Para cada longitud de onda $\lambda$ del haz de luz incidente I0I_0I0​ que pasa a través del material, la intensidad del haz de luz $I$ se atenúa debido a la dispersión y los mecanismos de absorción. La Ley de Lambert describe la transmisión y absorción de luz de la siguiente manera:

donde:

• α es el coeficiente de absorción (en m⁻¹), que es una función de $\lambda$,
• $L$ es la longitud del material a través del cual la luz ha pasado.

Esta fórmula indica que la intensidad de la luz disminuye exponencialmente con el aumento de la longitud del material y el coeficiente de absorción.

Fotoconductividad y efecto fotoeléctrico

Fotoconductividad: Es un fenómeno optoelectrónico en el que un material se vuelve más conductor de electricidad debido a la absorción de radiación electromagnética, como la luz. Al absorber la luz, el material experimenta un aumento en la movilidad de los portadores de carga, mejorando su conductividad eléctrica.

Efecto fotoeléctrico: Muchos metales emiten electrones cuando la luz incide sobre ellos. En el proceso de fotoemisión, si un electrón en un material absorbe la energía de un fotón y adquiere suficiente energía para superar la función de trabajo del material, el electrón se emite del material.

Albert Einstein recibió el Premio Nobel en 1921 por sus investigaciones sobre el efecto fotoeléctrico. La energía necesaria para arrancar un electrón del material se llama la función de trabajo del metal, $\varphi$.

Emisión de un fotón: Cuando un electrón cae a un nivel de energía inferior y se encuentra con un hueco, se libera energía en forma de un fotón. La longitud de onda de la luz emitida depende de la banda prohibida del material semiconductor. La luz se emite en múltiplos de una unidad de energía mínima, que es la energía del fotón.

Dispositivos Optoelectrónicos y Sensores

LEDs: LEDs (Light-emitting diodes/diodos emisores de luz) son diodos semiconductores
que emiten luz incoherente de espectro reducido cuando la unión pn está polarizada.

La banda de conducción (CB), que normalmente está vacía en los semiconductores, se llena con electrones inyectados a través de la corriente en la unión. Como se explicó en el capítulo 4, cuando un electrón se encuentra con un hueco (se recombina), cae a un nivel de energía más bajo y libera energía en forma de un fotón. Este mecanismo es el que permite que los LEDs emitan luz. Si un electrón puede realizar la transición a un nivel de energía inferior por sí mismo, el proceso de emisión de fotones se denomina emisión espontánea.

La luz se genera cuando los electrones se recombinan con los huecos, y la longitud de onda de la luz emitida depende de la banda prohibida del material semiconductor. A continuación, se presenta una tabla que muestra los colores asociados a las longitudes de onda de la luz emitida por los LEDs fabricados con diferentes materiales semiconductores.

Los LEDs fabricados con semiconductores que tienen una banda prohibida directa (gap directo) emiten más luz que aquellos hechos con semiconductores de banda prohibida indirecta (gap indirecto).

Diodos láser (LDs)

El término “láser” se refiere a la amplificación de luz mediante emisión estimulada. En este proceso, la energía de un fotón entrante, E = hν, induce la emisión de un fotón al hacer que un electrón pase a un nivel de energía inferior. Esto genera una amplificación de fotones: un fotón entrante produce dos fotones salientes que mantienen la misma dirección, longitud de onda y fase.

A diferencia de los LEDs, que funcionan mediante emisión espontánea, los LDs (diodos láser) operan bajo el principio de emisión estimulada.

Para conseguir amplificación de luz a través de emisión estimulada, es esencial que la probabilidad de emisión de fotones supere la probabilidad de absorción en el rango espectral correspondiente. La luz se amplifica y se genera el efecto láser cuando la emisión estimulada domina. Esto ocurre cuando la probabilidad de que un electrón se encuentre en la banda de conducción (CB) es mayor que en la banda de valencia (VB), lo cual se da en presencia de una inversión de población. La inversión de población se logra cuando la diferencia entre las energías de Fermi de los electrones (EFN) y los huecos (EFN) excede la banda prohibida (Eg). Para alcanzar esta condición, se debe bombear energía al semiconductor en forma de corriente eléctrica. Así, al inyectar una corriente umbral, el semiconductor entra en un estado de inversión de población.

Las cavidades ópticas, como los resonadores Fabry-Perot (FP) o los reflectores Bragg distribuidos (DBRs), alojan el láser entre dos superficies reflectoras y se utilizan como resonadores ópticos. En estado estacionario, hay oscilaciones electromagnéticas (EM) dentro de la cavidad óptica, que se reflejan en sus superficies. La cavidad óptica tiene ejes perpendiculares al flujo de corriente, y en cada reflexión, la onda se transmite parcialmente a través de las superficies reflectoras. La oscilación láser comienza cuando la amplificación es igual a las pérdidas totales a través de los lados del resonador, la propagación en el medio y la absorción por el cristal.

Existen dos tipos principales de LDs: los de emisión por el borde (Edge Emitting) y los de emisión por superficie. Los LDs de emisión por el borde tienen emisiones más anchas y astigmáticas, mientras que los LDs de emisión por superficie producen un haz más estrecho. Los láseres de cavidad vertical (VCSELs) tienen una región activa muy corta y emiten luz en una dirección perpendicular a la región activa. Los VCSELs permiten comunicaciones de datos a velocidades de hasta 10 Gbps.

Un modulador electroóptico (EOM) es un dispositivo que controla la potencia, fase o polarización de un rayo láser mediante una señal de control eléctrica.

Los LDs son el tipo más común de láser y se utilizan en una amplia gama de aplicaciones. Su pequeño tamaño, bajo costo relativo y larga vida útil los hacen ideales para diversas aplicaciones, como comunicaciones ópticas, lectores de códigos de barras, punteros láser, lectores y grabadores de discos CD/DVD/Blu-ray, escáneres láser e impresoras o fuentes de luz direccional.

Fotodiodos (PDs)

Un fotodiodo es un componente semiconductor que transforma la luz en corriente eléctrica. La corriente se produce cuando los fotones son absorbidos por el fotodiodo. Este dispositivo se basa en una estructura de unión p-n o p-i-n. Cuando un fotón con suficiente energía impacta el fotodiodo, excita un electrón, generando un electrón libre y un agujero con carga positiva.

Células Solares

Una célula solar es un dispositivo fotovoltaico (PV) que convierte la luz recibida en energía eléctrica. Estas células solares, que utilizan semiconductores, pueden estar formadas por uniones p-n individuales, heterouniones o múltiples uniones. Los semiconductores más comunes empleados en la fabricación de células solares son el silicio (Si) y el arseniuro de galio (GaAs). La eficiencia de una célula solar se define como la proporción entre la máxima energía eléctrica generada y la potencia total de la luz incidente.

Amplificadores Ópticos

Para transmitir señales a largas distancias (más de 100 km), es necesario compensar las pérdidas de atenuación que ocurren en la fibra óptica, que es el canal de transmisión óptico. Este es el propósito de los amplificadores ópticos. Las pérdidas típicas en fibras ópticas de 1,5 micras son aproximadamente de 0,2 dB/km. Aunque es posible convertir la señal óptica en una señal eléctrica, utilizar amplificadores electrónicos convencionales para compensar las pérdidas y luego reconvertir la señal a óptica, estas conversiones requieren componentes electrónicos de alta velocidad que son costosos.

Fibra Óptica: Principios de Funcionamiento y Clasificación; Modos de Propagación; Cristales Fotónicos

Actualmente, la fibra óptica es el medio de comunicación más empleado en las comunicaciones ópticas. Este capítulo presenta las principales características de las fibras ópticas para entender sus ventajas en comparación con los canales de comunicación tradicionales. Estas fibras se utilizan en aplicaciones que van desde grandes redes troncales de telecomunicaciones hasta sistemas Ethernet, distribución de banda ancha y redes de datos de alta calidad.

La fibra óptica es un filamento flexible y transparente hecho de vidrio (sílice) o plástico, con un grosor ligeramente superior al de un cabello humano. Se emplea principalmente para transmitir luz y es ampliamente utilizada en telecomunicaciones.

Se prefieren las fibras ópticas como canales de comunicación debido a su alta capacidad de ancho de banda, velocidades de datos en gigabits por segundo (Gbps) y su eficiencia en la transmisión. Es posible multiplexar miles de canales en una sola fibra. Además, las fibras ópticas presentan una atenuación muy baja, alrededor de 0,2 dB/km, y un costo relativamente bajo. Estas características las hacen ideales para comunicaciones a largas distancias.

En el centro de la fibra, por donde viaja la luz, se encuentra el núcleo, que es el componente de cristal fino. El material óptico exterior que rodea el núcleo y que refleja la luz de vuelta hacia él se denomina revestimiento. Por último, una capa externa o chaqueta protege la superficie óptica de la fibra.

Aplicaciones optoelectrónicas

Las aplicaciones de la optoelectrónica son diversas y abarcan múltiples industrias. Aquí tienes algunas de las más destacadas:

1. Telecomunicaciones:
   • Fibra óptica: Transmisión de datos a alta velocidad y largas distancias, como en Internet y redes de telecomunicaciones.
   • Redes de comunicación óptica: Utilizan láseres y fotodetectores para transmitir información a través de cables de fibra óptica.
2. Electrónica de consumo:
   • Pantallas: LEDs y OLEDs se utilizan en televisores, teléfonos móviles, y monitores.
   • Cámaras y sensores de imagen: Incluyen fotodiodos y sensores de imagen para capturar y procesar imágenes.
3. Medicina:
   • Equipos de diagnóstico: Como los endoscopios y los sistemas de imágenes médicas que utilizan láseres y cámaras.
   • Tratamientos: Láseres utilizados en cirugía ocular y tratamientos dermatológicos.
4. Industria:
   • Automatización: Sensores ópticos para el control de procesos y la automatización industrial.
   • Inspección: Sistemas de visión por computadora para inspección y control de calidad.
5. Defensa y seguridad:
   • Sistemas de visión nocturna: Utilizan tecnologías de detección óptica para la observación en condiciones de baja luz.
   • Sistemas de comunicación seguros: Transmisión de datos encriptados a través de fibra óptica.
6. Tecnología de consumo:
   • Dispositivos de realidad aumentada (AR) y realidad virtual (VR): Utilizan pantallas y sensores ópticos para crear experiencias inmersivas.
   • Sistemas de reconocimiento facial y huellas dactilares: Emplean cámaras y sensores ópticos para la autenticación biométrica.

7. Ciencia y investigación:

   • Instrumentación científica: Espectroscopios y microscopios ópticos que permiten la observación y análisis detallado de muestras.