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PROCESANDO INFORMACION CON “PAQUETES LUMINOSOS”
(UNA INTRODUCCION A LA FOTONICA)
PROCESSING INFORMATION WITH “LIGHT PACKAGES”
(AN INSIGHT INTO PHOTONICS)
RESUMEN
Este escrito es una traducción y adaptación de un artículo en ingles que
se encuentra disponible en Wikipedia y cuyo objetivo es proporcionar una
introducción básica al fantástico y fecundo campo de la Fotónica;
hablando de sus orígenes, ámbito de estudio, evolución, aplicaciones,
ciencias relacionadas y posibilidades de desarrollo futuro.
PALABRAS CLAVE: Dopaje, Fotón, Fotónica, Metamateriales,
Modulación, Nanotecnología, Refracción, Semiconductor,
ABSTRACT
This writing is a translation and adaption of an article in English available
in Wikipedia whose goal is to give a basic introduction, into the fantastic
and fecund field of Photonics, by talking about its background, ambit of
study, evolution, applications, related sciences, and possibilities of future
development.
KEYWORDS: Doping, Metamaterials, Modulation, Nanotechnology,
Photon, Photonics, refraction, semiconductor,
RAFAEL RAMON CAJICA MOLINA
Estudiante de Licenciatura en Electrónica
Universidad Autónoma de Puebla
[email protected]
MARCOS LOPEZ BATALLAR
Estudiante de Licenciatura en Electrónica
Universidad Autónoma de Puebla
[email protected]
GUILLERMO MANZANO HENANDEZ
Estudiante de Licenciatura en Electrónica
Universidad Autónoma de Puebla
[email protected]
MARCO LOPEZ SANTOS
Estudiante de Licenciatura en Electrónica
Universidad Autónoma de Puebla
[email protected]
HERIBERTO BUENOS AIRES CAMACHO
Estudiante de Licenciatura en Electrónica
Universidad Autónoma de Puebla
[email protected]
CARLOS ALFREDO ESPINOSA MORALES
Estudiante de Licenciatura en Electrónica
Universidad Autónoma de Puebla
[email protected]
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1) INTRODUCCIÓN [1]
La palabra 'fotónica' se deriva de la palabra griega "fotos"
que significa luz; apareció en la década de 1960 para
describir un campo de investigación cuyo objetivo era
utilizar la luz para realizar funciones, que
tradicionalmente estaban dentro del dominio típico de la
electrónica; tales como telecomunicaciones, información,
procesamiento, etc. La ciencia de la fotónica incluye la
generación,
emisión,
transmisión,
modulación,
procesamiento de señales, conmutación, amplificación y
detección de luz. En fotónica se enfatiza la naturaleza
dual de los fotones es decir, la característica que tienen
de comportase como partícula o como onda. Abarca
todas las aplicaciones técnicas de la luz sobre todo el
espectro de la radiación, desde el ultravioleta, la zona
visible (Fig.1), hasta el próximo, medio y lejano
infrarrojo. La mayoría de las aplicaciones, sin embargo,
está en el rango de lo visible y cerca de la luz infrarroja.
El término fotónica se desarrollo como consecuencia de
los primeros semiconductores emisores de luz prácticos
(LED´S), inventados en la década de 1960 y las fibras
ópticas desarrolladas en la década de 1970.
La fotónica se ocupa de la generación, manipulación,
transporte y detección de la luz y tiene múltiples
aplicaciones en la industria de las telecomunicaciones e
internet. Se refiere al control de fotones (en el mismo
sentido en que la electrónica se refiere al control de
electrones). La ciencia y las aplicaciones tecnológicas de
la fotónica apuntalan la revolución de la información en
que la luz se utiliza para transmitir, almacenar y ordenar
la información.
También se debe considerar la estrecha interdependencia
que se da entre la fotónica y la nano ciencia. Sabiendo
que la nano ciencia o nanotecnología se enfoca en
descubrir y entender la forma en que se comporta la
materia en la nano escala y sustenta la tecnología de
creación de materiales, dispositivos y sistemas a través de
la manipulación y control de la materia a nivel atómico.
2) HISTORIA DE LA FOTÓNICA
La fotónica como un ciencia comenzó con la invención
del láser en 1960. Seguido de otros acontecimientos:
incluyendo el diodo láser en la década de 1970, fibras
ópticas para la transmisión de información y el
amplificador de fibra de erbio dopado. Estas invenciones
representaron la base de la revolución de las
telecomunicaciones de finales del siglo XX y
proporcionan la infraestructura para Internet.
Aunque acuñado anteriormente, el término fotónica
entró en uso común en la década de 1980 cuando las
transmisiones de datos a través de fibra óptica fueron
adoptadas por los operadores de redes de
telecomunicaciones. En ese momento, el término fue
utilizado ampliamente en los laboratorios Bell. Su uso
fue confirmado cuando las sociedades: IEEE láseres y
Electro-Optics establecieron un diario-archivo llamado
cartas de tecnología fotónica a finales de la década de
1980.
Durante el período que precede al fallo del ”punto-com”
alrededor del año 2001, la fotónica como un ciencia se
centró en gran medida en las telecomunicaciones. Sin
embargo, la fotónica cubre una amplia gama de
aplicaciones en ciencia y tecnología, incluyendo: la
fabricación de lásers, sensores químicos y biológicos,
diagnóstico médico y terapia, tecnología de displays y la
computación óptica.
Varias aplicaciones de la fotónica que no tienen que ver
con las telecomunicaciones, exhiben un fuerte
crecimiento, especialmente desde el fallo del “puntocom”, en parte porque muchas empresas han estado
buscando nuevas áreas de aplicación. Y aun se espera
mayor crecimiento de la fotónica, que será posible, si la
evolución actual de las técnicas en nanotecnología de
semiconductores es exitosa.
3) RELACIÓN CON OTROS CAMPOS
a) Óptica clásica
Fig. 1 La doble refracción que experimentan los fotones
(paquetes de ondas) de radiación (Luz o energía radiante) al
pasar a través de un prisma, nos permite disfrutar del
maravilloso espectáculo del espectro de luz visible.
(Refraction of photons of radiation waves (light) by a prism.)
La Óptica es la vieja y venerable rama de la Física que
involucra la generación, propagación y
detección de la luz y está estrechamente relacionada a
fotónica. La óptica precedió al descubrimiento de que
luz esta cuantizada (cuando Albert Einstein explicó
efecto fotoeléctrico en 1905). Las herramientas de
la
la
el
la
óptica incluye la refracción de las lentes, los espejos
reflejantes; planos, cóncavos y convexos y diversos
componentes ópticos conocidos, anteriores a 1900. Sin
embargo los principios fundamentales de la óptica
clásica, como el principio de Huygens, las ecuaciones de
Maxwell, y la ecuación de onda, no dependen de las
propiedades cuánticas de la luz.
[2] Tres desarrollos fundamentales logrados en los
últimos 40 años son
responsables del rejuvenecimiento de la óptica y de su
creciente importancia en la tecnología
moderna con toda una revolución:
• La invención del Láser,
• La fabricación de fibras ópticas de baja pérdida y
• La introducción de dispositivos ópticos
semiconductores.
Esta ha asumido una importancia incrementada no sólo
en física, sino en otras ciencias, ingeniería,
la industria y en la vida diaria.
Como factor dominante está el descubrimiento y
desarrollo de muchas formas de Láser. Las
notables propiedades de la radiación coherente de un
dispositivo Láser han conducido a una riqueza
de nuevas técnicas en la física como óptica no lineal,
enfriamiento y atropamiento de átomos,
dinámica de femtosegundos y electro óptica.
También se ha engendrado un profundo entendimiento de
la radiación óptica involucrada en
coherencia y óptica cuántica y las técnicas de coherencia
óptica han tendido un primordial impacto
en la física atómica.
Como resultado de estos desarrollos, emergen nuevas
disciplinas y nuevos términos que las
describen:
• Electro-óptica
• Optoelectrónica
• Electrónica cuántica
• Óptica cuántica
• Tecnología de ondas de luz entre otros.
Aunque no existe un acuerdo completo del uso preciso de
estos términos, hay un consenso general
con respecto a su significado.
• Electro-óptica se reserva generalmente para dispositivos
ópticos en los cuales los efectos
eléctricos juegan un papel fundamental (Láser,
moduladores y conmutadores electro-ópticos).
• Optoelectrónica típicamente se refiere a dispositivos y
sistemas que son esencialmente
electrónicos por naturaleza, pero involucran luz (diodos
emisores de luz, dispositivos de
despliegue de cristal líquido y arreglos de foto
detectores).
• Electrónica cuántica se usa en conexión con
dispositivos y sistemas que se basan
principalmente en la interacción de la luz con la materia
(Láser y dispositivos ópticos no lineales
usados para amplificadores ópticos y mezcladores de
ondas ópticas).
• Óptica cuántica estudia las propiedades cuánticas y
coherentes de la luz.
• Tecnología de ondas de luz se usa para describir
dispositivos y sistemas que son usados en
Comunicaciones ópticas, Procesamiento de señales
ópticas y Metrología óptica.
b) Óptica moderna
La fotónica está relacionada con la óptica cuántica, la
opto-mecánica, la electro-óptica, la optoelectrónica y la
electrónica cuántica. Sin embargo, cada área tiene
connotaciones ligeramente diferentes por científicos y
comunidades de Gobierno y en el mercado. La óptica
cuántica a menudo connota investigación fundamental,
mientras que la fotónica connota la investigación
aplicada y el desarrollo.
El término fotónica hace referencia más específicamente
a:
1.
2.
3.
4.
Las propiedades de partícula de la luz
El potencial de creación de tecnologías de
dispositivos de procesamiento de señales usando
fotones
La aplicación práctica de la óptica
Una analogía a la electrónica
c) Campos emergentes
La fotónica también se relaciona con
la ciencia
emergente de la información cuántica, en aquellos casos
donde se emplean métodos fotónicos. Otros campos
emergentes incluyen la opto-atómica, en el que los
dispositivos integran dispositivos tanto fotónicos como
atómicos, para aplicaciones como el cronometraje de
precisión, la navegación y la metrología; la polaritonica,
que difiere de la fotónica en que el acarreador
fundamental de información es un polaritón, que es una
mezcla de fotones y fonones y opera en un rango de
frecuencias de 300 giga Hertz a aproximadamente 10
Tera Hertz.
4) APLICACIONES
Las aplicaciones de la fotónica son omnipresentes.
Incluyen todos los ámbitos desde la vida cotidiana hasta
la ciencia más avanzada, por ejemplo, detección de luz,
telecomunicaciones,
información,
procesamiento,
iluminación, metrología, espectroscopia, holografía,
medicina (cirugía, corrección de visión, endoscopia,
vigilancia de la salud), tecnología militar, procesamiento
de materiales láser, arte visual, biofotónica, agricultura y
robótica.
Al igual que las aplicaciones de la electrónica han
aumentado dramáticamente desde que el primer transistor
fue inventado en 1948, las aplicaciones específicas de la
fotónica siguen surgiendo. Algunas aplicaciones
económicamente importantes para dispositivos fotónicos
de semiconductores incluyen la grabación de datos
ópticos, las telecomunicaciones por fibra óptica, la
impresión con láser (basada en xerografía), pantallas y
bombeo óptico de lásers de alta potencia. Las
aplicaciones potenciales de la fotónica son prácticamente
ilimitadas e incluyen síntesis química, diagnósticos
médicos, comunicación de datos on-chip, defensa de
láser y la energía de fusión.
Podemos citar varios
interesantes, como son:
ejemplos
adicionales
muy
1.
Los equipos de consumo: como escáneres de
código de barras, impresoras, dispositivos de
CD/DVD y Blu-ray, dispositivos de control
remoto.
2. Telecomunicaciones: comunicaciones por fibra
óptica,
“optical-down”
conversor
para
microondas.
3. Medicina: corrección de mala vista, cirugía
láser, cirugía endoscópica, eliminación de
tatuaje.
4. Producción industrial: la utilización de láser
para soldadura, perforación, corte y diversos
métodos de modificación de superficies.
5. Construcción: láser de nivelación, láser de
telemetría, estructuras de Smart.
6. Aviación: giroscopios fotónicos carece de partes
móviles.
7. Militar: sensores IR, comando y control,
navegación, búsqueda y rescate, colocación y
detección de minas.
8. Entretenimiento: shows láser, efectos de luz,
arte holográfico.
9. Procesamiento de información.
10. Metrología: mediciones de tiempo y frecuencia,
telemetría.
11. Computación fotónica: reloj de distribución y
comunicación entre equipos, placas de circuito
impreso, o dentro de los circuitos integrados
opto electrónicos; en el futuro: la computación
cuántica
5) VISIÓN GENERAL DE LA INVESTIGACIÓN EN
FOTÓNICA
La ciencia de la fotónica incluye la investigación de la
emisión, transmisión, amplificación, detección y
modulación de la luz.
semiconductores como diodos emisores de luz (LED),
diodos superluminicentes y láseres. Otras fuentes de luz
incluyen pantallas de plasma, lámparas fluorescentes y
tubos de rayos catódicos (CRT). Tenga en cuenta que
mientras los CRT, las pantallas de plasma, y los displays
de diodo orgánico emisor de luz, generan su propia luz,
las pantallas de cristal líquido (LCD) como las pantallas
TFT requieren una luz de lámparas fluorescentes de
cátodo frío o, más a menudo hoy, LEDs.
Algo característico en la investigación sobre fuentes de
luz de semiconductor es el uso frecuente de
semiconductores III-V en lugar de los clásicos
semiconductores como silicio y germanio. Esto es debido
a las propiedades especiales de los semiconductores III-V
que permiten su aplicación en dispositivos de emisión de
luz. Ejemplos de algunos materiales utilizados son: el
Arseniuro de galio (GaAs) y el Arseniuro de galio
aluminio (AlGaAs) u otros compuestos semiconductores.
También se utilizan en conjunción con silicio para
producir rayos láser híbridos de silicio.
b) Medios de transmisión
La luz puede transmitirse a través de cualquier medio
transparente. La fibra de vidrio o la fibra óptica de
plástico pueden utilizarse para canalizar la luz a lo largo
de una trayectoria deseada. En comunicaciones las fibras
ópticas permiten distancias de transmisión sin
amplificación, de más de 100 km; dependiendo del bit
rate y del formato de la modulación utilizados para la
transmisión. Un tema de investigación muy avanzado en
fotónica, es la investigación y fabricación de estructuras
especiales y "materiales" con propiedades ópticas
diseñadas especialmente para ciertas aplicaciones
mediante el uso de técnicas de la nanotecnología. Estos
incluyen cristales fotónicos, fibras de cristal fotónico y
metamateriales.
c) Amplificadores
Los amplificadores ópticos se utilizan para amplificar
una señal óptica. Los mas utilizados en comunicaciones
son los amplificadores de fibra de erbio dopado,
amplificadores ópticos de semiconductor, amplificadores
Raman y amplificadores ópticos paramétricos. Un tema
de investigación muy avanzada en amplificadores ópticos
es la investigación sobre amplificadores ópticos de
semiconductor de punto cuántico.
d) Detección
a) Fuentes de luz
Las fuentes de luz utilizadas en fotónica son
generalmente más sofisticadas que las bombillas de luz.
La fotónica comúnmente utiliza fuentes de luz de
Como su nombre lo indica los fotodetectores detectan la
luz. La gama de fotodetectores va desde fotodiodos muy
rápidos para aplicaciones en comunicaciones, pasando
por dispositivos acopladores de velocidad de carga media
(CCD´s) para cámaras digitales hasta los muy lentos
como las celdas solares que se utilizan para la captación
de energía solar. También hay muchos otros detectores
basados en otros efectos. Como los térmicos, químicos,
cuánticos, fotoeléctricos, etc.
e) Modulación
La modulación de una señal luminosa es el método
utilizado para codificar la información que se enviará
por medio de dicha señal. La modulación puede
conseguirse directamente de la fuente de luz. Uno de los
ejemplos más fáciles es utilizar una fuente luminosa
pulsante para enviar código Morse. Otro método consiste
en tomar la luz de la fuente y modularla en un
modulador óptico externo.
Un tema adicional cubierto por la investigación en
modulación, es el formato de modulación de llaveo por
encendido y apagado (On-of keying) que ha sido el
formato de modulación comúnmente utilizado en
comunicaciones ópticas. En los últimos años formatos
más avanzados de modulación como el de llaveo por
corrimiento de fase (phase-shift kiying) o incluso el de
multiplexación por división de frecuencia ortogonal han
sido investigados para contrarrestar efectos indeseables
como la dispersión, que degradan la calidad de la señal
transmitida.
f) Sistemas fotónicos
El término: sistemas fotónicos, se utiliza a menudo para
los sistemas de comunicación óptica. Esta área de
investigación se centra en la implementación de sistemas
fotónicos como, redes fotónicas de alta velocidad. Esto
también incluye la investigación sobre regeneradores
ópticos, que mejoran la calidad de la señal óptica. [3]
Como cada día se requiere más movimiento de
información. Internet, la televisión digital por cable… Se
hace necesario un sistema de alta capacidad de
transmisión. Los conductores eléctricos quedan
saturados. Pero por las fibras ópticas podemos enviar la
información en forma de luz láser a la velocidad de la
luz. Además, la más moderna tecnología permite enviar
muchas comunicaciones a la vez por la misma fibra, una
enorme ventaja respecto a los cables eléctricos,
simplemente usando luces de varios colores distintos.
Cada color lleva una comunicación, ¡y no se mezclan en
la fibra!
g) Nano estructuras [4]
Un cristal fotónico es un material estructurado de forma
que su función dieléctrica varíe periódicamente en el
espacio. Aunque existen manifestaciones naturales de
estos materiales, como los ópalos o ciertas estructuras
microscópicas que dan lugar a coloraciones en las alas de
algunas mariposas, se trata de materiales relativamente
novedosos propuestos simultánea e independientemente
por los profesores Ely Yablonovitch y Sajeev John para
inhibir la emisión espontánea y para producir
localización de luz respectivamente.
Los cristales fotónicos están compuestos de nano
estructuras dieléctricas o metal-dieléctricas periódicas
que afectan a la propagación de las ondas
electromagnéticas (EM) del mismo modo que el
potencial periódico en un semiconductor afecta el
movimiento de los electrones, definiendo bandas de
energía permitidas y prohibidas. Básicamente, los
cristales fotónicos contienen regiones internas con
constantes dieléctricas altas y bajas que se repiten de
forma regular. Las ondas de luz que tiene permitido
propagarse se conocen como modos, los grupos de
modos forman las bandas. Las bandas de longitudes de
ondas no permitidas se llaman bandas prohibidas. Esto da
lugar a diferentes fenómenos ópticos como la inhibición
de emisión espontánea, espejos de alta-reflexión omnidireccionales y guías de onda con perdidas bajas, entre
otros. Debido a que el fenómeno físico está basado en la
difracción, la periodicidad de la estructura del cristal
fotónico ha de estar en el mismo orden de longitud de la
mitad de la longitud de onda de las ondas EM, es decir,
las regiones de constantes dieléctricas altas y bajas que se
repiten han de tener las siguientes dimensiones; desde
aproximadamente 200 nm (azul) hasta 350 nm (rojo) para
cristales fotónicos operando en la parte visible del
espectro. Esto hace que la elaboración de cristales
fotónicos sea tediosa y difícil
h) Almacenamiento magnético a velocidad de la luz [5]
Es un estudio que se hizo para hacer mas rápido el
almacenamiento con el uso de un pulso de laser
polarizado circularmente se conseguiría unidades de
grabación más rápidas y discos con igual velocidad.
Esto funcionaria gracias a la naturaleza de la luz, con un
concepto conocido como “dirección de magnetización
final” que depende de la dirección del momento angular
de los fotones que origina los pulsos de luz.
Los láseres ya se estaban ocupando en las unidades de
disco y realizaban la actividad de grabación asistida por
calor magnético, pero la función de estos láseres era solo
calentar selectivamente el material, con la tecnología que
se quería implementar ofrecía una densidad de bits que
era 100 veces mayor a la actual, se pensó entonces que el
laser podía hacer otra función que solo calentar el
material y que con las ópticas de conmutación atreves de
luz polarizada circularmente se lograría, aunque no era
algo sencillo pero era mas fácil cambiar la polarización
de la luz.
Se demostró que los pulsos de luz lograrían lo esperado
pues después de muchos estudios se logro ver que la luz
polarizada circularmente obligaba a la orientación de los
ámbitos ya sea hacia arriba o hacia abajo, y como
resultado se obtenía el calentamiento local y la
transferencia de momento angular de los fotones con el
material.
6) CONCLUSIONES
Se puede concluir que conforme avanza nuestro
entendimiento del comportamiento de la materia en el
nivel molecular y atómico y conforme se desarrollan
nuevas técnicas de manipulación y generación de
materiales con características predeterminadas en sus
propiedades ópticas (mediante el avance de la
nanotecnología) para un funcionamiento y aplicaciones
específicos, como lo son los dispositivos fotónicos; cada
vez se encontraran nuevas aplicaciones en sistemas que
desplazarán a los dispositivos electrónicos actuales, ya
que poseen varias características que superan el
desempeño de estos, tales como ¡mayor velocidad de
transmisión, transferencia, y procesamiento de
información con un menor consumo de energía!
REFERENCIAS
[1] Wikipedia, “Photonics”,
April 2012. [Online]. Available:
http://en.wikipedia.org/wiki/Photonics
[2] Laftla,"¿Que es la Fotonica?",
April 2012 [Online]. Available:
http://www2.eie.ucr.ac.cr/~lmarin/docs/Fotonica.pdf
[3] Fisicahoy,”Fotonica",
June 2012 [Online]. Available:
http://www.fisicahoy.com/la_fisica_hoy/fotonica
[4] Carmen N. Afonso , “Fotónica, nano estructuras y
ciencia ultrarrápida,”
in Seminario ciencia de los materiales.
Febrero 2009
[5] Photonics spectra
Physical Review Letters
volume 41, Issue 9
September 2007 [Online]. Available:
http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=30696
Wikipedia, "Fotonica,"
May 2012 [Online]. Available:
http://es.wikipedia.org/wiki/Fot%C3%B3nica