Disertación ID42A

Materiales Fotónicos

María José

Alí Shen

Felipe Silva

Daniel Viera

El desafío de la información,

sistemas de comunicación eficientes

TECNOLOGÍA FOTÓNICA

Introducción

OBJETIVOS

Entender las características que los hacen diferentes

Evolución histórica

Propiedades

Ventajas con respecto a la Tecnología Eléctrica

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Radiación Electromagnética

Física Clásica: Una Onda

Mecánica Cuántica: Partícula

PROPIEDADES ÓPTICAS

Refracción: La dirección de propagación cambia o se desvía en la intercara

Reflexión: Parte de la luz se difunde en la intercara

R= Ir /I0 Fracción de luz incidente

Absorción: La radiación luminica se absorbe a través de tres mecanismos, Polarización electrónica y

dos mecanismos que implican transiciones electrónicas que dependen de la

estructura de bandas de En. Electrónica del material

APLICACIONES

Luminiscencia: Absorber energía y volver a emitirla en forme de luz visible

Fotoconductividad: Transiciones electrónicas inducidas por fotones en las cuales se absorbe luz así se generan transportadores de carga adicionales: Conductividad aumenta

Láseres: Amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación

Materiales Plásticos

• Capacidad de transmitir la luz, tomar color y disponer de brillo.

• Índice de Refracción de los Polímeros Industriales es del orden de 1,5

• Máxima transparencia se encuentran en los polímeros amorfos, libres de cargas e impurezas

• Se ven grandes diferencias en los valores de factores de transmisión entre polímeros.

Materiales Plásticos

• Recientes descubrimientos de comportamiento óptico no lineal en algunos polímeros ( carac. semiconductoras).

• Absorción de luz selectiva en los plásticos.

• En estado puro son generalmente incoloros. Para proporcionar color sin afectar transparencias se le agregan aditivos especiales llamados tintes y/o pigmentos.

• Como consecuencia de la absorción de la energía por las estructuras químicas que forman los polímeros, se forma una cierta degradación.

Materiales Plásticos

• Más importante por radiación ultravioleta que por luz visible.

• Puede afectar la estructura del material original, cambiando sus características mecánicas y químicas.

• Para proteger de este efecto perjudicial se adicionan pigmentos absorbentes.

• Aplicaciones: A veces como núcleo en una fibra óptica, debido a que no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles. Son altamente flexibles y más baratas.

Materiales Plásticos

• Son usadas en distancias más cortas.

• Se usan Poli ( metil metacrilato)

Vidrios

• Material por excelencia para usos ópticos.

• Para los vidrios comunes, el índice de refracción es de alrededor de 1.5, para la luz blanca.

• Índice varía con la longitud de onda. Disminuye al pasar del azul al rojo.

• Métodos para medir índice de refracción:

Método ABBE

Método de Inmersión

• Índice varía con temperatura y densidad.

Vidrios

• Elevada transparencia a la luz.

• Existen además vidrios coloreados que están asociadas a usos particulares. ( protección,etc..)

• La absorción varía según la longitud de onda de la luz incidente, según las sustancias presentes en la composición química del vidrio.

• En los vidrios al incidir la luz , parte se refleja, parte se transmite y parte se absorbe.

• Cuando n=1.5, el ángulo de reflexión total es aprox. 41º.

( Importante para fibras ópticas)

Vidrios

• Para un vidrio común se tiene que la reflectancia es de aproximadamente 0.04.

• Cuando R>8% ( vidrios reflejase y espejos), por medio de tratamientos químicos ( deposición de un metal), se pueden obtener R>90%. Cuando R<8% en ambas superficies, se tienen los vidrios antirreflejantes, utilizado en lentes fotográficas y otras aplicaciones.

• La luz pasará en parte a través del material, pero no totalmente, ya que interaccionará con los electrones más débilmente unidos.

Vidrios

• La transmisión en el ultravioleta depende de la presencia de electrones más o menos excitables.

• En la zona del espectro visible, la interacción entre la energía luminosa y los electrones es débil, y los vidrios comunes sódico-cálcicos presentan una elevada trasmitancia, cercana al 90%.

• La transmisión en la zona del infrarrojo, los vidrios silicatos comunes exentos de impurezas son ópticamente transparentes hasta aprox. 4,5 um. A partir de esta long.de onda se produce una fuerte absorción.

Vidrios

• Dispersión de la luz por inhomogeneidades en la masa del vidrio.

• Importante relacionar la absorción y transmisión de la luz con su composición y estructura.

• Aplicaciones:

Instrumental Óptico

Uso Oftalmológico

Filtros Ópticos

Espejos

Vidrios

• Conducción de la luz a través de Fibras Ópticas. Puesto que n del medio conductor es mayor que el del

medio circundante, se produce para ciertos valores del ángulo de entrada, el fenómeno de reflexión total en la superficie interna.

La luz recorre toda la varilla y emerge en el extremo opuesto. La luz recorre una trayectoria no recta.

El vidrio hace el papel de núcleo y cubierta. El diámetro es muy pequeño y las fibras se reunieron en haces.

Vidrios

• Fibras: se dividen en conductoras de luz, fabricadas con distintos tipos de vidrios ( sirven para iluminación, alarmas, procesamiento y codificación de información,etc.), conductoras de imagen, donde se requiere un alto grado de homogeneidad del vidrio para evitar distorsiones y perdidas de intensidad de luz ( endoscopía, imágenes ópticas, etc. ) y transmisión de comunicaciones, con uso de vidrios de extremada pureza y fabricados por procesos sofisticados ( problema con las pérdidas de fracción de luz que llega al extremo de la fibra).

Semiconductores

• Importancia de semiconductores del grupo III-V.

• Se caracterizan por permitir el proceso de recombinación por una estimulación electrónica.

• Aleaciones semiconductoras más ampliamente utilizadas son: Galio-Arsénido (GaAs) y Galio-Aluminio-Arsénido (GaAlAs).

• Aleaciones pueden absorber y emitir luz eficientemente en la región cercana al infrarrojo ( 800 a 1500 nm ).

• Ancho de banda puede ser ajustado variando la proporción de cada material.

Semiconductores

• Homoestructuras Semiconductoras:

Formadas especialmente por aleación GaAs.

Problemas con impurezas e imperfecciones que tienen efectos en la luz generada. Esto se puede solucionar con un proceso epitaxial líquido.

• Heteroestructuras Semiconductoras:

Formadas por aleaciones GaAs ( tipo n) y ( AlGa)As ( tipo p). Ambas tienen muy similares estructuras cristalinas.

Semiconductores

• Una de las ventajas de esta última es que existe una menor diferencia entre las bandas de valencia y conducción, que confina a los electrones a una región más pequeña. Por lo tanto existe una mayor recombinación radiactiva.

• Propiedades :

Como se dijo absorben luz en región ultravioleta.

Índice de Refracción mayor que en los anteriores

( cercanos a 3 y 4).

Historia

• La comunicación por fibra óptica es relativamente corta.

• Nueva utilización de la luz, denominada rayo láser.

• Al principio era muy limitada.

• Creación del canal de transmisión, conocido como fibra óptica.

Historia

• Se trata de una onda electromagnética.

• Misma naturaleza que las ondas de radio.

• Diferencia es la longitud de onda.

• Orden de la longitud de onda de la luz, es en micrómetros en lugar de metros o centímetros.

• La fibra óptica revoluciono los procesos de las telecomunicaciones.

• La fibra óptica son filamentos de vidrio de alta pureza.

• Extremadamente compactos.

• Fabricados a alta temperatura con base en silicio.

• Se regula por computadora (índice de refracción).

Historia

Funcionamiento

• El sistema básico se compone en el siguiente orden: señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica empalme, línea de fibra óptica, corrector óptico, receptor, amplificador y señal de salida.

Características

• Mayor velocidad de transmisión.

• Disminución en casi tu totalidad los ruidos e interferencias (electromagnéticas de radio-frecuencia).

• Compactas

• Ligeras

• Baja perdida de señal.

Características

• Seguras, se puede ocupar en alta tensión.

• Gran ancho de banda.

• Ejemplo: con un cable de seis fibras se puede transportar la señal de mas de cinco mil canales o líneas principales.

• Aplicaciones en telefonía, automatización industrial, televisión por cable, transmisión de información de imágenes astronómicas de alta resolución entre otros.

Características

• Comparado con el sistema convencional de cables de cobre donde la atenuación de sus señales es de tal magnitud que requieren de repetidores cada 2 km. para regenerar la transmisión. En el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos de hasta70 km..

Aplicaciones y Usos de Materiales Fotónicos

• Semiconductores Microlasers• Láser de Cascada Cúntica (QCL)• Diodo Laser de Emisión (LED)• Espejo Curvado Óptico no Lineal (NOLM)• Computador Óptico Total

Semiconductores Microlasers (1)

Historia:

• Desarrollado por Kenichi Iga y TIT

• Semiconductores ultra pequeños

• Emisión de rayos en forma perpendicular

• Empaquetados dentro de un chip

• Utilidad en los sistemas de comunicación óptico-eléctricos.

Semiconductores Microlasers (2)

Microlaser de Emisión Superficial:

• Estructura cilíndrica y columnar formadas por capas

• Región activa es un muro cúantico

• Se guardan los requerimientos de poder de laser

• Los fotones emitidos dan brincos entre las capas

• Los espejos deben ser muy refractarios (99%)

• Materiales activos tales como Arsénido de Galio y Arsénido de Aluminio.

Semiconductores Microlasers (3)

Características atractivas:

• Tamaño muy pequeño• Proceso muy elaborado • Se compensa por producción a gran escala• Estructura columnar concentra el haz de laser• Usa material activo como arsénido de galio • Emite más cercano a rayo infrarrojo• Comunica millones de mensajes al mismo tiempo• Procesa imágenes bidimensionales en forma óptica

Laser de Cascada Cúantica (QCL)

Historia:

• Ideado por Federico Copasso y los colegas de AT&T

• El color de laser es condicionado por partes componentes

• La emisión de laser depende de la inyección de electrones

Laser de Cascada Cúantica (QCL)

Funcionamiento:

• Secuencia de capas de semiconductores III-V dopados

• Tres muros cúanticos delgados de arsénido de galio indio

• Niveles de energía determinados por el espesor de muros

• Conforman escalera de tres pasos en cada celda de laser

• Los electrones son sumistrados por región de inyección

• Son recibidos en otra región recolectora

• Rayo laser de CQL determinado por diferencia de energías entre los muros

Laser de Cascada Cúantica (QCL)

Desventajas:• Necesita ser congelado -170C para operar

• Produce sólo pulsaciones de rayos no contínuos

Atractivos:• Permiten nuevos colores de rayo laser• Importancia de ingeniería física: alteración de espesor de muros

cúanticos• Se elimina influencia química: alteración de composición y la

banda de hueco en el medio activo

Espejo Curvado no Lineal (NOLM)

Funcionamiento:• Conmutador Fotónico: un haz controla a otro haz

• Efecto opto-eléctrico: índice refractario de un material es cambiado por un campo eléctrico aplicado

• NOLM es el más común

• El haz se parte en dos, enviado por curvados de fibras ópticas para ser reunificados

• Este conmutador es inducido por un haz de control

• El cambio de índice de refracción alterala relación de fases

Espejo Curvado no Lineal (NOLM)

Desventajas:• Aún se encuentra en laboratorio

• Dificultad en su tamaño (empaquetar kilómetros de fibras)

• No es barato ($10.000 dolares)

• Material crsitalinio NLO es dificil de desarrollar

• Se piensa en un sustituto tal como polímeros orgánicos

• En la actualidad, conmutador óptico total usa la NLO en las fibras de vidrios convencionales.