Pelo final da decada de 70 0 maior volume de pesquisas e desenvolvimcnto no campo das comunicaroes 6pt icas omrria em comprimentos de onda ao redor de 850nm Essa regiao ficou conhecida como primeira Janda de baixas perdas e baixa dispersao na fibra 6ptica Em 1975 foi divulgado por Payne e Gamblingl411 a descoberta da regiao de minima dispersao nas fibras com nuc1eo de sflica 0 que acontecia no comprimento de onda em redor de 13j1m Foi uma informarao de grande significado pratico que estimulou a busca por componentes e dispositivos que permitissem a implementarao de um sistema de comunicarOes neste comprimenlo de onda

Prt4mbulo t Rtsumo lIisr6rkoda For6nicQ 31

Coincidemememe neste valor encomrava-se tambem um pomo de pequenas perdas na propagarao da luz mraves do nudeo Caracterizou ponamo uma segunda Janda pltlra transmiss6es com ahas taxas de bits Desde 1976 ja fo ram conseguidas fibras de pcrdas extremamente pequenas em comprimcntos de onda de 131UU e 155J1ffi este ultimo valor caracterizando uma terceira janela para a transmissao Valores inferiores a QSdBkm foram alcan~ados pclas empresas japonesas NIT e Fujicura em nbras com nudeo de SiDl dopada com di6xido de germanioI

Nesse mesmo ano foi experimentado na Tnglmcrra 0 primciro sistema de televisao a cabo em pregando fibras 6pticas Menos de um ano depois entrou em funcionamento nos Estados Unidos um sistema IclcfOnico experimental operando na primeira janda Em pregava fibras multimodos e como fonte de luz 0 la ser de arsenieto de gal1oll que nesse ana ja tinha previsao de vida uti l de 7000 horas aproxirnadameme14[

Enlre 1977 e 1978 nos Estados Unidos Japlio c em alguns parses da Europa comearam os testes de campo dos primeiros sistemas comerciais operando na primeira janda hoje conhecidos como sisltmas de primeira geratfo Simultaneamentc iniciaram -se tambem os emaios de campo na segunda janc1a ainda empregando fibras do tipo multimodo A atenuaao de Q2dBkm em L55~ alcanada em 1979 estabilizou-se por mais que sc lentasse melhorar 0 grau de pure7 do nuc1eo Isto e os resultados mostravam Que fora alcanrado 0 limite mInimo posslvel de perda causada por impurezas A atenuaao residual era devido a fatores intrfnsecos do material como por cxemplo a perda por espalhamento de Rayleigh nao se dispondo de meios eficazes para comrola_los14JI

Desse estjgio em diante utilizando os mui lOS maleriais pcsquisados e com as tecnologias de fabricaao doenvolvidas a Tltluao nas pcrdas s6 seria alcanrada com 0 aumenlO do comprimenlo de onda da luz transmitida Infelizmcnlc para valorcs acima de I3~m nao se linha a condi~ao de m[nima dispersao Por conseguinte embora pelo lado da atenuaao 0 enlace construfdo poderia ser de grande comprimento havia a limita~ao na taxa de bits por causa da maior dispersao Dc qualquer maneira cssa terceira janela de baixa atenuaao passou a ler uma importAnda fu ndamemal a parti r do momenta em que se dcscobriu a possibilidade de efewar a amplifica~ao do feixe de luz neste comprimento de onda atraves da amplifica~ao 6ptica Obi ida na fibra com nuc1eo dopado com erbio Com est a nova tecnologia procuraram-se meios de obler uma fibra de pequena dispersao tambem em 155~ As i nvestiga~s levaram ao modelo com dispersdo deslocada e a fibra com dispersdo planal461que permitem 0 emprego deste comprimemo de onda para Iransmiss6es a longas distAncias com ahas taxas de bits

As novas lecnologias tivcram inicio em 1981 a partir da publica~ao dos trabalhos apresentados pela equipe de Ainslie[47[ No Japao nessa mesma epoca en trou em opera~ao urn sistema experim ental com fibra monomodo transmit indo a uma veloddade de 2Gbitss no comprimento de onda de 15jUl1 com a1cance de SISkm 14II1

No ana seguinte houve a demonstraao de um sistema inglts de longo alcance transmit indo em 152JlCTl a uma taxa de 14QMbitss Conseguiram a comunicaao a IQ2km de distAnda sem necessidade de regeneraao imermediariaI91

D sistema ingles superava 0 problema da mai~r dispersao da terceira janela com 0 uso da fibra de dispersao deslocada com a qual se trans feria a propriedade de pequena dispersao para comprimemos de onda pr6xlmos de 155jUl1 Associaram-se as caraderfsticas de baixa atenuarao e pcquena dispersao rundamentais para as propostas de longo a1cance scm repetidores ESsas fibra s fica ram disponfvcis comerdalmente a

Comunicar8tJ Oplicas

o

partir de 1985 quase ao mesmo tempo das fibras 6pticas com dispcrsao plana Estas ultimas aprescnlam variacOes quase nulas do fndice de rcfracao em dois comprimentos de onda e uma dispersao mUlto baixa nos comprirnemos de onda entre estes dois valores(46]

o Brasil jlt1 decidira cntrar na era das comunicacOes 6pticas e em agosto de 1984 inidou-se a producao da fib ra 6ptica brasileira em cscala industrial A empresa ABC Xtal instalou a flt1b rica na cidadc de Campinas Estado de Sao Paulo absorvendo a tcmologia desenvolvida no Centro de Pesquisas e Desenvolvimento da Telebras Na primeira fa se optou-se pela fab ricacao da fibra de tipo multimodo com nudeo tendo ind ice de refracao gradual destinada a transmissao em comprimento de onda de 850nm Algum tempo depois essa empresa deu inkio a fabricacao da fibra monomodo para operaCao na segunda janela de transmissao de alta eficiCncia

17 Deseovolvimento das footes conficiveis de luz Paralelamente ao apcrfcicoamento do meio de transmissao a criacao de omros

dispositivos e componenlcs tornou possive a consti tuiC10 de urn sistema de comunicac6es 6pticas Entre os mais imponantes estao os dispositivos semicondutores para cmissao da luz nos comprimentos de and a de interesse A primeira notfcia neste sentido foi da experiencia de Henry J Round em 1907 Tomando urn cris lal de carbeto de silicio conhecido como carborundum Round aplicou a d e uma tensao de 10 volts e verificou a irradiacao de uma luz alaranjada Tratava-se de uma forma rud imentar do

luzI501componente que mais tarde seria conhecido como diodo emissor de Urn aperfeicoamento desse dispos itivo tca ria vantagens cnormes uma vez que uma fonte em estado s61ido seria muito confiltivel teria uma respoSta rna is r~pida aos impulsos clelricos de excitacao e apresentaria urn tamanho muito menor do que as outras font es conhecidas de irradiacao luminosas

Em 1917 EinSlein previu a emissao estimulada e a absorcao de irradiacao deserevendo a inleracao do campo eletromagnetico colTT a ma teria A aplicacao do principio da emissao estimulada passou a seT tenlAda no infdo dos anos 50 Vma das primeiras realizac6cs pr~ticas foi feita em 1953 pelo Prof Weber na Vniversidade de Maryland DemonSlrou que a exdtacao da materia eriava uma condiao de equilfbrio inst~vel de ponadores de carga A partir deste fato era possivel conseguir uma amplificacao de sinal segundo principios completamente diferentes dos conheddos ate entaolSII

Entre 1954 e 1955 Gordon Zeiger e Townes da Universidade de Columbia conseguiram a amplificacao e oscilacao de microondas (2387GHz) a pan ir de excitacao em moleculas de amlmia A esse dispositivo dcram 0 nome de maser urn aerOnimo das palavras microwave amplification by stimulated (mission of radiation ft significa ndo amplijicafdo de microolldas por emissdo estimulada de irradiado l5211)1 As

experiencias e condu sOeS publicadas nos Estados Unidos foram apresentadas simultaneameme na Russia por Basov e Prokhorov que tam bern tivcram sucesso nesse mesmo metodo de ampli ficacao

Ainda no infeio dos anos 50 Johnson e Srrandbergl~1 viram a limitacao pr~tica da amplificilcao estimulada de microondas em urn feixe de amOnia Mesmo assim esse maser logo passou a ser aplicado como elemento gcrador de freqilenda padrao e como re16gio arDmicolssl Em meados de 1955 Strandberg [161 sugeriu 0 emprego da ressonanmiddot cia plt1ramagnclica do eletron para obtencao do efeito masCf 0 interesse por essa t ~cnica s6 comecou a aparecer com as cxpcri~ncias de Bloembergen na Universidade de

(0

Harvard (1956) quando esse disposilivo passou a operar de forma contfnualm Nesse mesmo ano seguindo a teoria de Bloem bergen os senhores Scovil Feher e Seidel da Bel l Laboratories construfam 0 primei ro maser a estado s6lido para operaao em regime ininrerrupto (SA)

As tentalivas para obtenrao de freqll(ncias estaveis cada vez maiores levaram Schawlow e Townes a discutirem a possib ilidade de cS lenderem a aplicarao da emissao estimulada ate os comprimentos de onda da regiao 6ptica I 910 objelivo obvia mcnte era conseguir urn masn- optico que logo passou a ser chamado de laser palavra fo rm ada com as inidais de light amplification by stimulated emission of radiation signifi ca ndo ~amplificado da uz por emissdo estmilada de irradiado 0 primeiro amplficador e osdlador 6ptico pralico de emissao eSlimulada foi divulgado em 1960 por Theodor Roosevelt Maiman atraves da exdtarao de urn bastao de rubi colocado entre faces planas espelhadasI60] A excharao era conseguida por intermampho de pulsos de lUI vi ndos da descarga elet rica de uma Iflrnplda a gas 0 que originava a irradiarao de pulsos de luz vermelha de elevadIssima coerenda

Urn sis tema capaz de emissao es timulada de forma contfnua foi conseguido em 1961 por Javan Bennett e Herriott nos laborat6rios da Bell 1611 Excitaram uma rniSlUra dos gases helio e ne6nio den tro de lim tuba de descarga com as faces espelhadas 0 efeito foi uma emissao coerente com enorme grall de pureza espect ral Con forme relatado por Blomm (61

) a analise espectral da irradiarao fci ta por White e Rigden mosrou Que sob pressao de 15mmHg em uma proporrao de helio-neOnio de 101 a mistura emitia urn cornprimento de onda de 632Bnrn correspondente a rransirao ent re os nivcis 3s2 e 2p4 do gas ne6nio ESSilS conclus6es motivaram 0 desenvolvimento de numerosos sis temas Glpazesde apresentar 0 efcito laser tanto a partir de gases como lt1 panir de mdos s6lidos

A openuao de um laser em es tado s6lido em regime continuo roi apresentada pela primeira veL em 1962 por Johnson Boyd Nassau e Soden (6)1 Essa cquipe investigoll urn sis tema de CaWO~ dopado com neodlmio trjvalente e obteve uma emiss~o eletrom lt1gnetica coerente com comprimento de onda de 1065Ull Surgiram em seguida (1965) 0 laser a rubi para operar~o na temperatura ambiente64U6S I varios tipos de laseres de vidro dopados com neodfmio(6) e OlltroS materia is Esses sistemas cram baseados na teoria de Kis s e Presley para 0 desenvolvimemo de fonles de emissao oxren tc empregando s6lidos cristalinos1671 0 mais conveniente foi 0 construido com YAIO ou yttIium-galio-gadolfnco conhecido como laser VAG dopado com neodfmio Aprescntava a disponibilidade de potencias muito elevadas alcanrando a Cilsa das ccmenas de watts I6S )

Em 1970 a utilizarao do neodfmio ja estava suficicntemente aperfeiroada para conseguir laser de Nd YAG com ganho de dezenas de vezes maior do que se conseguira com 0 la ser original Isto permitiu a fabricarao de fomes 6pticas de elevada coereuronda de d imensOes menores para comprimentos de onda entre 10477nm e 10641 nm Esses dispositivos possufam uma pequena larguIa espcclral e comprimentos de onda pr6ximos de urn dos valores em que a nbra 6ptica aprcsentava baixa atenuarao Contudo cste lipo de laser tern necessidad c de um bombeamento externo de energia para ser conseguido 0 cfcito de emissao estimulada Al6n d isso s6 permite urn sistema de modulaao indireta 0 Que dificultava 0 seu emprego nas primeiras fases das comunicar6es 6plicas

Nos treuros anos scguintes a descobena e implememacao do laser de helio-neonio segu iu-se grande desenvolvimento na parte lecnol6gica dos lascres a glt1s conseguindoshy

Cqnulni(~m 6pricas

o

-se maiores potencias em montOlgcns mais compadas irradiar6es em comprimentos de onda diferentes que se estenderam desde 0 infravermelho ate na faixa da luz visfvel Entre 1964 c 1965 descnvolvcu-se 0 laser de COl capaz de fornecer elevadas pot~ncias (acima de 100 watls) operando em elevados comprimentos de onda (106)lm) com baixo rufdo quAntico Infelizmente sao inadequados para aplicarOes com fibras 6pticas pois sao muito grandes muho caros possucm pcquena eficiencia e operam em comprimentos de onda incompalfveis com as exigencias de baixa atenuarao e baixa dispersao De qualquer manei ra nessa ocasiao ja era grande a concentrarao de esforros para 0 aperfeiroamento de fontes 6plicas baseadas na lecnologia de semicondulores

A possibilidade de amplificaao da luz por mdo da emissao estirnulada em urn semicondulor foi estabcledda peJa primeira vez por John von Neumann (1903-1957) em uma carta de 16 de setembro de 1953 enviada ao Dr Edward Teller da Universidade da Calif6rnia em Berkeley Nesse documento Neumann teorizava que a injerao de portadores atrav~s de uma junrao pn era uma maneira possivel de obter a cmissao cst imulada em scmicondutores Esse estudo foi publicado como homenagem p6stuma na revista IEEE Journa ofQuantum Electronics por ocasiao do vigesirno quinto aniversfirio da primeira obtenrao do laser semicondutor em JaboraI6rio[6lJ

Em 1962 0 mesmo ano em que sc conseguira 0 primeiro laser de estado s6lido para operarao em regime continuo obtevemiddotse 0 efeito laser em junrOes semicondutoras de arsenieto de galio (G aAs) A descoberla foi feita quase simultaneamente por Hall Fenner Kingsley Soltys c Carlson da General Eleclric[701 por Nathan Dumke Burns Dill cLasher da IBM[111 por Quist Rediker Keys Krag Lax McWhorter e Zeiger do Massachussets Institute of Technology7lJ c pcla dupla Holonyak-Bevacqua[Tl[ Essas prirneiras publicarOes foram recebidas pelas editoras das revislas cspecializadas com pequenas direren~as de datas 0 trabalho da equipe de Hall foi recebido em 24 de setembro de 1962 0 de Nalhan em 06 de oUlubro 0 de Holonyak em 17 de oUlubro e 0 de Quist em 23 de outubro lodos do mesmo ano

Nesses primeiros dispositivos 0 cfcilO laser s6 era pe~eptfvel em uma temperatura muito baixa (196 graus centfgrados abaixo de zero) que dificultava sua aplicacao pr1tica Alem deste inconvenienle s6 seriam capazes de operar em regime pulsado com pulsos de durarao de IOJIS e cicio de trabalho muito pequeno Uma vez superadas as dillculdades os disposilivos apresentariam grandes vantagens para 0 usa em sistemas de comunica~6es Em primeiro lugar 0 seu lamanho era muilO rcduzido (da ordem de 100~) e 0 efeito laser era conseguido com a passagem de uma corrente cont[nua atraves de uma jun~ao pn ISlo permitia uma conversao da energia de bombeamento em energia luminosa com uma e fici~ncia muitas vezes maior do que nos sistemas precedentes Em segundo lugar 0 rato de 0 cfei to laser ser obtido a panir da aplica~ao de uma corrente eletrica de polarizOlflo possibiUtou uma modularao direta do fcixe de luz na safda do componente Outra vantagem importantc c que 0 feixe luminoso e gerado a panir de recombinaOcs de elctrons livres com lacunas em urn intervalo de tempo muho pequeno Isto garantiria a possibilidade de modu[a~ao em frequencias baslante elevadas Uma desvantagem scria C rclacionada ao feixe muito divergcntc de safda por causa da pequena regiao em que se desenvolve a luz cmitida conhedda como regido aliva74J

o primeiro dispositivo laser semicondutor dcnominado diodo laser (LD) tinha a forma de um minusculo paralclepipcdo capaz de produzir uma irradiacao de alta intensidade Para valores de corrente acima de urn limite minimo 0 dispositivo apresenta urn ganho 6ptiCO interno que caraCieriza 0 efeito de emissao estimulada (afdo

o

laser) Uma das fo rmas de conseguir este efcilo C dando ao dispositivo uma eSlrutura ressonante apropriadaP~J 0 emprego do diodo laser em temperaturas mais altas 56 foi consegu ido ao fi na l da decada de 60 ainda assim com urn tempo de atua~ao curIO de algumas horas para fundonamento em regime continuo I7S1

A partir de 1963 intens ificarammiddotse as pesquisas surgindo em sequenda 0 diodo de homojunao 0 diodo de heterojunclo simples e 0 diodo de heterojun~ao dupla[76J Est( ultimo modelo aperfeioado por Kasonocky Cornelly e Hegyil[n] apresentou vantagens 5ignificativas em relaao aos anteriores e roi logo se (omando ~a importante para os futuros sistemas de comunicacentes Uma das desvantagens continuava scndo 0 falo de c efciLO laser 56 ser pcrcebido dc forma continua em temperaturas muito baixa5 Apenas CITI 1970 foi passivel dispor de urn diodo laser operando em regime continuo na temperatura ambiente mas ainda com tempo de vida uti de poueas horas 17BJ C problema rna is cmcrgcnte passou a ser a busea de urn aumemo no tempo de utilizarac do componente a parlir do eSlUdo das prindpais causas da dcgrada~aoy9H30HtlJ

Newman e Ritchiell realizaram mediOcs cm urn laser de hctcrojunrao dupJa ( descobriram alguns motivos da dcgradaao em suas earacteristicas de emissao Pm causa dcssa dClcriorarao 0 diodo exigia urn aumento na correme de pola rizarao para manter 0 funcionamenlo dentro do cspcrado Uma das razOes de redUlao na potencia 6plica de safda era urn acrescimo na quantidade de recombinarOes nao-radialivas demro do componenle Um segundo fator era 0 aparecimento de defeitos nas superffdes espelhadas quando a dcns idade de polencia 6ptica ultrapassava a casa de 10 wansan2

bull

Dcscnvolvcram-se as heterojunOes de arsenieto de ga lio (GaAs) e as combina~6cs de arsenielo de ga lio com iTTsenieto de aluminio (GaNAs) com a lemica de epitaxia de rase Jfquida (LPE) Nessa constru~ao uma camada aliva de GaAs com espessura aproximada de l~ era colocada entre duas camadas de GaAlAs de ma ior espessura A emissao estimulada era a1canada quando a densidade de corrcnte ultrapassava 0 valOi de 1600Non1

Ma is tarde este valor foi reduzido com a tecnologia de contato em faixa proposta inicialmente por Ripper Dyment OAsaro e PaoJiAlJ Deslaca-se nesta fase de desenvolvimcnto a contribui~ao de urn brasileiro 0 Dr Jose Ellis Riper Filho cngenheiro elctremieo fo rmado no Ins tituto Tecnol6gico de Aerontiulica que na ocasiac estava em aperfe ioamcl1lo nos Estados Unidos Essa nova terniea permitiu a ob(en~ae do deito laser na tempera tura ambicnte a partir de uma corrente de 300mA 0 avanc nos processos de fab rieaao e 0 desenvolvimen to de varios Oulros modelos levaram aos diodos laseres de ma iores comprimentos de onda com tempos de vida util significal ivamenlc 5uperiores mesmo com operaao em tcmpcraturas ambientes mais elevadas

A conslru~tio dos diodos laseres a semicondutor passou por vtirias etapas dcsde c es tjgio inicial da cpitaxia de rase Ifquida (LPE) passando pela cpilaxia de feixe molecular (MBE) e a epitax ia de fase de vapor metalorgAnico (MOVPE)JBlJ Obtiveramshy-se disposit ivos com previsao de tempo de vida (iIi superior a 10$ horas com capaddade para modula~ao dirCla do feixc dc luz a taxas de bits elevadas Atualmente a gera~iio de comprimentos de onda acima de l~ tern side conseguida com os diodos laseres quaternjrios fabricados a partir de cristais resultantes da combina~ao de arsenicto de galio com rosfeto de fndio (InGaAsP) na forma~fio de helcrojuncentCs duplas

Por causa das exigendas de sistemas pMa alcances cada vez maiores sem repetishydores os laseres semicondutores tiveram que cumprir cspecifica-oes mais rigorosas Urn importamc passo foi dado por Kogelnik e Shank em 1971 1amp1 1bull com a proposiao de

c umrunicOfOts 6ptkas

selecionar a emisslio estimulada em estrumras peri6dicas Esta ideia foi aproveitada no desenvolvimenlo do dioda lastr cam rralimenla(tZa dislrifJuida que apresenta uma irradiaao muito mais cocrente com uma largura espectral baixfssima capaz de pennitir uma transmissao com dispersao extremamentc pequena

Ao mesmo tempo em que se buscavil um aperfcioamento nos diodos laseres foram desenvolvidos os diodos emissores de luz (LED) de junao semicondlltora em uma versao modernizada da experilncia de Round 1781 Esse dispoSitivo emile luz de fonna mais incoerente do que os diodos laseres com predominancia de imens idade em determinado comprimenlo de onda Alem da maior largura espectral apresenta uma potencia 6plica de amplitude muit as vezes menor Como fatares de atraao para 0 seu emprego citam-se 0 custo substandalmente inferior ao do laser maior fadlidade no processo de fabricaltao maior robuSlcZ fisica maior tempo de vida util etc Por conseguime passou a ser urn componente de grande interesse para siluacentes em que nao fossem necessMias pOl~nciCl c cocramp1cia elevadas Como exemplos particulares os LEDs que emilem na faixa da luz visfvel passaram a substituir as antigas IAmpadas de sinalizaao de paineis de equipamenlos clelrOnicos Por outro lado os LEDs de infravermclhos podem substituir os laseres em lances de comunica6cs de pequenos comprimemos e onde sua grande largura espccl rai nao compromela 0 desempcnho do conjunlo

A geraao da luz no LED ~ consequencia tambem da recombinaltao de portadores de carga injetados alravcs da junltao pn Entretamo como esse dispositivo nao possui realimentaao posiliva imerna em relaltao aos diodos laseres a emissao e de menor amplitude e disuibufda em uma quantidade de modos com amplillldes aproximadamiddot mente de mesma ordem de grandeza Como termo de comparaao podemiddotse considcrar que urn LED tem uma largura espedral entre 20 e 100 vezes a de uma fonte coerente com uma potencia 6ptica ale centenas de vezes menor Estils caracterlsticas representam serifssimas limitacentCs do componente com prejufzos para 0 alcance maximo e para a taxa ou a freqG~ncia maxima de modula~ao

o primeiro LED apropriado ~s comunicaltocs (plicasfoi desenvolvido por Keyes e Quist em 1962 no laoorat6rio lincoln do blStituto de Tecnologia de Massachussels (M IT) Construfram lima junltao pn a partir da difusao de uma soluao de zinco em urn cristal de arsenielo de galio do lipo n Obtiveram boa eidentia na conversao de cncrgia eletrica em luminosa em uma temperatura de 77K (-196degC) A inlensidade de irradiaao crescia de forma aproximadameme linear com a corrente direla de poladzaao da jlln~ao ate valores ao redor de 2500Ncml

A partir deste valor iniciavamiddot -se urn processo de saturaltlio na pol~ncia 6plica emitidaEa~ 1

Para tornar compatfvel a dimensao do nudco da fibra 6ptica com area de emissao do LED esta deveria ser bem pequena garantindo com isto uma c1evada efici encia de acoplamcnto Urn dos primeiros modelos prAticos roi 0 diodo de Burrus descnvolvido em 1970 e conhecido como diodo tmissar de SUJXTjicit 1M1 No artigo original Burrus e Dawson descreveram a conslru~ao de urn dispositivo de aha radiiincia A area da superficie de emissao era correspondenle a um dil1melro de aproximadamcntc 50jUT1 permitindo urn acoplamemo efidenle a uma fibra multimodo com os diilmetros usuais Para facilitar esta conexlio urn terminal de fibra 6ptica roi colado em urn poo mkrosc6pico aberto no lado n de urn diodo de arseniclo de galio

Descobriumiddotse que a degeneraao do diodo poderia ser evitada cmprcgando momentaneamente uma polarizaao reversa A lensao deveria ser na forma de pulsos repctitivos a urn cicio de opera~ao entre 1 e 10 com valores desde algumas dezcnas

G

de milivolts ate urn limite pr6ximo da ruptura da junclio A exper i~ncia demonstrou que alguns diodos alem de diminufrem a degeneracio apresemavam urn ligeiro aumento na patencia 6ptica de saida ap6s este processo de regeneracao Dutra descoberta intercssante foi que um diodo que se dcteriorara com 0 uso prolongado poderia ser rejuvenescido por urn processo de aquecimento a uma temperatu ra enlre 10000C e 200degC mantida em urn intervalo de tcmpo que poderia ser de algumas horas ate alguns dias I161

Algum tempo depois Burrus e Ulmer desenvol veram urn LED de het erojuncao empregando GaAs e GaAlAs aplica ndo a ucnica de epitaxia de fase Hquida Mais uma vcr 0 diodo possufa uma area de emissao muilO reduzida correspondente a urn diametro de 5~ Conseguia-se uma pot~nda 6ptica de ate ImW para uma corrente de polarizacao de 200mA em urn comprimenlo de onda de 9OOnm1871 Burrus descreveu outro modelo de LED de alta radiAncia no qual a fibra 6ptica de acoplamento era substilUfda por uma lente moldada em resina rpoxy sobre a area emissora[IIII] Essa leme possibilitou urn aumento no valor da pot~ncia transferida it fibra 6plica

A possibilidade do aproveitamento da irradiaciio lateral em diodos de heteroshyjunCOes foi estudada inicialmente por Ettenberg Hudson e lockwood [1 0 diodo const rufdo com a geometria de comalo eltlTico em fa ixa garant iu elevada radiancia em 820nm com urn tempo de vida util de centenas de horas Esse componente passou a ser conhecido como diodo superlumintscmtt A geometria de contato em faixa permitia que a emlssao espontanea de lUI estimulasse novas emiss6es ao se propagar ao longo da juncao 0 resultado era urn processo de amplificacao que se aproximava ao do laser sem cmprego da realimentacao 6ptica I901 0 desenvolvimento desses diodos conduziu a menores larguras espectrais do que os anteriores e a maior rapidez na res posta aos pulsos de excitacao de corren te Esses componentes passaram a ser encarados como fontes alternativas para operacOes em regime continuo ou com cidos de traba[ho elevados e longo tempo de vida util

18_Evolu~ao dos detectores 6pticos A recuperaclo dos sina is UliJizados na modu lacao ex ige componentes que

combincm grande largura de faixa e sensibilidade sufidente para pcrmi[ir 0 aprovcimiddot tamenlo de niveis de [uz extremamcnle fracos Os primeiros fo todetectores roram conSlrufdos com materia is que alteravam sua condutividade com a incidtncia de JUl

Alguns materiais como 0 selenio ja haviam sido empregados por Graham Bell ai nda no seculo XIX Os primeiros detcclOres 6pticos de maior sensibilidade foram valvulas a vacuo que aprovcitavam a emissao de cletrons provocada pela incidencia de lUI em urn cAtodo fotossensfvel A quantidade de elt~trons emi tida dependia da intensidadc [uminosa e da sensibiJidade do material empregado na confcccao do catodo[911

A faixa de comprimentos de onda em que os fotocalOdos apresentavam boa sensibilidade nao era muito grande Na regiao visfvel do espect ro eletromagnetico (400nm a 7oonm) a sensibilidade e bastante aceitAvel mas nao e adequada na fa ixa do infravermelho ulil nas comunicacOes 6plicas Outra desvantagem e 0 grande espa lhashymento nos eletrons emitidos e a enorme diJercnca nas res pcclivas velocidades 0 que dificuharia a deteccao de sinais 6pticos com frequencias de modulaao devadas Uma evo]uclO das primeiras va lvu las fo todetectoras foi a fmomult iplicadora Os modelos conslrufdos pcrmitiram a deteccao de frequtncias de modulacao superiores a IOCHz [911

Os fotodetectores construfdos com materia is semicondUl ores cumprem as exigencias de largura de fa ixa e sensibilidade para os comprimentos de onda de

Comunic4f4n 6ptkas

o

interesse em comunicaOes Reunem vanlagcns adidonais de possufrem pcQuenas dimensOes compatfveis com a lecnologia de fibras 6plicas e de apresentarem dificuldades ja perfeitamen te superaveis para a sua fabricacao Podem ser dassificados em duas calegorias principais os dispositivos fotocondlilivos e os dispositivos com camada de exaustao ou de camada de depJe(iio (PO) Os dassificados no segundo tipo sao de longe os mais utilizados por permilircm uma maior largura de faixa de dete((ao 0 princfpio basico de funcionamento deste segundo modelo de fotodctcctor e a geracao de pares eh~tronmiddotlacuna na regiao de exaustao de urna junao pn a partir da absorcao da cnergia luminosa incidente Ii)1I9oIo1 A junao e IXllarizada reversamente em geral e os pares detronmiddotlacuna sao acelerados pelo alto campo eletrico nas proximidades da junc1o entre os cristais IslO dara origem a uma corrente elctrica denominada fotocorrenle ou corrente fotogerada

Os primeiros estudos neSle sen tido surg iram em fins da decada de 1950 Ulilizando a tecnologia dos diodos de gcrm~nio um material adeQuado a comprimentos de onda ate por volta de 1 8~1~)J Diversos oUlros materiais foram cxperimentados obtendomiddotse dis])ositivos scnSlveis em uma grande gama de comprimcnlos de ondaIY5J Em 1970 ja se dispunham de diodos de siUcio para deteccao com boa efid~ncia nos comprimentos de onda torno de IJUll Desde 1962 vinham sendo desenvolvidas estruturas deste tipo com urna camada de material intrfnseco entre elas formando ofotodiodo pin (PPO)IIOII Esse modele aprescnta uma respasla a freqOendas de modulaao mais elevadas por causa da reducao na capacitAncia parasita assodada ajuncao A camada intrfnscca na realidade c cons titufda por urn malerial com ligeira dopagem de tiIXl p ou tipo n191 1

Ap6s a divu lgacao do primeiro desses disposi livos surgiram varios oUlros modclos e um dos que se destacaram foi sugerido por Lucovsky Lasser e Emmons em 1963 1971

Embora 0 fmodiodo pin fosse habilitado para detcCIao de sinais moduladores ate a faixa de microondas a necessidade de detectar sina is com amplitudes muito pcquenas es timulou a pesquisa por urn componeme capaz de apresentar uma amplifica1ao na fotocorrente gerada Sabia-se que 0 efeito de avalanche em uma jun1o p1 polarizada reversamente da origem a multiplicacao de portadores Oevido a ioniza1ao resuitante das colisOes dos eletrons acelerados na regiao de cxaustao

A])rovcitando este rato em 1965 Johnson IIISI prop6s a operaao do diodo pin na condi1ao de ruptura da junc1o como forma de obter urn fotOOetector de silfcio de alta velocidade de resIXlsta Sugeriumiddotse ass irn urn fOlodeeclor de avalanche (APD ) capaz de forncrer elevados valorcs de corrente a partir da incidencia de uma irradia1ao luminOSJ de pequena inlensidade Johnson desenvolveu urn componente capaz de apresentar ganho interne superior a 30ds para desmodulacao de sinais ate a freQO~ncia de 2GHz Infelizmcnte 0 efeito de avalanche cde natureza aleat6ria ocorrendo urn aumento no ruido interno com a multiplicaao da fotocorrentc gerada Urn estudo delalhado do problema do rufdo nes te tipo de dispositho foi feito em 1966 IXlr Melchior e LynchI99]

Atualmente diversos fotodiodos de avalanche ja roram desenvolvidos ulilizando maleriais como 0 germanio 0 semicondutor quaternMio InGaAsP e outras combinashycOes con forme 0 comprimento de onda a ser detcdado Melhoraram-se os nfvcis de rufdo e tern sido conseguidas grandes velocidades de resposta

19 Advento e evolu~ao da optica integrada Uma das limitacOes nos sistemas de comunicacOes 6pticas e relacionada ao

cquipamento elelronico em seus terminais Na alual conjuntura 0 mdo de propagac1o e os componentes que atuam sobre 0 feixe de luz permitcm 0 processamento do sinal

Pmtmbulv t Rmmw Hislonc~ dtl F~lonka (0o

em uma taxa de lransmissao muho superior Aquelas que os equipamentos eletr6nicos lerminais sao capazes de acompanhar Ha decadas tem-se pensado na substilUi1o desses componentes cielrOnicos por dispositivos que pelo seu tamanho e velocidade de res posta fossern capazes de suplamar esta dificuldade Em meados da decada de 60 inidaram-se incursOcS para 0 descnvolvimenlo de dispositivos de tamanhos bern reduzidos com os quais fossem possiveis alguns dos comroles necessarios em um feixe 6plico concentrado Em especial as primciras rcalizacocs refcriam -se a trarudulores 6Plicos c a fiJtros espaciais empregando a tecnologia ja estabelecida dos componentes sernicondutores 11OOI

No ana de 1968 a ideia do aperfeioamento desses dispositivos ja dispunha de muitos seguidores 0 que se comprova pela quantidade de artigos publicados nas revist as especializadas frutos de pesquisas feitas em varias instituiOes Ja os primeiros trabalhos mostravam a implememacao de dispositivos com os quais se conseguiriam alguns tipos de processamento do feixe 6ptico coerente[IOII Para isto os procedimentos propostos beneficiaViunmiddotse de tecnologias e processos usuais nos miaocircuhos de microondas tais como es truturas peri6dicas acopladores direcionais dobras rurvas e uansicOes guias dieietricos etc

Na faixa 6ptica porem os componentes deveriam ser adaplados para aprovcilarcm os efeilOs mais comuns que permilem a imeraclo do sinal de controle com 0 feixe 6ptico em especial os cfcitos cletr06ptico acust6ptico e magnet06ptico Ao fInal da dCcada de 1960 Stewart E Miller cunhou a designacao 6ptica integrado para se referir As tecnicas que indufam lodas as formas de circuitos miniaturizados que aluasscm sobre um fcixe de laser (I02) As expcriendas de laborat6rio de Miller permitiram 0

processamemo de sinai 6PllcO por meio de moduladores detectores osciladores e oUlros circuitos em comprimentos de onda entre OAJUTl e 1O~ Empregando processos de fotolitografia construiu guias 6pticos atraves de pequenas altera~6es no indice de refracao do substrato de vidro Com a inc1usao de mimlsculas linhas transversais nas extremidades do guia descnvolveu urn ressonador 6ptico para 0 comprimemo de ooda de interesse Dopando 0 ressonador com neodfmio e fornecendo cnergia extcrna por meio de uma fome de bombeamento obteve 0 efeilo laser

Data dena ocasiao a proposta do modulador elctr06plico em fase com a construshy~ao do guia 6ptico em urn substrata de material eletr06ptico e a deposicao de eletrodos scparados de algumas dezenas de micrometros capazes de gerar aho campo de modula~ao com alguns volts de ten sao aplicada enlre eles Utilizando ternicas conhecishydas nas faixas de freqtiencias inferiores combinaram-se jun6es hfbridas e circui(QS ressonantes para construir filtros de freqliencias dispositivos de grande apJicacao para 0 desenvolvimento de sistemas de muhiplexacao em comprimento de onda

Embora ainda esteja em rase de pesquisas e de desenvolvimento a 6ptica inteshygrada tern tido enorme importAnda permit indo uma crescente incorporaCao de componcntes de processamento 6ptico para os novos sistemas de transmissao de alta velocidade No lade do transmissor dcsenvolvcram-se moduladores flltros e criaram -se os amplificadores 6pticos empregando a fibra dopada com terras raras Permitiu a integracao de dispositivos passivos e a formacao de componentes hfbridos em uma peQuena pastilha de vidro de siUcio ou de oulro material com as caracteristicas e1elTomagoeticas apropriadas

In umeras experi~ncias tern sido levadas a lermo incluindo no mesrno substrato mOnlagens com dispositivos ativos e passiv~s simuitaneamente tais como a combinashy~ao de laser com modulador de absorcao laser com modulador eielr06ptico associacao de componentes 6pticos com componentes eletrOnicos e assim por diante No percurso

Comunicac6t$ OptiCal

o

do sinal criaram-se chaves comutadoras acopladores direcionais dispositivos para multiplexacao em comprimento de onda c oulros componen tes de grande rclevancia para muilas aplicac6cs que envolvam 0 processamento da lu21 LO)1

110 Comentcirios Fazcr urn relato sobre 0 hist6rico de urn dcscnvolvimcnto tccnol6gico e uma tarera

diffcil c na opiniilo de muitos espedalistas di spensi1vcl Quando 0 objet ivo principal for o aprendizado da tecnologia propria mente dila A situacao fica mais crhica nest e caso ao sc kvar em conta que a 6ptica c suas aplicac6es representam algumas das partes mais antigas da ci~nda Assim urn resumo cnvolvcndo CStC assun to renetc quase scmpre uma visao subjetiva ditada pcla forma e pela cronologia segundo as quais roram estudadas ou abordadas as diversas eta pas que conduziram a situacao atua

Corre-se 0 risco de desconsideraremmiddotse passos imponantes que contribufram para se chegar ao cornponente iI tcoria final ou ao sis tema mais apropriado cornetendo as indcsejavcis injusticas com pesquisadorcs invcntorcs empresas e instituic6cs que efetivamenlC tiveram importantes panicipac6es nesta evolwao Todavia uma temolo shygia Uio nova como a que usa as conceitos dc fotOnica Olinda es tj em urn rilmo que susdta muita curiosidadc de como os fatos descobenas e invencOes tern se processado Por outro lado uma pequcna visao hist6rica sobre como foram encontradas soluc6es valores e tcndencias permite justificar a escolha por urn componente e por uma ou outra tecnica no decorrer do estudo dos fenOmenos dos dispositivos e das suas imegrac6es nos sistemas

Seria posslvel continuar indefmidamentc rclatando os inumeros passos intershymediArios os cansativos insuces sos e as conquistas que permitiram chcgar i1s caractcrls shyticas dos modernos componentes e suas aplicacOcs EOIrctanto is so fug iria ao objctivo destc trabalho e por esta razao considerou-se que ao se descrever a evolurao do meio de transmissao e de alguns componenles cnvolvidos nas comunicaOes 6pticas ja estaria garantida uma visao geral dos processos e seria suficient~para servir como introdwao ao estudo de alguns dos cmprcgos mais rclcvantcs da fot6nica

Exerdcios

11 Etapas inicials dos si stemas 6pticos Descreva em breves paiavras a experienda apresentada por John Tyndall pcrantc a Sodcdade Real Brit3nica e quc pode scr considcrada urn marco inidal na ideia do confinamenlo da luz em urn guia de ondas Tente apresentar a explicacao a partir de urn esquema basico do processo

12 Expcricncias de Graham Bell Descreva 0 equipamento descrito por Graham Bell cxplique 0 seu fundonamento e quais suas prindpais caracteristicas Comente 0

alcance mAximo dele e alguns dos seus componentes mais importantes 13 Enlace 6ptico em ambientes abertos Par que 0 sistema cmprcgando a Iliz

como onda portadora apresenta serias limitaOes se for cmprcgada a emissao na atmos fera tcrrcst re

14 Ocscnvolvtmcnto do meio de transmissao Descreva algumas das primeiras entativas de produzir um guia de ondas 6ptico Ctlpaz de transmiss6es a longas disshytAndas Apresenle os inconvenientes que delerminaram 0 abandono desses modelos

Prtotmltulo t Hrsumo Hislimo da Io~nia

o G

15 Desenvolvimento do meio de transmissao Cite algumas conciusOeS alcansashydas no que diz respcito aos modos de propagaSlt1o nas estrUlUras originais e qual a conclusao a respeito do modo hfbrido HEll

16 Desenvolvimento do meio de transmissao Em meados da decada de 1950 chegou-se a uma estrutura mais convenieme para 0 confinamento da luz em um guia de ondas dieletrico Descreva esse modelo e compare com as fibras 6pticas modernas

17 Desenvolvimento do meio de transmissao Ap6s as incontaveis pesquisas para determinasao do comprimento de onda 6timo a ser usado na transmissao quais foram as valores que se apresemaram como mais adequados Como ficaram conhecidos esses valores Quais sao os mais empregados nos sistemas modernos de comunica~6es 6pticas

18 Descnvolvimcnto do mcio de transmissao Descreva 0 modelo de fibra 6ptica com perfil de fndice de n(ldeo autofocaJizante Como ficou original mente conhecido esse modelo de fibra

19 Sistemas rudimentares de comunica~oes opticas ExpJique como 0 usa de sinais de fumalta das primitivas populalt6es americanas pocic ser entendido como tentativa do uso da luz como portadora de mensagens Trata -se de uma comuni shycasao ana l6gica ou digital Justifique

110 Forma de estudo dos fenomenos opticos Idenlilique algumas formas comuns utilizadas na Flsica para serem estudados os fenomenos envolvendo a luz c tente explicar algumas aplicacOcs e algumas limitaltOes de cada uma delas

111 0 usa dos sistemas de multiplexasao Por que e importante usar as tecnicas de multiplexacao nos modernos sistemas de comunicaltOes Dc que forma 0 emprcgo de portadoras na faixa de lilz pode apresentar vantagens no emprego desla tecnica

112 0 uso de sistemas de multiplexasao De que manei ra a sistema de multishyplexacao em comprimento de anda pode contribuir para 0 aumenta na capacidade de urn sistema de comunicacoes por fibras 6pticas

113 Perda de potencia minima na fibra 6ptica As experiencias comprovaram que era passive alcancar urn fator de atenuasao de 02dBkm na fibra 6plica no comprimento de onda de 155~m Par que esse valor foi considerado 0 limite posslvcl a ser alcansado Por que esse comprimento de onda nao foi considerado 0 mais convenieme para os sistemas que exigiam elevadas taxas de transmissao

114 Caracteristicas dcsejavei s na fibra 6ptica Por que os comprimentos de onda de 13lJIT1 e ISS)un tornararn-se de grande imponlncia para os sistemas de comushynicaloes por fibras 6pticas Que vantagens 0 comprirnento de onda de 13jUll apresenta em relaltao ao segundo valor Dc duas van lagens que 0 segundo valor apresenta em rdarao ao primeiro

115 Fibra de dispersao deslocada Descreva a fibra de dispersiio deslocada Qual foi sua importilncia para 0 desenvolvimento dos moderoos sistemas de comunicarOes 6pticas

116 Desenvolvimento das fontes de luz A pa rtir de que epoca comeraram a ser percebidos os fenomenos que conduziram ao desenvolvimento das modernas fontes de luz para comunicaltoes 6pticas Qual foi 0 tipo de fenbmeno detcclado inicialrnente Por que as pesqu isas concennararn-se em fontes que operassem em comprimcntos de onda da faixa de infravermelho

CcmlunctlOts 6pleas

o

117 Dcscnvolvimento das rontes estaveis de irradlacao Embora operasse em urn comprimenlo de onda na faixa de microondas 0 efeilo maser fo i imponante como passo inidal para chegar as fontes de luz para comunicac6es Descreva em breves palavras esse efcilo c justifique a sua imponilncia

118 Dcsenvolvimento das rontes de IU2 Como licou conheddo 0 maser 6plico equal foi 0 primeiro modelo considerado pratico para as apUca~s na denda e na engenharia Esse modelo eutil atuahnente para as comunicacOes 6Plicas Justifique

119 Desenvolvimento das rontes de luz Dcscreva brevemente a contribuicao das ideias de Einstein para a estudo das fontes de luz dos modernos sistemas 6pticos

120 Desenvolvimento das fontes de Iuz Oiscuta algumas caracterSlicas imporshytantes do laser de neodimio VAG e justifique 0 fato de nao ser utilizado direta shymente como fonte de luz para os sistemas de comu nicac6es por fibras 6pticas Repita a discus sao anterior para 0 laser de gas carbOnico

121 Dcscnvolvimento das fontes de luz Os primei ros diodos laseres foram de pequena servemia para as apJicac6es nos sistemas 6plicos Apresente os principais inconvenientes dessas fontes nas suas primeiras rases de producao Quais foram as principais vantagens aprescntadas que CSlimularam 0 seu contfnuo aperfeicoa shymento para 0 uso em sistemas com fibras 6pticas

122 Dlodos laseres de heterojumao Quais roram as principais caracterfsr icas que estimularam 0 desenvolvimento dos diodos la seres de heterojuncao

123 Diodos la scrcs semicondutores em geral Do ponto de vista da modulaao cite duas vantagens imponantes em empregar 0 diodo laser como fontc de luz plra comunicaOes 6pticas

124 Diodos emissores de luz Compare 0 deserhpenho de urn diodo emissor de luz (LED) com urn diodo la ser (LO) como fOOle de luz para comunicacoes 6pticas

125 Diodos ernissores de luz e diodos laseres Qual roi a importancia de desenshyvolver 0 sistema de alimentacao por meio de uma faixa de contalO no aperfcishyoamento das fontes 6pticas que empregavamcristais semicondutores

126 Recuperacao do sinal 6ptico guiado Apresente as duas manciras pelas quais c posslvel recuperar 0 nlvel do sinal 6ptico transmitido em uma fibra 6ptica Mastre as vantagens e as desvantagens de cada urn

127 Dese nvolvimcnto dos fotodeteetores Descreva as duas prindpais categorias de fo todetectores empregando crista is semicondutores

128 Dcsenvolvimento dos fotodetectores Quais sao as principais ca racterfsticas dos fotodetectores desenvolvidos com cristais semicondutores que levaram a sua larga utilizacao nos sis temas de comunicalt6es 6pticas

129 Desenvolvimento dos fotode tectores Cite e es tabelCa as diferenas princishypais entre os fotodetectores de tipo PD PPO e APO

l30 Dcscnvalvimcnto dos fotodetectores Cite e expl ique as vantagens e as desvantagens do emprego de urn fotodetector de lipo APD sobrc um PPO

131 Advento e evolutao da 6ptica integrada Dcscrcva de fonna breve 0 desenvolshyvirnento dos componenles e dispositivos de 6ptica imegrada Apresente alguns desses camponentes e SUilS aplicaltacs de maior rclevtmcia

Prrdmbuq e Rrsunw Ifist6rko dtJ Fot6nka

o G

Referencias BibJiogriificas

1 HAAS W Tcchnologicill evolution in transmission systems Elrctrical CommullialliotlS 52(4 )283 shy288 Dec 1977

2 PAYNE O A GAMBUNG WA Zero material dis~rsion in optical fibres Elrelron Lrll 11 (4) 176-178 Apr 1975

3 SATTAROV D K Ffbr6pricQ Trad de Jaime de Castro Blanco Moscou Mit 1977 4 KEIl II PASCIIER II Communicadonl cnur 01 new era with fiber optics Ttirom RqxJrt 6 (5)

4-7 Oct 1983 5 lACY E A Fibtroplics Englewood Cliffs Prclllitt-HillI 1982 6 HOSS R J Fibtropliccommun~Qlions dtsign lumdbook Englewood Cliffs Prcmicc-Hilll 1990 7 HALLIDAY D RESNICK R Frsica Trad de Eudidcs Cavallari c Bento Affini J unior Rio de

Janeiro Ao Uvro Tknico 1966 8 HECHT E Oplics Schaums o utline series New York McGraw-Hill 1975 9 VERDEYEN J T lasntlatrcmia 2 rd Englewood Cliffs Prendce-Hall 1989 10 MILlAR D et al Tht cambridgt diclionary of uitnim Cambridge Cambridge University Press

1996 II RANDOM HOUSE WtbstrsdiaionaryosatntulJ New York Random House 1997 12 GOU8AU G SC II WERING F On the guided propagation of clcctomagnetic wave beams IRE

Tram AnttnTta ProNlgalion 9 (5) 248middot256 May 1961 13 KARBOWIAK A E The binh o f optical communications PrIX lEE (umdoll) 133 Pt J (3)202middot

2M Jun 1986 14 GIALORENZI T G Optical communications research and technology fiber optics PrIx IEEE

66(7)744780 Jul 1978 15 GOODWIN F E A review of opera(ionallaser communication systems Prrx IEEE 5S( 10) 1746middot

1752 Oct 1970 16 KARBOWIAK A E GuidCd wave propagation In suhmilUmelric region Pnx IRE 41 (10)1706middot

171 1 Oct 1958 17 EAGLESFIElD C C Optical pipeline a tentative assessment PrIX lEE (Lolldon) 109 26middot32 1962 18 RAMO S WHINNERY J R VAN DUZER T Fldd hrory In tlretronic communications 3 cd

New York John Wiley 1m 19 CARSON J R MEAD S P SCHELKUNOFF S A Hypermiddot frequency waveguides mathematical

lheory amp11 Syfrm Treh J 15(4 )310middot 3)3 Apr 1936 20 RAMSAY M M HOCK lIAM G A KAO K C Propagation en guiamiddotondlS de fibras 6pticas

CDmmlillicadonrs Elkricas 50(3) 176middot185 Set 1975 21 E1SASSER W M Attenuation In a dielectric draltar rod J Appl Phys 20( 12) 1193 - 1196

Dec 1949 22 CHANDLER C II Investigation o f dielectric rod as a waveguide J Appl Physbull 20(12) 1188shy

11 92 Dec 1949 23 VAN HEEL A C S A ncw mcthod of transporting optical images without aberralions Natun

17339 Jan 1954 24 HOPKINS H H KAPANY N S A flexible fibrcscope using Sialic scanning Naturr 173 39-41

J~n 1954 25 KAO K C HQCKHAM G A Dielectricmiddotfibrc surface waveguide for optical frequencies ProcIEE

(London) I1] (7) 1I 51-1158Jul 1966 26 SANDBANK C P Comunicationes por fibra 6ptica CDmmunicadonn Elretricas 50 ( 1 )21 middot29 Mar

1975 27 GAM BUNG W A el al Optical fibres based on Ilhosphosilicatc Pnx lEE (London) 123(6) 570shy

576 Jun 1976 28 KAWAKAM I S NISH IZAWA J An optical wavcguide with optimum distribution o f the

refractive indcx wilh rderence to wavdorm distonion IEEE Trons Microwavt Throry Treh 16( 10)814-818 Ocl 1968

29 UCHIDA T el 11 A light-focusing fiber guidc IEEE J Quantum Elaronies 5(6 )33 1 Jun 1969 30 PEARSON A D FRENCH W_ G RAWSON E G Prelgtaralion of 1 light focusing glass rod by

ionexchange techniques Appl Phys Utlm 15(2)76-77 1969

ComunrCCM Oplicat

o

31 Oyon R B Some memories of the early years with oplical fibres 011 Beilish POSI Omee a personal accounllEE Proc 133 Pt J (3)199-201 Jun 1986

32 GLOGE D Optical fibres for communications Appl Oplics 1l249-254 1974 33 OG1LVIE G J ESDAILE R J KIDD G P Transmission loss of tetrachloroshy

-(thyl(nefiIled liquidcore fibre lightguide Elttlron UII 8 5)3middot5)4 1972 34 STONE J Oplical transmission in liquidmiddotcore quam fibers App Phys Lm 20(7) 237middot240 JilL

1972 35 KECK D B MAURER R D SCHULTZ P C On the ultimate lower limit of lIgcnuation in

glass optical waveguides Appl Phys Lmm 22307middot309 Apr 1973 36 KAISER P Spectral losses o f unclad fiber made from high grade vitreous silica App Phys Lmm

23 (1) 45461973 37 FRENCH W G ct 011 Oplical waveguides with very low losses BtU S)$t Ttth J 53 95 1middot954

MaymiddotJun 1974 38 KATO D Fusedmiddotsilica core glass fibre as a lowmiddotloss optical waveguide App Phys UII 22 ( I )3middot4

1973 39 PAYNE D A GAMBUNG w N New silicamiddotbased lowmiddotloss optical fibre Eltctron Lm

10(15)289-2901974 40 BLACK P W (I al MeuurcmenlS on waveguides properties of Gc02 cored optical fibres Ellaquo1on

Ult 10(15)239-240 1974 41 PAYNE D A GAMBLING W A Zero material dispersion in optical fibres Elmron utt 11 (4 )

176-178 Apr 1975 42 OSANAI H el 011 Errects of dopants on transmission losses of low OHmiddotcontcnl optical fibers

Eltrtron utl IS ( 10) 549middot550 OC 1976 43 MIYA V C1 011 Ultimate lowmiddotloss single-modc fibre 011 1 55 )1m eltclrol uttm 15 (4) 106middot 108

Febbull 151979 44 HORIGUCHI M OSANAI H Spcctrallosses o f 101V-OH-rontent optical fibres Elrctrn Ultm 12

(12) 310-312 1976 45 GOODWIN A R et ill GolAs lasers vith consislently 101V degradal ion rates 011 room temperature

Appl Ph)$ Lttlm 30 (2) llOmiddotID 1977 46 BHAGAVATULA V A et 011 Segmellledcore single mode fibres with low loss and low

dispersion Eltclron LtUm 19 317middot318 1983 47 AINSLI E B J el at The dcsign and flbrication of monomode optical fiber IEEE J Quantum

EltclrOlics 18 51 4middot5231982 48 YAMADA J Cl al 155 )1m optical transmission ~xperlmenS 011 2 Gbitss using 515 km

dispersion-free fiber Eltctron Lcltm 18 98middot100 Jan 1982 49 MALYION D J MeDONNA A P 102 km unrepealercd 1Il0nomode fiber system experiment at

140 Mbitsls lVith injection locked 152)1m laser transmiterEltttron Uttrn 18445-447 Jul 1982 50 MIMS 1II F M Lishttmitting diodts Indianapolis Howard WSams 1979 51 WE BER J Amplification of microwave radiation by substances not in Ihermal equilibrium IRE

Tram EllClron IXvictS (3) 1middot4 Junbull 1953 52 GORDON J P ZIEGER H J TOWNES C H Microwave molcrular osdlJator and nelV

hiperfine structure in the microwave spectrum of NH3 Phys Rno 95283 1954 53 GORDON J P ZEIGER H J TOWNES C H The maser new Iypc of micrOIVJvc amplificr

frcqucnt) standard and spectrometer Phys Rrv 99 1264 1955 54 JOHNSON H R STRANDBERG M W P Beam system fo r reduction a Doppler broadening of

microwave absortion line Ph)$ RN 8550middot504 Feb L 1952 55 SIEGMAN A E Microwtuorsolid-statt masers New York McGrawmiddotHiII 1964 56 STRANDBERG M W P Quantum mcdtanlcal amplfiers Pnx IRE 4 ( 1)92middot93 Jan 1957 57 BLOEMBERGEN N Proposal for a nelY type of solid-state maser PhYf RtI 104324 1956 58 SCOVIL H E D FEHER G SEIDEL H The operation of a solidmiddot stale maser Phys Rrv

105762 t957 59 SCHAWLOW A L TOWNES T H Infrared and optical masers Ph)$ Rrv 112 1940middot 1949 1958 60 MAIMAN T II Stimulated optiCal radiation in ruby Naturt 187 493494 Aug 1960 61 JAVAN A BENNET W R HERRIOlT D R Population inversion and continuous optical

osdllalion in gas discharge containing lIe-Ne miSlure Phys RM Lmm 6 106middot11 0 196 1 62 BLOOM A L Gas lasers Proc IEEE 54( 10)12621276 Oct 1966

Pmtmbulo t Rtrumo IIist6rico da Fot6nica o G

63 JOHNSON L F et al Continuous operation of CaW04 Ndh optical maser Prot IRE (ComsPOlldIIIU) 50(2) 213 Feb 1962

64 EVT1JHOV V NEEIAND J K Continuous operat ion of a ruby 1ISer at room temperature Appl Phys Ltrtm 675middot76 Feb 15 15

65 ROSS D Room temperature ruby CW laser Microwava 3(4) 29 Apr 15 66 YOUNG C G Continuous glass laser App Phys Lmm 2 151 -153 Apr I S 1963 67 KISS Z J PRESLEY R J Crystalline solid lasers Proc fEEE 54 10)1236-1248 OCt 1966 68 GEUSIC J E BRIDGES W B PANKOVE J I Coherent optical sources for communications

Pnx1EEE 58( 10)1419-1439 OCt 1970 69 VAN NEUMAIN J Notes on the photonmiddotdesequilibrium amplification scheme (JvN) September

16 1953 IEEE J Quantum Efmronia 23(6)659-673 Jun 1987 70 HALL R N et 11 Coherent light emission from GaAs junctions PhysRIV Utters 9 366-368

Novbull 12 7 1 NATHAN M J et al Stimulated emission of radiation from GaJs pmiddotn junCtions Appl Phys

Ullm 162-64 Nov bull 1962 72 QUIST T M et al Semiconductor maser ofCaAs Appl Phys LlIIers 191-92 Dec 1962

73 HOLONYAK Jrbull N BEVACQUA S F Coherent (visible) light emission from Ga(As1xPxl

junctions Appl Phys Ulters 182-83 Dec 15 1962 74 BURNS G NATHAN M I P-N junctions lasers Proc1EEE 52 (7)770middot794 Jul 1964 75 DYMENT J c DASARO L A Continuous operation of GaAs junction lasers on diamond heal

sinks at 200 K Appl Phys UIm (11)292-294 1967 76 NEWMAN D H RITCIiIE S Sources and detectors for optical fibre communications

applications the first 20 years Prn lEE (London) 1)3 Pt J (3)213middot229 Junbull 1986 77 KASONOCKY W F CORNELLY R HEGYI J J Multilayer GaAs injection laser IEEE J

Quantum EIlaquotnmics 4(4) 176-179 1968 78 KAYASHY I el 11 Junction lasers which operate continuous at room temperature Appl Phys

Ltlltrf 17(3) 109-111 1970 79 KRESSEl H BYER N c Physical basis of non-catastrophic degradation in GaAs injection

lasers Proc IEEE 57( I) 2S-H Jan 1969 80 NEWMAN D H RITCH IE S Gradual degradation ofCaAs double-heterostructure laser IEEE J

Quantum Elaquotronia 9(2)300middot305 Feb bull 1973 81 DE LOACH B C el al Degradallon of CW GaAs double heterojunction lasers at 300 K Pnx

IEEE 61 (7) 1042- 1044 Jul bull 1973 82 RIPPER J E et al Stripe-geometry double heterostructure junctions lasenmode structure and

cw operation ~bove room temperature App Phys Uttm 1815S-157 1971 83 NEWMAN D H RITCHIE S Sources ~nd detectors for oplical fibre communications

~pplic~tions the first 20 years Proc fEE (Lolldon) 1l3 Pt J (3 )2 13-229 Jun 1986 84 KOGELNIK H W SHANK C V Stimul~tcd emission in a periodic structure App Phys uttm

18152-154 Feb 1971 85 KEYES R J QUIST R M Recombination radiation emined by galium arsenide Proc IRE

(Cormpolldtllu) 50(8) 1822- 1823 Aug 1962 86 BURRUS C A DAWSON R W Sm~lI -afea highcurrellldensity GaAs eleetrolumi-nescent

diodes and ~ method of operation for improved degradations characteristics App Phys Ultm 1797-99 Aug J 1970

87 BURRUS C A UU1ER E A Efficient small-area GaAs-Ga l A1As heterostructure electroluminescent diodes coupled to optical fibers Prn IEEE (Lmers) 59(8)1263-1264 Aug bull 1971

88 BURRUS C A Radiance of smallmiddotarea high-current-density electroluminescent diodes Proc IEEE (Ullm) 60(2)231-232 Feb 1972

89 ElTENBERG M HUDSON K C LOCKWOOD H F High-radiance light-emiting diodes IEEE J Quantum EflaquoJronia 9( 10)987-991 Oct 1971

90 LEE C P BURRUS C A MILLER B J A Strilgtegeometry douillemiddotheterostrucure amplifiedshy-spontaneous-emission (supcrluminescent) diode IEEE J QUGnlUm EIlaquoIronics 9(8)820-828 Aug 1973

9 1 SPICER W E WOOTEN F PhOloemission and photomultipliers Pnx IEEE 51(8) 111 9middot 1126 Aug 1963

ComunicllOts 6pli(lu

o

92 ANDERSON L K McMURTRY B J Highspeed phoOmiddotdelcclors PnxIEEE 54 ( 10)1335middot 1349 Oct 1966

93 SAYER D E REDIKER R H Narrowmiddotbil$e germanium phOiodiodes Prrx IRE 6 (6) 1122-1130 Jun 1958

94 GAERTNER W W Depletion-layer pholocffccts in semiconduClOrs Phys Rrv 11 6( 10) 4-87 Oct 1959

95 MELCHIOR II FISHER M B ARAMS F B PholOdeleclors for optiQI communicaiion systems PrIX IEEE 58( 10)1466middot1486 OCI 1970

96 RIESZ R P Highspeed semiconduelOc ph01odiodes Ry Sd Inslrumlntation ll 994-998 Sep 1962

97 LUCOVSKY G LASSER M E EMMONS R B Coherenl light detection in solid-slate pholodiodes Prot IEEE 51(1 )166-172 Jan 1963

98 JOHNSON K M High-spttd photodiodc signal enhancement ill ilvalanehe breakdown vohJgc Trans IEEE Eltetron lXvias 12(2) 55-63 Feb 1965

99 MELCHIOR II LYNCH w T Signal and noise response or high speed germanium avalanche photodiodes IEEE Trans Etetron Dntim 13( 12) 829-838 Dez 1966

100 ANDERSON D B Application oj semiconductor tuhnology 10 cohtrtlll optical mmsducm alld lpalial jiltm In TlPPIIT J Oplical and (eclro oplical injormalion proctsSill9 MIT PIeH Cilmbridge Mar 1965

101 SHUBERT R HARRIS J H Oplical sutface waves in thin films and their application to integra led dala processors IEEE Trails Microwovt Thtory Tlaquoh 16 1048-1054 1968

102 MiLlER S E Integraled optics an introduction Ikll Sysltm Tlaquoh J 487) 2059-2069 Scp 1969

103 GRATZE S C Switchill9 optical In MEYERS R A Ed - Encydoprdia ojlasmandopticallaquohnology San Diego Academic Press 1991

104 JONES K A Inrroduction to oplical dtctronja New York John Wiley 1987 105 GIOZZA W I CONFORTI E WALDMAN H Fihras oplicas 1laquolIologia (projdo tit sultmal Sao

Paulo Makron Books 1991 106 RYU S Cohtrtnt lighlwovt communicaiolllysltms Nor-OOd Arlcch Hou se 1995 107 BUCK J A FundamtlliaJ ojoplicaljibm NCv York John Wiley 1995 108 DAVIS C C Lllsm and rlteromiddotoptics jUlldammtas and mglIlaquor1I9 Cambridge Cambridge

University Press 1996 109 KATZIR A Opticaljilxr ItchniljlllS (MtdidTll) In MEYERS R A Ed - Encycodia ofaim alld

oplicalllaquohnoogy S10 Diego Academic Press 1991

Prrdmbuo t Rtrumo Hisoriel) da Fqtonka 47