Neste artigo apresentamos um interessante estudo sobre modulação de lasers semicondutores, culminando com o projeto de um gerador de pulsos que se baseia em componentes comuns e serve também para estudos de espectros de emissão e curvas características de lasers semicondutores.
Carlos Guitti de Souza e Therezinha de Jesus Serra de Mattos (UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas - SP )
Nota: Artigo publicado na revista Saber Eletrônica 195 de 1989
1. LASER SEMICONDUTOR -CONSIDERAÇÕES GERAIS
Um laser é um dispositivo que gera e amplifica a luz pelo processo conhecido por emissão estimulada. Como consequência deste processo, a luz laser apresenta propriedades que a diferenciam da luz comum: ela é mais intensa, colimada, coerente e monocromática. Atualmente existem lasers de sólidos, líquidos e gases, cujas emissões cobrem uma faixa do espectro de frequência que vai do infravermelho ao ultravioleta, com um número surpreendente de aplicações em tecnologias, medicina e física.
Os sistemas de comunicação óptica utilizam largamente lasers de semicondutor, também conhecidos por lasers de injeção (por operar com injeção de corrente) ou diodo laser (por ser constituído por uma junção PN). Estes dispositivos têm o formato de um paralelepípedo retangular, polido em duas faces paralelas que se comportam como espelhos parciais (figura 1). A conversão energia-corrente em luz ocorre numa região muito pequena do dispositivo, chamada região ativa. Um laser semicondutor comporta-se como um oscilador em frequência óptica. E o análogo, na faixa visível, dos osciladores eletrônicos existentes nos equipamentos de transmissão. Num sistema de comunicação óptica a função do laser é transformar os impulsos elétricos em correspondentes impulsos ópticos, com baixo nível de ruído, alta eficiência e um tempo de resposta muito mais curto do que num sistema de comunicação convencional.
Estes lasers são formados pela junção numa de dois semicondutores diferentes estrutura conhecida por heteroestrutura dupla (DH), ou seja, são formados por duas heterojunções. A figura 2 mostra um laser e suas dimensões. As características vantajosas dos lasers semicondutores, para a aplicação em comunicações ópticas, são:
- Dimensões compatíveis com os componentes eletrônicos;
- Alta eficiência de conversão de energia elétrica em energia óptica;
- Custo potencial baixo;
-- Possibilidade de modulação direta (a uma corrente de injeção modulada corresponde a geração de onda de luz modulada).
Para que ocorra a emissão estimulada, é necessário um mínimo de corrente elétrica, que é denominada corrente limiar (Ith). Essa é a grandeza mais significativa do laser. Uma corrente limiar baixa diminui o aquecimento do dispositivo e simplifica os circuitos de polarização. Uma curva típica de emissão de um laser é mostrada na figura 3.
2. QUALIDADES EXIGIDAS PARA O PULSO
A corrente elétrica pode ser injetada no laser em regime contínuo (corrente contínua) ou em regime pulsado (em forma de pulsos), sendo este último preferível por diminuir o aquecimento do laser. O esquema de um laser montado em seu suporte é mostrado na figura 4.
Para operação do laser em regime pulsado, a forma ideal é a do pulso quadrado, com tempo de subida e de descida iguais a zero. Tal pulso dá como resultado uma operação altamente eficiente.
3. ESQUEMA DE UM GERADOR DE PULSOS
Um gerador de pulsos consiste em um elemento de armazenamento de tensão (figura 5), que se descarrega através do diodo laser quando um rápido dispositivo de interrupção é ativado. Capacitores e linhas de transmissão são normalmente empregados como 'elementos de armazenamento. O capacitor faz a alteração. A seleção de um dispositivo de interrupção é o problema mais difícil. Além de ter que resistir a uma determinada tensão ou corrente, ele deve ser capaz de interromper no intervalo de 1,0 µs ou menos.
Enquanto a largura do pulso e o pico de corrente de um gerador de pulsos podem ser facilmente calculados, inspecionando-se o circuito, erros podem ser inseridos por imprecisão de conhecimento das características dinâmicas do dispositivo de interrupção. Especificações convencionais desses dispositivos são frequentemente inúteis, quando aplicadas a esse tipo de gerador. Contudo, podemos considerar a operação de um circuito hipotético por uma simples manipulação da Lei de Ohm. Normalmente o que se faz é desprezar a resistência do laser -ela diminui sensivelmente quando a corrente está acima da corrente limiar - e colocar um resistor limitador em série com o mesmo. Se a fonte de tensão pode fornecer corrente suficiente para a operação do laser, podemos determinar a tensão de operação do circuito, através de V = I x R.
O diodo laser funciona muito bem com correntes 10% acima do limiar, sem problema de degradação. A largura do pulso pode ser encontrada através de constantes de tempo RC do circuito. Na prática, a largura do pulso pode ser afetada por indutância indesejável. Por esta razão, a distância entre os componentes deve ser a menor possível.
4. O CIRCUITO
O circuito construído é mostrado na figura 6. Como vemos na figura, o CI 555 é ligado como um multivibrador astável. O capacitor de 1 µF carrega-se até 2/3 . Vcc (2/3 x 9 = 6V) através dos resistores de 10k e 2M2 e descarrega-se até 1/3 . Vcc (1/3 x 9 = 3V) através do resistor de 10k. Este circuito atua como controlador de frequência do pulso.
Já o primeiro 74LS121, um multivibrador monoestável, exibe uma só condição de estabilidade: atua como controlador de posição do pulso. Constitui-se de um elemento tal que, quando se aplica um pulso à sua entrada, a saída fica alta durante um intervalo de tempo que é determinado por uma constante de tempo RC. Nessa montagem, o monoestável é excitado por pulsos positivos vindos do Cl 555. O CI 74LS121 é capaz de produzir pulsos de até 4Ons.
A variação da posição do pulso é feita por P3, do mesmo modo que a variação da frequência do pulso é feita por P1. A mesma análise vale para o segundo 74LS121, que atua como um controlador de largura do pulso. A largura é dada por:
Lp = 1n2 . C2 . P3 = 0,693C2.P3(s)
Como a corrente fornecida na saída do 74LS121 é muito baixa - necessitamos de correntes da ordem de 100mA - há necessidade de se usar dois transistores na configuração Darlington. Com isso a corrente no laser pode ser calculada por:
I = [ ( Vcci – 0,7 – 0,7 ) / R ] (A)
I = [ (Vcci – 1,4 ) / R ] (A)
já que a resistência do laser pode ser desprezada.
Os transistores funcionam aqui como um "driver" de corrente, isto é, fornecem a corrente necessária para operar o laser. Os valores típicos das grandezas do pulso, para um laser operar em regime pulsado, são:
- largura aproximada: 200ns;
- frequência: 1 kHz;
- amplitude: 100 e 200mA.
5. APLICAÇÕES
O circuito apresentado permite a obtenção de um pulso de luz invisível - o laser semicondutor emite na faixa do infravermelho - coerente e de baixo custo (*). Usando como circuito receptor um fotodetector, e como meio de transmissão o ar, teremos o circuito utilizado em portas de elevadores e sistemas de alarme.
Pode-se também utilizá-lo como instrumento básico para se obter a curva característica de lasers semicondutores, bem como seu espectro de emissão.
(*) No momento da edição deste artigo, recebíamos do Japão a informação de lançamento dos primeiros lasers semicondutores com emissão dentro do espectro visível.
