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FOTÓNICA

Ano lectivo 2003/2004. FOTÓNICA. Responsável - Prof. Carlos Paiva. Física – vs – Matemática.

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FOTÓNICA

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Presentation Transcript

  1. Ano lectivo 2003/2004 FOTÓNICA Responsável - Prof. Carlos Paiva

  2. Física – vs – Matemática “I submit that the common denominator of teaching and research is learning – learning by students on the one hand – learning by scientists on the other. (...) I am skeptical of claims that (courses with names like ‘Conceptual Physics’) are successful in teaching physics concepts without mathematics.” DAVID HESTENES

  3. Ciência – vs – Indústria “Récemment, j’ai entendu un collègue de l’Académie vanter les mérites de sa discipline en faisant état du chiffre d’affaires réalisé en France par le secteur industriel correspondant: argument, selon mon propre point de vue, tout simplement monstrueux et m’amenant à souhaiter une ségrégation plus nette entre science proprement dite et ses applications technologiques.” RENÉ THOM

  4. Ciência – vs – Obscurantismo “With or without religion, good people can behave well and bad people can do evil; but for good people to do evil – that takes religion.” STEVEN WEINBERG

  5. Mailing list Enviar um e-mail para c.paiva@ieee.org em branco contendo apenas o seguinte: • Subject: Mailing list de Fotonica

  6. Objectivos ( L /M ) • Conceitos fundamentais da fotónica • espaço-tempo de Minkowski • electrodinâmica relativista • fotões em mecânica quântica • métodos variacionais • fibras ópticas e EDFAs • lasers semicondutores • solitões em fibras ópticas • meios anisotrópicos • Simulação numérica • trabalhos de grupo

  7. Corpo docente Carlos R. Paiva Professor Associado do IST Investigador doutorado do IT

  8. URL: https://fenix.ist.utl.pt/publico/viewSiteExecutionCourse.do?method=firstPage&objectCode=36545 Carlos Paiva : http://193.136.221.2/person_detail_p.asp?ID=17 c.paiva@ieee.org

  9. Programa • Capítulo 1 – Introdução • Capítulo 2 – Electrodinâmica relativista • Capítulo 3 – Introdução aos métodos variacionais • Capítulo 4 – Os fotões em mecânica quântica • Capítulo 5 – Teoria elementar da dispersão • Capítulo 6 – Cavidades ópticas • Capítulo 7 – Lasers semicondutores • Capítulo 8 – Fibras ópticas • Capítulo 9 – Fibras amplificadoras dopadas com érbio • Capítulo 10 – Solitões em fibras ópticas • Capítulo 11 – Meios anisotrópicos e efeito electro-óptico • Capítulo 12 – Feixes ópticos

  10. Bibliografia Apontamentos da autoria do professor responsável cobrindo todo o programa da disciplina

  11. Teorema de Pitágoras (geometria euclidiana)

  12. Teorema de Pitágoras (geometria de Minkowski)

  13. Teorema de Pitágoras (geometria de Minkowski)

  14. Old wine in new bottles ? “I wish to create the impression in my readers that the true mathematical structure of theses entities will appear only now, as in a mountain landscape when the fog lifts”. Arnold Sommerfeld

  15. Mecânica Quântica (1) A mecânica quântica e a teoria da relatividade são os dois pilares fundamentais da física Um dos problemas fundamentais da física contemporânea consiste precisamente em encontrar uma teoria que consiga integrar a teoria da relatividade geral com a mecânica quântica numa TOE (theory of everything) – se é que uma tal teoria é possível... • Na mecânica quântica há que considerar que • a radiação tem aspectos corpusculares • a matéria tem características ondulatórias • todas as quantidades físicas são discretas (quantificadas)

  16. Mecânica Quântica (2) Os fotões são partículas de massa nula, portadores da energia electromagnética (i.e., o fotão é o quantum de radiação electromagnética) Os fonões são as partículas portadoras da energia sonora (i.e., o fonão é o quantum de radiação sonora) Os gravitões são partículas de massa nula, portadoras da energia gravitacional (i.e., o gravitão é o quantum de radiação gravitacional) Os gluões são as partículas portadoras da interacção nuclear forte (i.e., o gluão é o quantum da força nuclear forte)

  17. Fotão

  18. As quatro interacções físicas

  19. Avaliação de conhecimentos • Componentes: • 2 datas de exame final + 2 trabalhos de avaliação contínua • Nota final: F = 0.75 E + 0.25 T • Orais obrigatórias para F > 16 (quem não for à oral fica com 16) • Grupos ( para os trabalhos ): até 3 aluno(a)s • Todos os trabalhos têm peso igual • Entrega dos trabalhos: • até 15 dias após o fim da última aula teórica sobre a matéria correspondente ao trabalho • Notas mínimas: • nos exames: 8 valores • nos trabalhos: não há • Não se guardam notas de/para outros anos lectivos

  20. Avaliação de conhecimentos (via alternativa) Proposta alternativa para quatro grupos individuais (ou de duas pessoas) - um único trabalho de avaliação (nível físico-matemático acima da média): • Formulação variacional da electrodinâmica relativista • Formulação da electrodinâmica relativista usando a álgebra geométrica (de Clifford) • Formulação da electrodinâmica relativista usando as formas diferenciais • Fundamentos da electrodinâmica quântica

  21. Termos comparativos • Electrónica • geração, detecção, transmissão e controlo de electrões • Fotónica • geração, detecção, transmissão e controlo de fotões • Optoelectrónica[ capítulo da Fotónica ] • conversão de electrões em fotões – ( lasers semicondutores ) • conversão de fotões em electrões – ( fotodetectores ) • interacção entre fotões e electrões – ( efeito electro-óptico )

  22. Evolução científica da Óptica (1) • Óptica Geométrica • teoria de raios • Fermat (1601-1665) e Newton (1642-1727) • Óptica Ondulatória • teoria de ondas • Huygens (1629-1695) e Young (1773-1829) • Óptica Electromagnética • equações de Maxwell + teoria da relatividade restrita • Maxwell (1831-1879) e Einstein (1879-1955) • Óptica Quântica ou QED (Quantum Electrodynamics) • mecânica quântica relativista • Feynman (1918-1988)

  23. Evolução científica da Óptica (2)

  24. Óptica Electromagnética - 1 • A formulação clássica (i.e., não quântica) da Óptica deve-se a James Clerk Maxwell (1831-1879) • Consultar o “site”: http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/history/Mathematicians/Maxwell.html

  25. Óptica Electromagnética - 2 • A formulação clássica da Óptica ganha uma interpretação mais correcta com a teoria da relatividade de Albert Einstein (1879-1955) • Consultar o “site”: http://www.aip.org/history/einstein/

  26. Óptica Quântica • A formulação mais rigorosa da Óptica deve-se à Electrodinâmica Quântica fundada (entre outros) por Richard P. Feynman (1918-1988) • Consultar o “site”: http://broccoli.caltech.edu/~archives/bios/FeynmanRP.html

  27. Massa = Energia ?

  28. Da Óptica à Fotónica • Laser (1960) • Lasers semicondutores (1962) • Fibras ópticas de baixas perdas (1970) • Sistemas de comunicação óptica (1980) • Observação experimental de solitões ópticos (1980) • Efeito de Gordon-Haus (1986) • Fibras amplificadoras dopadas com érbio (1989) • Transmissão controlada de solitões (1991/92) • Sistemas WDM a 40 Gb/s (1996) • Experiências com solitões a 5.4 Tb/s (2000) • Instalação com 64 canais WDM a 2.56 Tb/s (2002)

  29. Fibras Ópticas • A viabilidade dos sistemas de comunicação óptica deve-se às fibras ópticas de baixas perdas (0.16 dB/km na terceira janela) • A firma Corning Incorporated (http://media.corning.com)foi a pioneira no fabrico das fibras ópticas de muito baixas perdas

  30. Sistemas de Comunicação Óptica ( 1980 - 2004) • 1.ª Geração • Fibras multimodais operadas na 1.ª janela (0.8 m) • 2.ª Geração • Fibras monomodais operadas na 2.ª janela (1.3 m); 0.5 dB/km • 3.ª Geração • Fibras monomodais operadas na 3.ª janela (1.55 m); 0.2 dB/km • 4.ª Geração • Sistemas multicanal ou WDM com EDFA’s (Banda C: 1.53μm – 1.57μm) • 5.ª Geração • Sistemas WDM com gestão da dispersão e amplificação óptica ( solitões ? )

  31. Fibras amplificadoras dopadas com érbioEDFA = erbium-doped fiber amplifier • Fibra óptica dopada com iões de érbio [ 152.4 x 78.7 x 9.5 mm ] • Amplificador laser fotónico ( all-optical ) da terceira janela

  32. Revistas científicas de interesse • Optical Society of America (OSA) • Optics Letters • Journal of the Optical Society of America B • Optics & Photonics News • The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. (IEEE) • Journal of Lightwave Technology • IEEE Photonics and Technology Letters • IEEE Journal of Quantum Electronics • IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics • Outras • Microwave and Optical Technology Letters • Optical Fiber Technology

  33. Lasers Semicondutores • Em Novembro de 1999 uma equipa de investigadores, a trabalhar nos Bell Labs da Lucent Technologies (em Holmdel, N.J., USA), desenvolveu um único laser ultra-rápido capaz de transmitir cerca de 1022 canais (com uma separação de 10GHz). Trata-se de um laser pronto a operar em sistemas de comunicação óptica UDWDM (ultra-dense wavelength-division multiplexing).

  34. Atenuação em fibras ópticas

  35. Transmissão digital em fibras ópticas (1) • Os investigadores Yan Sun e Atul Srivastava, dos Bell Labs, demonstraram (Outubro 1998) a transmissão em fibra óptica a um ritmo binário de 1 Tb/s (100 canais WDM a 10 Gb/s) para uma distância de 100 km

  36. Transmissão digital em fibras ópticas (2)

  37. Solitões • Em Julho de 1995 uma reunião internacional de cientistas testemunhou a recriação da famosa observação de John Scott Russell (1845) em Union Canal (Edinburgh)

  38. Solitões em fibras ópticas Linn F. Mollenauer (na fotografia com Kevin Smith) foi o primeiro cientista a observar experimentalmente a propagação de solitões em fibras ópticas (1980)

  39. Duas convenções (1):

  40. Duas convenções (2):

  41. Solitões em fibras ópticas:solitão fundamental

  42. Solitões em fibras ópticas:solitão de terceira ordem

  43. “Sites” científicos de interesse (1) • IEEEThe Institute of Electrical and Electronics Engineers – http://www.ieee.org • OSAOptical Society of America – http://www.osa.org • SPIEThe International Society for Optical Engineering –http://www.spie.org • EOSEuropean Optical Society – http://www.europeanopticalsociety.org

  44. “Sites” científicos de interesse (2) • American Institute of Physics – http://www.aip.org • Virtual Photonics –http://www.virtualphotonics.com/photonics_home.php • Cambridge University GA Research Group –http://www.mrao.cam.ac.uk/~clifford • Geometric Calculus R&D Home Page –http://modelingnts.la.asu.edu/GC_R&D.html • Differential Forms and Electromagnetic Theory – http://www.ee.byu.edu/ee/forms/forms_main.html

  45. Bibliografia Jean-Marc Lévy-Leblond, “One more derivation of the Lorentz transformation,” American Journal of Physics, Vol. 44, No.3, pp. 271-277, March 1976

  46. Bibliografia J. Hladik et M. Chrysos, Introduction à la Relativité Restreinte (Paris: Dunod, 2001)

  47. Bibliografia C. A. Brau, Modern Problems in Classical Electrodynamics (New York: Oxford University Press, 2004)

  48. Bibliografia G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems (New York: Wiley, 3rd ed., 2002)

  49. Bibliografia complementar David Hestenes, “Spacetime physics with geometric algebra,” American Journal of Physics, Vol. 71, No. 7, pp. 691-714, July 2003

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