Optoeletrónica
Código
11048
Unidade Orgânica
Faculdade de Ciências e Tecnologia
Departamento
Departamento de Ciências dos Materiais
Créditos
6.0
Professor responsável
Pedro Miguel Cândido Barquinha, Rodrigo Ferrão de Paiva Martins
Horas semanais
5
Total de horas
126
Língua de ensino
Inglês
Objectivos
A disciplina de Optoelectrónica pretende dar as ferramentas necessárias aos alunos de mestrado em engenharia de materiais sobre a forma de selecção de materiais para a optoelectrónica, a forma de concepção e fabricação de dispositivos e a sua integração em sistemas mais complexos. Privilegiará, por isso, uma abordagem marcadamente aplicada, procurando sempre assegurar a identificação dos temas estudados com sistemas físicos reais, de forma que o aluno médio seja capaz de identificar com facilidade possíveis aplicações tecnológicas.
Metodologia
Tendo em vista os objectivos e os resultados esperados, as metodologias propostas resultam de um compromisso entre uma exposição mais conceptual e uma abordagem mais centrada nas aplicações, procurando-se evitar abordagens demasiado abstractas, muitas vezes desligadas da realidade tecnológica presente ou conjecturável. Para o efeito recorrer-se-á a exemplos práticos associados à Investigação que se realiza nesta área.
Com vista a fomentar uma atitude reflexiva e critica acerca dos assuntos recorrer-se-á, sempre que apropriado, análises do tipo "intuitivo e técnico", a que se associa os conceitos e científicos inerentes à avaliação de resultados experimentais ou a experiências conceptuais. Pretende-se ainda, de forma complementar, que o aluno reforce a sua experiência de trabalho em equipa e que o contraditório seja fortalecido nas discussões e que se potenciem atitudes empreendedoras, através da realização de sessões de discussão de alguns dos temas tratados nas aulas, ou que os alunos tenham acesso, por leitura de revistas ou artigos da especialidade.
A leccionação compreenderá aulas teóricas, aula de índole teórico-práticas e aulas laboratoriais. Nas sessões teóricos recorrer-se-á a apresentações, animações, simulações, sempre que apropriado, e a outros meios audiovisuais para a exposição dos conteúdos, usando o quadro, sempre que necessário, para pequenas demonstrações e para esclarecimentos, por forma a procurar diminuir a diferença entre o que se pretende ensinar e o que é realmente assimilado. Esta abordagem é particularmente crítica porque alguns dos conceitos e fenómenos estão distantes das nossas concepções intuitivas sobre a natureza, sendo, por isso, de mais difícil compreensão e explicação. A metodologia pretende reforçar a formação do estudante, através do uso recorrente à construção e reformulação de modelos conceptuais, enfatizando os aspectos relevantes que devem ser considerados.
Nas aulas teórico-práticas procurar-se-á promover actividades e métodos de trabalhos que desenvolvam e explorem a capacidade crítica do estudante através da auto-descoberta, do confronto de ideias sobre as concepções/modelos científicos estudados, pela demonstração e pela resolução de exercícios práticos.
Nas aulas laboratoriais os alunos produzirão todo um dispositivo, que será integrado num protótipo de demonstração. Os trabalhos de laboratório envolvem: projecto e produção de um circuito envolvendo LEDS; produção de uma matriz passiva electrocrómica; produção e integração de transístores de filme fino (óxido e silício) com um sistema de comutação simples; produção de uma célula solar. Dependendo do número de alunos cada trabalho laboratorial poderá ser realizado por dois ou três alunos, no máximo.
Em todas as sessões presenciais procurar-se-á acompanhar e avaliar a qualidade do trabalho e o grau de autonomia dos alunos, de forma a reconhecer atempadamente as dificuldades resultante da acumulação de assuntos não assimilado e/ou da deficiente compreensão dos mesmos.
Pré-requisitos
Conhecimentos básicos de electromagnetismo, Cálculo diferencial, Materiais Semicondutores; Microelectrónica.
Conteúdo
1. Introdução à Optoelectrónica.
Fundamentos da Optoelectrónica. Revisões sobre campo electromagnético e a natureza da luz; de óptica geométrica e de óptica ondulatória; de polarização, interferência, difracção e coerência.
2. Lasers e Díodos emissores de Luz
Interacção da radiação com a matéria. Transições atómicas induzidas opticamente; absorção e emissão espontâneas; alargamento espectral homogéneo e não-homogéneo; transições induzidas; absorção e emissão estimulada; amplificação; saturação do ganho; meios não-lineares; geração de segundo harmónico; amplificação paramétrica; oscilação paramétrica. Materiais ópticos e optoelectrónicos. Tubo fotomultiplicador; detectores fotocondutivos; fotodíodos e fotodíodos de avalanche; painéis fotovoltaicos. Cavidades Fabry-Perot. Lasers Fabry-Perot; sistemas laser de dois e três níveis; equações das taxas; lasers monomodo e multimodo; exemplos de sistemas laser reais; operação "mode-locking" e "Q-switching"
3. Díodos emissores de Luz
Junções p-n; ganho e absorção em meios semicondutores; díodos emissores de luz; Díodos emissores de luz orgânicos. .
4. Fibras ópticas e óptica integrada.
Caracterização de fibras ópticas. Modos de funcionamento de uma fibra ótpcia. Ruído associada à transmissão de sinal; Propagação de luz em meios isotrópicos e anisotrópicos; propagação em fibras ópticas, em guias de onda dieléctricos e em guias de onda periódicos; acoplamento de modos; redes de Bragg em fibra e em guias de onda; acopladores direccionais. Guias de onda em canal. Métodos numéricos de simulação de propagação e guiagem de radiação electromagnética. Propagação de pulsos ópticos e dispersão. Modulação directa de lasers; efeitos de electro-refracção e electro-absorção; moduladores ópticos; divisores de feixe; comutadores ópticos; circuladores ópticos. Circuitos ópticos integrados; integração híbrida e integração monolítica. Técnicas de fabricação e caracterização de guias de onda e de circuitos ópticos integrados. Transmissores e receptores ópticos e sistemas de comunicação por fibra óptica.
4. Sistemas de baixa dimensionalidade, nanopartículas e aplicações.
Confinamento de fotões e electrões. Efeitos de túnel óptico e electrónico. Efeitos da redução da dimensionalidade. Estruturas meso e nanoscópicas. Interacções ópticas à nanoescala. Propriedades óptica resultantes do confinamento quântico. Super-redes cristalinas. Dispositivos baseado em transições intrabanda. Lasers de cascata quântica. Lasers e LEDs baseados no sistema III-N. Lasers e LEDs de pontos quânticos. Confinamento quântico em estruturas orgânicas. Tubos de carbono. Emissores de nanotubos de carbono. Detectores baseados em fios quânticos, pontos quânticos e nanotubos de carbono. Nanopartículas metálicas. Dispositivos baseados em pontos quânticos e nanopartículas metálicas. Painéis fotovoltaicos incorporando nanopartículas. Nanoemissores de luz; LEDs e OLEDs nanofotónicos; nanolasers; amplificadores ópticos. Manipulação de nanopartículas usando feixes laser; pinças ópticas. Nanopartículas para diagnósticos ópticos.
6. Cristais fotónicos.
Conceitos básicos e propriedades. Métodos de fabricação. Bandas fotónicas; hiatos fotónicos; defeitos em cristais fotónicos; cristais fotónicos não-lineares; localização da luz; controle da dispersão, redução da velocidade de grupo e armazenamento da luz; IGNOREes ópticas de alta-eficiência. Guias de onda e fibras ópticas microestruturadas com cristais fotónicos. Fabricação de fibras de guias de onda e fibras com cristais fotónicos. Aplicações de cristais fotónicos nas comunicações e em sensores.
8 Tecnologias e técnicas de fabricação e caracterização.
Técnicas de processamento de dispositivos da optoelectrónica. Síntese de nanopartículas. Nanoimpressão. Técnicas de caracterização baseadas em raios-x; microscopia electrónica de varrimento; microscopia de força atómica.
9 Sistemas da Optoelectrónica.
Fontes de luz sintonizáveis compactas; ecrãs flexíveis de grande área, dispositivos de armazenamento de dados de muito alta densidade, dispositivos/materiais fotovoltaicos; sistemas de detecção térmica e espectroscópica para vigilância; sistemas não evasivos de recolha de informação sobre alteração física de materiais (temperatura, vibração, compressão, etc.); sistemas de imagem no infravermelho e visão nocturna de grande sensibilidade.
Bibliografia
Livros de texto recomendados:
- Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices,, Safa O. Kasap, Prentice Hall, ISBN-10/13: 0201610876 (Amazon)
- Optoelectronics, Emmanuel Rosencher, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-77129-0/8 (Amazon)
Nanophotonics, Paras N. Prasad, Wiley-Interscience (2004): http://www.filesonic.com/file/1256850894/sharebookfree.com_477405934.rar
Método de ensino
O ensino da disciplina reparte-se por aulas téoricas, teórico-práticas e de laboratório, presenciais. para além disso, existe ensino tutorial, de acompnhamento dos alunos, sujeita a avaliação, por discussão oral.
Método de avaliação
Tipologia da disciplina de acordo com o novo perfil curricular da FCT UNL: Avaliação positiva em todas as vertentes.
Tipo A, 5 Trabalhos de Laboratório em grupo, com 2 relatórios (envolvendo respostas a notas dos trabalhos executados) e sua discussão individual (40% +20%); 2 mini-testes (30%+10% disucssão).
Para a obtenção de frequência é obrigatória a realização de todos os trabalhos de laboratório e pelo menos assistir a 90% das aulas práticas e teórico-práticas. Durante as aulas teóricas os alunos farão discussão sobre tópicos pelos quais são avaliados, contando com uma percentagem de 10% a incluir na componente de mini testes. Para além disso, existe um bónus extra de 1 valor a todos os alunos que frequentarem mais de 95% das aulas teóricas (limite inferior: 70%)
1º Teste 28 Nov (quarta)
2º Teste 22 Dez (sábado)
Trabalhos de grupo
Muito embora esta disciplina tenha no seu programa a realização de 4 trabalhos práticos, para efeitos de avaliação, os alunos realizarão em laboratório um conjunto de cinco trabalhos.