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Optoelectrónica – fotónica – sensores

Optoelectrónica

Es una rama de la fotónica que se ocupa del estudio y la aplicación de dispositivos electrónicos que interactúan con la luz, en sistemas donde coexisten electrones y fotones. Los dispositivos optoelectrónicos funcionan como transductores que convierten señales eléctricas en ópticas y viceversa.

Actualmente, la optoelectrónica se ha convertido en una tecnología emergente. El mercado global de la optoelectrónica ha estado creciendo a un ritmo del 30% anual desde 1992. Esta tecnología permite la generación, transmisión y manipulación de datos a velocidades muy altas. Sus aplicaciones principales se encuentran en el campo de las comunicaciones, como las comunicaciones por fibra óptica y los sistemas láser. Sin embargo, su alcance se extiende a la vida cotidiana, abarcando áreas como la informática, la comunicación, el entretenimiento, los sistemas de información óptica, la educación, el comercio electrónico, la vigilancia ambiental, la salud y el transporte. Además, los dispositivos optoelectrónicos son cruciales en aplicaciones de defensa, como el procesamiento de imágenes infrarrojas, el radar, los sensores de aviación y las armas guiadas ópticamente.

Espectro Óptico

El espectro óptico representa una pequeña porción del espectro electromagnético. Los ojos humanos pueden percibir la luz con longitudes de onda que van desde los 450 nm hasta los 650 nm. Esta sección del espectro electromagnético se conoce como espectro óptico o luz visible. La siguiente figura ilustra el espectro electromagnético y los colores correspondientes al espectro óptico.

USOS

Los sistemas optoelectrónicos son cada vez más comunes; hoy en día, resulta difícil encontrar un dispositivo eléctrico que no tenga un panel lleno de luces o dígitos llamativos. Por ejemplo, muchos walkman tienen una luz roja (LED) que indica cuando las pilas están agotadas y necesitan ser reemplazadas. Otros ejemplos incluyen los tubos de rayos catódicos utilizados en osciloscopios analógicos y televisores, las pantallas de cristal líquido, y los modernos sistemas de comunicaciones por fibra óptica.

Los dispositivos optoelectrónicos se conocen como optoaisladores o dispositivos de acoplamiento óptico.

La optoelectrónica se ocupa de cualquier objeto o dispositivo relacionado con la luz, como teléfonos móviles y otros aparatos electrónicos.

Los sistemas de comunicaciones ópticas transmiten información mediante la luz. Comparadas con el cobre utilizado en comunicaciones eléctricas, las fibras ópticas son más económicas, pesan menos, presentan menos atenuación y dispersión, y ofrecen un mayor ancho de banda. La fibra óptica puede manejar velocidades de datos extremadamente altas (terabits por segundo) y es capaz de transmitir luz, y por ende información, a largas distancias. Además, no tiene problemas relacionados con la compatibilidad electromagnética (EMC), es inmune a las interferencias y elimina el riesgo de incendios causados por el paso de corriente eléctrica.

La siguiente figura muestra un diagrama de bloques típico de un sistema de comunicación óptica. La señal eléctrica (información) controla la fuente de luz; la luz emitida por la fuente se acopla al canal de transmisión, que puede ser fibra óptica, una guía de ondas o espacio libre. La luz se transmite a través del canal hasta un detector de luz que está acoplado al canal. Este detector convierte la luz en señales eléctricas, permitiendo así la recepción de la información.

Fuentes y detectores de luz

LED (Light-Emitting Diode / Diodo Emisor de Luz): Las fuentes de luz se utilizan para generar señales de entrada en los sistemas de comunicaciones ópticas. Estos sistemas a menudo emplean fuentes ópticas basadas en semiconductores, como los LEDs (diodos emisores de luz) y los diodos láser (LDs).

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission and Radiation / Amplificación de Luz por Emisión y Radiación Estimulada): Estos dispositivos ópticos semiconductores ofrecen alta eficiencia y fiabilidad. Además, permiten una cuidadosa selección de la gama de longitud de onda y áreas emisoras que son compatibles con las dimensiones básicas de la fibra óptica.

A continuación, se presenta una tabla que resume las características y estructuras de los principales LEDs y LDs utilizados en sistemas ópticos de comunicación a través de fibras ópticas.

Al final de los sistemas de comunicación óptica, se utilizan sensores ópticos (detectores de luz) para recuperar la información transmitida y convertirla nuevamente en una señal eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico. El propósito de un fotodetector es recuperar los datos transmitidos a través del sistema de comunicación de fibra óptica.

Los fotodetectores son dispositivos optoelectrónicos que convierten la radiación incidente (luz) en una señal eléctrica, ya sea voltaje o corriente. Los detectores de luz, o fotodetectores, suelen basarse en fotodiodos (PDs), detectores de fotoconductividad y fototransistores.

Los detectores de fotoconductividad tienen la estructura más simple de esta familia de detectores de luz y se pueden crear uniendo dos electrodos metálicos a un material semiconductor. La conductividad del semiconductor aumenta cuando algunos fotones incidentes son absorbidos en el material, lo que resulta en un aumento de la corriente externa cuando se aplica una polarización de tensión a los electrodos. Las células solares son un tipo específico de fotodetectores utilizados en sistemas de generación de energía solar fotovoltaica, no en sistemas de comunicación.

Un fotodiodo es un diodo semiconductor que actúa como fotodetector. Tiene una estructura de unión p-n o p-i-n. Cuando un fotón con suficiente energía incide en el diodo, excita un electrón, creando así un electrón móvil y un hueco con carga positiva.

Los fototransistores son transistores bipolares de unión (BJTs) que operan como fotodetectores y también ofrecen una ganancia en corriente eléctrica. Estos dispositivos semiconductores son sensores de luz formados a partir de un transistor convencional con una cubierta transparente.

Mecanismos Físicos: Absorción, fotoconductividad, emisión de fotones

Absorción de Luz

Cuando la luz se propaga a través de un material, una parte de la energía de los fotones se convierte en otras formas de energía, como el calor. Esta energía perdida es absorbida por el material. Los electrones de los átomos pueden moverse a estados de mayor energía y pasar de la banda de valencia (VB) a la banda de conducción (CB) al absorber la energía de los fotones, creando pares electrón-hueco (e⁻-h⁺).

El proceso más importante de la absorción de luz en un semiconductor es la creación de estos pares e⁻-h⁺. Cada fotón absorbido provoca una transición desde la banda de valencia a la banda de conducción. Un fotón es absorbido por un semiconductor si su energía es mayor que la banda prohibida del material.

La banda prohibida, o gap (Eg), generalmente se refiere a la diferencia de energía en electronvoltios (eV) entre la parte superior de la banda de valencia y el fondo de la banda de conducción en aislantes y semiconductores. La afinidad electrónica de un semiconductor (χ) es la anchura de la banda de conducción en eV. La energía de Fermi (EF) indica los estados de energía más altos ocupados a 0 K. Los estados de energía por encima de EF están vacíos hasta el nivel de vacío.

E=Ec Ev

donde Ec y Ev son los niveles de energía correspondientes a la parte superior de la banda de valencia y a la parte inferior de la banda de conducción. La siguiente figura muestra el mecanismo de absorción y el diagrama de bandas de energía.

Para cada longitud de onda λ\lambda del haz de luz incidente I0I_0 que pasa a través del material, la intensidad del haz de luz II 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 λ\lambda,
  • LL 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, ϕ\phi.

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.
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