DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS INTRODUCCION: Esta clase de dispositivos permiten convertir señales ópticas en señales electrónicas, o viceversa. Sus aplicaciones son muy extensas y variadas, pero fundamentalmente se aplican en circuitos de comunicaciones, sistemas de señalización, productos de consumo masivo, tecnología espacial y física de partículas.
EMISORES DE LUZ Consideraremos emisores optoelectrónicos todos aquellos que son capaces de convertir energía eléctrica en luz, y analizaremos tres tipos de emisores aunque nos centraremos especialmente en unos. Estudiaremos con profundidad los emisores electroluminiscentes (LED’s y láseres) y describiremos someramente los termoluminiscentes (bombillas) y los basados en plasma (halógenos).
Diodos electroluminiscentes (LED’s) La emisión de un fotón en un semiconductor se produce cuando un electrón se recombina con un hueco, el fotón emitido tendrá la energía resultante de la diferencia entre los niveles inicial y final del electrón Este proceso es el inverso que ocurre cuando se produce la absorción de un fotón en un fotodiodo, donde la energía de un fotón se utiliza para generar un par electrón-hueco.
Para la Generación de un par electrón-hueco por la absorción de un fotón de energía superior a Eg (b) Emisión de un fotón por recombinación de un par electrón-hueco de forma radiativa. ,a
que un electrón se encuentre con un hueco deberemos tener electrones en la banda de conducción y huecos en la banda de valencia cuando la situación en reposo es que los electrones estén en la banda
de valencia y los huecos en la de conducción (mínima energía). Para tener electrones en abundancia en la banda de conducción deberemos tener un material n, pero en este caso la banda de valencia estará también repleta de electrones y por tanto no hay huecos para recombinarse, igualmente si encontramos un número apreciable de huecos en la banda de valencia es que tenemos un material p y por tanto la banda de conducción estará llena de huecos y tampoco habrá un gran número de recombinaciones.
Laser En los fotones emitidos en un LED no hay ninguna relación entre ellos, cada uno se emite sin correlación alguna con los parámetros de los otros, cada uno tiene su energía su dirección y sentido y su fase independientemente de los parámetros de los demás fotones, sin embargo en un láser vamos a tener emisión coherente y en ésta cuando un totón se emite tiene una correlación muy fuerte con los demás en todos los parámetros que se acaban de citar. ¿A qué es debido esto? Se debe a lo que se llama emisión estimulada. Caracteristicas de un laser Cuando compramos un láser este viene junto a un fotodiodo en la misma carcas, siendo este último para poder medir la potencia óptica emitida por el láser. La configuración típica con la que nos encontramos podemos verla en la figura 2.13, en el apartado 2.2.3 veremos como se usa el láser aprovechando la existencia del fotodiodo.
EL DIODO LASER El diodo laser tiene algunas ventajas respecto de otros tipos de laser: - Es un dispositivo compacto: construido en un chip que contiene todos los componentes para su funcionamiento. - Alta eficiencia, con valores superiores al 50% Excitación directa con pequeñas corrientes Posibilidad de modulación directa con la corriente aplicada Haz de luz de diámetro muy estrecho Es barato y muy fiable Pero también presenta i n c o n v e n i e n t e s : Muy sensible a cambios de temperatura Haz laser bastante divergente El d i o d o l a s e r también tiene características que lo d i f e r en c i a n d e l L E D : - La luz emitida: la luz del laser es coherente y de espectro muy estrecho, mientras que la del LED es incoherente y de espectro mucho mas ancho. El haz de salida del laser es mucho más directivo que el del LED, lo que facilita un mejor acoplamiento con una fibra óptica El laser es un dispositivo de umbral. Se requiere una corriente mínima para que la luz de salida sea laser. Por debajo de este umbral la luz es por emisión espontánea como el LED Las potencias ópticas del laser y del LED pueden ser similares. El laser tiene una mayor sensibilidad con la temperatura que el diodo LED.
APLICACIONES DEL LASER Comunicaciones por fibraóptica Lectores y grabadores de discos compactos Lectores de códigos de barras Impresoras laser Escaneado de imágenes Medicina (cirugia y odontología) Holografia Bombeo para inversión de población en otros laseres. Tratamiento industrial de materiales Metrología Punteros
(CD, DVD, Blue-Ray)
Termoluminiscencia Se conoce por termoluminiscencia a toda emisión de luz, independiente de aquella provocada por la incandescencia, que emite un sólido aislante o semiconductor cuando es calentado. Se trata de la emisión de una energía previamente absorbida como resultado de un estímulo térmico. Esta propiedad física, presente en muchos minerales, es utilizada como técnica de datación. En general, los principios que gobiernan la termoluminiscencia son esencialmente los mismos de aquellos responsables de todos los procesos luminiscentes y, de esta forma, la termoluminiscencia es uno de los procesos que componen el fenómeno de la luminiscencia.
Optoacoplador Un optoacoplador, es un dispositivo de emisión y recepción de luz que funciona como un interruptor excitado mediante la luz. La luz es emitida por un diodo LED que satura a un fototransistor. De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica. Estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. Se suelen utilizar como medio de protección para dispositivos muy sensibles. En la se muestra un optoacoplador 4N35 formado por un LED y un fototransistor. La tensión de la fuente de la izquierda y la resistencia en serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el interruptor S1. Si dicha corriente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el fototransistor lo saturara, generando una corriente en R2. De este modo la tensión de salida será igual a cero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto. Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo que significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada. De este modo el dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de salida. La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único contacto entre ambos circuitos es un haz de luz. Esto se traduce en una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de MΩ. Estos aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios.
LA FIBRA ÓPTICA La fibra óptica es un hilo delgado de dióxido de silicio o de plastico de aproximadamente 0,1 mm de diámetro en cuyo interior se propaga una señal de luz. Es flexible y permite la transmisión de luz entre sus extremos con muy pocas perdidas. Su principal utilización es en sistemas de comunicaciones, aunque también se usan en iluminación, para obtener señales de lugares de dificil acceso, como sensores y para fabricar laseres. Está formada por un núcleo (core) transparente el cual está rodeado de un revestimiento (cladding) fabricado con un material de índice de refracción menor que el núcleo lo que provoca que la luz sea confinada en el interior del núcleo. y por una cubierta de plástico (buffer coating) que protege mecanicamente la fibra. Actua como una guía de ondas. Las fibras ópticas han superado ampliamente los anteriores medios de transmisión de información habiendose establecido recientemente (marzo de 2011) el record de más de 100 Tb/s por una sola fibra a una distancia de 165 km.
ATENUACIÓN DE LA LUZ EN LA FIBRA Existen varios mecanismos que explican la pérdida de potencia de la luz cuando se propaga por la fibra: Dispersión de Rayleigh: los fotones colisionan con las moléculas de la fibra y son dispersados en distintos ángulos. Los que llegan a la interficie nucleo cubierta con un ángulo mayor que el crítico no son reflejados y salen de la fibra. Es el mecanismo responsable del 96% de la atenuación de la fibra. Muy importante para λ < 800 nm. Absorción infrarroja: Los fotones infrarrojos de λ > 1700 nm son absorbidos por el material de la fibra. - Absorción por impurezas. La impureza más importante en este aspecto es la molécula hidroxyl (OH-) procedente del agua usada en el proceso de fabricación que produce picos de absorción en 950 nm, 1380 nm y 2730
Ventanas de mínima atenuación: son los mínimos que presenta la curva de atenuación, siempre en el infrarrojo, que han ido variando conforme se mejoraba la tecnología: primera ventana en 850 nm, segunda ventana en 1310 nm, y tercera ventana en 1550 nm y 1600 nm. Actualmente se consiguen en esta última ventana atenuaciones de 0,2 dB/km.
PROPAGACIÓN DE LA LUZ EN LA FIBRA La fibra óptica transmite la luz al igual que lo hace una guía de ondas, ya que la luz no es más que una onda electromagnética. La resolución de las ecuaciones de Maxwell con sus condiciones de contorno en la fibra demuestra que solo son posibles determinados valores del ángulo θ, denominados modos de propagación. Atendiendo a los modos de propagación posibles las fibras pueden ser fibras multimodo o fibras monomodo. Según sea la variación radial del índice de refracción en la fibra las multimodo pueden ser de salto en escalón, o graduales (de gradiente, ver figura). La fibra multimodo de salto en
escalón tiene un núcleo de gran diámetro con índice constante. Permite la propagación de muchos rayos de luz que se reflejan en la interficie nucleo cubierta. Como los rayos realizan caminos de longitud distinta, unos de retrasan más que otros, lo que produce una distorsión de la señal de entrada: distorsión nodal.
Para disminuir esta distorsión modal se fabrican fibras ópticas cuyo índice de refracción va disminuyendo desde el eje de la fibra hacía la cubierta (idealmente de forma parabólica). Esta variación gradual del índice tiende a concentrar los rayos hacia la parte axial lo cual disminuye la dispersión nodal por un factor de dos órdenes de magnitud Las fibras monomodo tienen un núcleo extremadamente delgado (menor que 10 μm) y en ellas solo se transmite un modo axial. Estas fibras presentan muy poca distorsión nodal.