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PROCESANDO INFORMACION CON “PAQUETES LUMINOSOS”
(UNA INTRODUCCION A LA FOTONICA)
PROCESSING INFORMATION WITH “LIGHT PACKAGES”
(AN INSIGHT INTO PHOTONICS)
RESUMEN
RAFAEL RAMON CAJICA MOLINA
Este escrito es una traducción y adaptación de un artículo en ingles que
Estudiante de Licenciatura en Electrónica
se encuentra disponible en Wikipedia y cuyo objetivo es proporcionar una
Universidad Autónoma de Puebla
introducción básica al fantástico y fecundo campo de la Fotónica;
[email protected]
hablando de sus orígenes, ámbito de estudio, evolución, aplicaciones,
ciencias relacionadas y posibilidades de desarrollo futuro.
MARCOS LOPEZ BATALLAR
PALABRAS CLAVE: Dopaje, Fotón, Fotónica, Metamateriales, Modulación,
Nanotecnología, Refracción, Semiconductor,
ESTUDIANTE DE LICENCIATURA DE
ELECTRÓNICA
UIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA
ABSTRACT
[email protected]
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
MARCO ABISAI LOPEZ SANTOS
fecund field of Photonics, by talking about its background, ambit of study,
evolution, applications, related sciences, and possibilities of future development.
Estudiante de Ingeniería en Mecatronica
Benemérita Universidad Autónoma de
KEYWORDS: Doping, Photon, Photonics, Metamaterials, Modulation,
Puebla
Nanotechnology, refraction, semiconductor,
[email protected]
1) INTRODUCCIÓN
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.
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.)
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 “punto-com”, 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
La fotónica está estrechamente relacionada a la óptica. La óptica precedió al descubrimiento de que la luz
esta cuantizada (cuando Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico en 1905). Las herramientas de 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.
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 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 ejemplos adicionales muy interesantes, como son:
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.
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 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
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.
h) Nanoestructuras (2)
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 son nanoestructuras ópticas periódicas que están diseñadas para afectar el
movimiento de los fotones de un modo similar al que la periodicidad de un cristal semiconductor afecta al
movimiento de los electrones. Los cristales fotónicos aparecen en la naturaleza y han sido estudiados por
los científicos con diversos intereses durante los últimos 100 años.
Introducción
Los cristales fotónicos están compuestos de nanoestructuras 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 omni-direccionales 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
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!
6) REFERENCIAS
[1] Wikipedia, “Photonics”,
April 2012. [Online]. Available :
http://en.wikipedia.org/wiki/Photonics
[2] Referencia de conferencia:
Carmen N. Afonso , “Fotónica, nanoestructuras y ciencia ultrarápida ,”
in Seminario ciencia de los materiales.
Febrero 2009