El protagonista por excelencia de la revolución electrónica ha sido una partícula fundamental, el electrón; y todos los recursos de la ciencia y la tecnología




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FUENTES OPTICAS

  1. ANTECEDENTES:


El protagonista por excelencia de la revolución electrónica ha sido una partícula fundamental, el electrón; y todos los recursos de la ciencia y la tecnología se han empleado para mejorar las condiciones de transporte y control del mismo. Desde la década de los años 60 del siglo pasado con la invención del láser y de la fibra óptica surgió un nuevo competidor para el electrón: el fotón. En 1905 Albert Einstein lanza por primera vez la idea de que la luz está compuesta por corpúsculos de energía o cuantos de luz, a los que más tarde se les conocería como fotones.


  1. INTRODUCCION:


Los fotones tienen la ventaja sobre los electrones de que no tienen carga ni masa en estado de reposo, por lo que su capacidad de transportar información es mucho más eficiente y rápida, ya que no tienen perturbaciones al interactuar con otros portadores de su espacio o con el medio; así es como la transmisión de información por fibra óptica es mucho más eficiente que por cables eléctricos.
Como en óptica moderna se da ahora igual énfasis a los aspectos de fotón y de onda de la radiación óptica, este término Fotónica refleja la importancia de ambos aspectos en el entendimiento de nuevos desarrollos que el Láser ha traído al campo, como el desarrollo de fibras ópticas y tecnología de semiconductores para emisores y detectores ópticos. Así el término Fotónica refleja la importancia de la naturaleza de fotón de la luz en la descripción de la operación de muchos dispositivos ópticos.


  1. MARCO TEORICO:




    1. PRINCIPIO DE GENERACION DEL FOTON

En física moderna, el fotón (Griegoφς, φωτός [luz], y -ón) es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), la luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio. El fotón tiene una masa invariante cero, [1] y viaja en el vacío con una velocidad constantehttp://wapedia.mobi/math/yw==. Como todos los cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("dualidad onda-corpúsculo"). Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción que tiene lugar en una lente, o en la cancelación por interferencia destructiva de ondas reflejadas; sin embargo, se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía, que viene dada por la expresión.

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Donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, y http://wapedia.mobi/math/xgxhbwjkyq==es la longitud de onda. Esto difiere de lo que ocurre con las ondas clásicas, que pueden ganar o perder cantidades arbitrarias de energía. Para la luz visible, la energía portada por un fotón es de alrededor de 4×10-19julios; esta energía es suficiente para excitar un ojo y dar lugar a la visión. [2]Además de energía, los fotones llevan también asociada una cantidad de movimiento o momento lineal, y tienen una polarización. Siguen las leyes de la mecánica cuántica, lo que significa que a menudo estas propiedades no tienen un valor bien definido para un fotón dado. En su lugar se habla de las probabilidades de que tenga una cierta polarización, posición, o cantidad de movimiento. Por ejemplo, aunque un fotón puede excitar a una molécula, a menudo es imposible predecir cuál será la molécula excitada.

La descripción anterior de un fotón como un portador de radiación electromagnética es utilizada con frecuencia por los físicos. Sin embargo, en física teórica, un fotón puede considerarse como un mediador para cualquier tipo de interacción electromagnética.La discusión sobre la naturaleza de la luz se remonta hasta la antigüedad. En el siglo XVII, Newton se inclinó por una interpretación corpuscular de la luz, mientras que sus contemporáneos Huygens y Hooke apoyaron la hipótesis de la luz como onda. Experimentos de interferencia, como el realizado por Young en el siglo XIX, confirmaron el modelo ondulatorio de la luz.

La idea de la luz como partícula retornó con el concepto moderno de fotón, que fue desarrollado gradualmente entre 1905 y 1917 por Albert Einstein[3][4][5][6] apoyándose en trabajos anteriores de Planck, en los cuales se introdujo el concepto de cuánto. Con el modelo de fotón podían explicarse observaciones experimentales que no encajaban con el modelo ondulatorio clásico de la luz. En particular, explicaba cómo la energía de la luz dependía de la frecuencia (dependencia observada en el efecto fotoeléctrico) y la capacidad de la materia y la radiación electromagnética para permanecer en equilibrio térmico.Otros físicos trataron de explicar las observaciones anómalas mediante modelos "semiclásicos", en los que la luz era descrita todavía mediante las ecuaciones de Maxwell, aunque los objetos materiales que emitían y absorbían luz estaban cuantizados. Aunque estos modelos semiclásicos contribuyeron al desarrollo de la mecánica cuántica, experimentos posteriores han probado las hipótesis de Einstein sobre la cuantización de la luz (los cuantos de luz son los fotones).El concepto de fotón ha llevado a avances muy importantes en física teórica y experimental, tales como la teoría cuántica de campos, el condensado de Bose-Einstein y la interpretación probabilística de la mecánica cuántica, y a inventos como el láser.De acuerdo con el modelo estándar de física de partículas los fotones son los responsables de producir todos los campos eléctricos y magnéticos, y a su vez son el resultado de que las leyes físicas tengan cierta simetría en todos los puntos del espacio-tiempo. Las propiedades intrínsecas de los fotones (masa invariante y espín ) están determinadas por las propiedades de la simetría de Gauge.Los fotones se aplican a muchas áreas, como la fotoquímica, el microscopio fotónico y la medición de distancias moleculares. Incluso se los ha estudiado como componentes de computadoras cuánticas y en aplicaciones sofisticadas de comunicación óptica como por ejemplo en criptografía cuántica.

La generación de luz en fuentes ópticas usuales para uso en sistemas de comunicación por fibra óptica envuelve la transición de un electrón que está en un estado excitado E2 (mayor nivel de energía) para un estado menos excitado E1 (menor nivel de energía). Este tipo de generación es un proceso discretizado más comúnmente llamado de proceso cuántico. La liberación de energía es realizada en la forma de fotones. El fóton es el menor valor de energía de un proceso cuántico. Sin embargo, la energía de un fóton depende de la longitud de onda de la radiación asociado al fóton. Dos tipos de transición son envueltas en los procesos de radiación: transición espontánea y transición estimulada. Para una mejor comprensión de la interacción entre radiación y materia, la figura 3.4 presenta una representación de los tres esquemas de interacción entre fotones y electrones.





Representación esquemática de la interacción entre fotones y electrones en los materiales.

En un semiconductor, diversos procesos de recombinación de portadores de carga son posibles y son agrupados en dos grandes clases: recombinación no radiactiva y recombinación radiactiva. En la recombinación no radiactiva, la energía liberada por la recombinación de portadores de carga es liberada bajo la forma de calor. En el caso de la recombinación radiactiva, la energía es liberada bajo forma de fotones. Cual de estos procesos va a ser el proceso dominante depende de las condiciones y del material semiconductor. La recombinación radiactiva puede generar luz a través de los procesos de emisión espontánea y emisión estimulada Los tipos de recombinación más importantes son: recombinación no-radiactiva de centros atractivos, recombinación no-radiactiva de Auger, recombinación radiactiva espontánea y recombinación radiactiva estimulada. La recombinación no-radiactiva de centros atractivos es el resultado de una transición envolviendo átomos de impurezas. Cuando se introduce átomos de impurezas en la red cristalina, se crean niveles de energía dentro de la zona prohibida, prójimos al bordillo de la banda de conducción o de la banda de valencia, capaces de provocar mayor conductividad. Existen, sin embargo, átomos de impurezas que no influencian tanto la conductividad, pero influencian los procesos de generación y recombinación de pares, siendo por eso llamados de centros de recombinación. Tales átomos presentan niveles de energía prójimos al centro de la zona prohibida. El modelo de Shockley-Read-Hall describe la tasa de recombinación de este fenómeno.

Para densidades de portadores de carga en la banda de 1018 cm-3, como requerida para operación de las fuentes ópticas, se tiene tiempo de vida medio de los portadores de carga, en la banda de nanosegundos. Tiempos de vida considerablemente menores que los discutidos arriba pueden ser obtenidos con dispositivos de pozos cuánticos, donde el espesor de la capa activa es de la orden de nanómetros , comparada con las varios centenares de nanómetros de los dispositivos de cuerpo, "bulk". La manera más eficiente de obtenerse recombinaciones radiactivas es a través del uso de semiconductores de banda prohibida directa, o sea la transición de un electrón de la banda de conducción para la banda de valencia es hecha directamente. Los semiconductores en que el fondo de la banda de conducción y el tope de la banda de valencia están alineados son llamados de semiconductores de banda prohibida directa. En este semiconductores, la recombinación radiactiva es más probable de ocurrir que la recombinación no-radiactiva y tense una buena eficiencia de conversión de corriente electrónica en luz. Ejemplos de esos semiconductores son los GaAs y el InP. Los semiconductores Ge y Sí son semiconductores de banda prohibida indirecta y el proceso de recombinación más probable en estos casos es por emisión de fonones (vibraciones de la red). Los procesos de recombinaciones radiactivas ocurren en general en la región de la unión PN. Sin embargo, debido las dimensiones de esta región, el proceso es muy poco eficiente. Un modo de mejorar la eficiencia es utilizar heterouniones. La heterounión es realizada por adición de una interfaz entre dos cristales semiconductores de energías de gap diferentes. Dispositivos basados en este tipo de estructura son llamados de heteroestructuras. El uso de heterouniones causa un confinamiento de portadores de carga en la región activa. Generalmente, la región activa tiene un mayor índice de refracción que las demasiadas regiones. Esto causa un confinamiento de los fotones generados en la región. La mayoría de los dispositivos emisores de luz hechos actualmente para uso en sistemas de comunicación por fibra óptica es formado por una doble heterouniones
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