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Hoje, vou falar sobre o que acontece na outra extremidade de uma fibra óptica: os detectores. Detectores ópticos , como o nome indica, detectam a quantidade de luz recebida. Nossos próprios olhos funcionam como detectores, pois recebem informações luminosas através da retina e transmitem esses dados para o cérebro. No espectro da luz visível, nossos olhos são excelentes detectores para inspecionar rupturas na fibra ou vazamentos de luz. No entanto, a maioria das fibras ópticas opera no espectro de comprimentos de onda invisíveis, onde os olhos humanos não conseguem enxergar. É aí que entram os detectores ópticos.
Efeito fotoelétrico
É impossível explicar o funcionamento dos detectores ópticos sem mencionar o efeito fotoelétrico.
Este fenômeno foi observado pela primeira vez pelo cientista alemão Heinrich Hertz, que apenas publicou suas observações. Foi Albert Einstein quem posteriormente estudou esse efeito e quantificou a energia luminosa discreta como fótons em um de seus famosos artigos que lhe renderam o Prêmio Nobel em 1921. Fotodiodos e fotomultiplicadores a vácuo aproveitam essa tecnologia e podem converter o sinal luminoso de volta em sinais elétricos. Um parâmetro crítico para caracterizar o detector é a responsividade. Ela é a razão entre a corrente elétrica de saída e a potência óptica de entrada, com unidade de A/W.
Por fim, compararemos a capacidade de resposta de diferentes detectores e faremos a escolha mais adequada com base em cada aplicação.
Fotodiodo e fotomultiplicador a vácuo
Um fotodiodo a vácuo (ou fototubo) é composto principalmente por um cátodo e um ânodo. Quando o cátodo detecta fótons, elétrons são emitidos de acordo com o efeito fotoelétrico, e a corrente elétrica passa pelo circuito, uma vez que os elétrons são atraídos para o ânodo. O esquema a seguir mostra como funciona um fotodiodo a vácuo².
A limitação de uma válvula eletrônica é que ela é fisicamente muito grande e opera em uma faixa de comprimento de onda inferior à necessária para comunicação por fibra óptica. Outro problema é a alta tensão necessária para alimentá-la. A responsividade típica de um fotodiodo a vácuo é da ordem de mA/W.
O fotomultiplicador, por outro lado, funciona de forma mais eficiente devido ao seu mecanismo de ganho integrado. Além do ânodo e do cátodo, ele também possui uma série de "dínodos" para acelerar os elétrons. A ilustração a seguir mostra o circuito simplificado de um fotomultiplicador³.
Assim como em uma válvula eletrônica, os elétrons são irradiados após os fótons serem absorvidos pelo cátodo. No entanto, os elétrons emitidos são atraídos por dinodos intermediários que possuem alta voltagem. A grande vantagem dos dinodos é que, mesmo quando apenas um elétron é atraído por eles, mais de um elétron pode ser emitido. Isso é chamado de emissão secundária, causada pela alta energia cinética dos elétrons. Cada elétron se multiplica após atingir um dinodo, causando uma série de multiplicações que, eventualmente, levam à amplificação do sinal elétrico.
O ganho em cada dinodo é de cerca de 5, portanto, se houver 3 dinodos no tubo, o aumento total será de 125 (5x5x5). Na realidade, normalmente existem de 5 a 10 dinodos em cada fotomultiplicador, então o ganho real é da ordem de milhões. Os tubos fotomultiplicadores são de alta velocidade, mas também consomem centenas de volts para alimentar cada dinodo. São pesados e grandes, quase do tamanho de uma granada de mão. Infelizmente, os fotomultiplicadores não são adequados para comunicações por fibra óptica.
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