Disertación ID42A Materiales Fotónicos María José Alí Shen

Presentación del tema: "Disertación ID42A Materiales Fotónicos María José Alí Shen"— Transcripción de la presentación:

1 Disertación ID42A Materiales Fotónicos María José Alí Shen
Felipe Silva Daniel Viera

2 sistemas de comunicación eficientes
Introducción El desafío de la información, sistemas de comunicación eficientes TECNOLOGÍA FOTÓNICA

3 Entender las características que los hacen diferentes
OBJETIVOS Entender las características que los hacen diferentes Evolución histórica Propiedades Ventajas con respecto a la Tecnología Eléctrica

4 Radiación Electromagnética Física Clásica: Una Onda
CONCEPTOS FUNDAMENTALES Radiación Electromagnética Física Clásica: Una Onda Mecánica Cuántica: Partícula

5 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

6 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

7 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.

8 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.

9 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.

10 Materiales Plásticos Son usadas en distancias más cortas.
Se usan Poli ( metil metacrilato)

11 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.

12 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)

13 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.

14 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.

15 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

16 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.

17 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).

18 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.

19 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.

20 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).

21 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.

22 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.

23 Historia 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).

24 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.

25 Características Mayor velocidad de transmisión.
Disminución en casi tu totalidad los ruidos e interferencias (electromagnéticas de radio-frecuencia). Compactas Ligeras Baja perdida de señal.

26 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.

27 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..

28 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

29 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.

30 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.

31 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

32 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

33 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

34 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

35 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

36 Espejo Curvado no Lineal (NOLM)
Desventajas: Aún se encuentra en laboratorio Dificultad en su tamaño (empaquetar kilómetros de fibras) No es barato ($ 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.