Materiales Plásticos

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Disertación ID42A
Materiales Fotónicos
María José
Alí Shen
Felipe Silva
Daniel Viera
Introducción
El desafío de la información,
sistemas de comunicación eficientes
TECNOLOGÍA FOTÓNICA
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
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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.
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).
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 radiofrecuencia).
• 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
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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.

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