Materiales Fotónicos

Los materiales fotónicos son un medio de transmisión, empleado habitualmente en redes de datos y telecomunicaciones.

Fotones

Fotones: Partícula mínima de energía luminosa que se produce por medio de saltos cuánticos. Se produce, se transmite y se absorbe. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética. Posee propiedades corpusculares y ondulatorias.

Transmitiendo la Señal

Los fotones son los responsables de varios fenómenos ópticos donde interactúan con la estructura electrónica o cristalina de un material.

Si los fotones interactúan con los electrones de valencia, pueden ocurrir varias cosas:

• Los fotones pueden ceder su energía a un material, en cuyo caso ocurre una absorción.
• Los fotones ceden su energía, pero de inmediato el material emite fotones de energía idéntica, en este caso ocurre una reflexión.
• Los fotones pueden no interactuar con la estructura atómica del material, lo que resulta en una transmisión.

Sin embargo, incluso en la transmisión, los fotones cambian de velocidad y se presenta la refracción.

Refracción

Refracción: Es el cambio de dirección que llevan las ondas cuando pasan de un medio a otro. Cambia la velocidad de propagación y la frecuencia no se altera.

El cambio de dirección está dado por el índice de refracción.

Si los fotones viajan por el material 1, en lugar del vacío, y pasan a un material 2, podemos encontrar una relación entre sus índices de refracción, que está dada por la ley de Snell.

El índice de refracción no es constante; se ve afectado por la frecuencia o la longitud de onda de los fotones.

La dispersión de un material es la variación del índice de refracción en función de la longitud de onda.

Dentro de un material, significa que los impulsos, con diferente longitud de onda, que se inician al mismo tiempo en una fibra óptica llegarán en momentos diferentes. Por eso se prefiere utilizar una sola longitud de onda.

Las fibras ópticas están formadas por un núcleo que tiene n(núcleo) > n(recubrimiento) de la fibra.

Tipos de Dispersión

• Dispersión de Rayleigh: Cuando los fotones son desviados por electrones sin pérdida de energía fotónica (elástico) (color del cielo).
• Dispersión de Compton: Es cuando los fotones son desviados por electrones, perdiendo parte de su energía y aumentando su longitud de onda (inelástico).

Reflexión

Reflexión: Es cuando un rayo de fotones interactúa con los electrones de valencia y cede su energía. La radiación excita los electrones, haciéndoles saltar un nivel. Se espera que se absorban los fotones y no se refleje ninguna luz, y el metal se vea negro. Sin embargo, al regresar los electrones excitados a sus niveles, emiten fotones prácticamente idénticos, ocurriendo la reflexión.

La reflectividad es la fracción del rayo incidente que se refleja, ya sea en el vacío o aire, o en otro medio. La condición es que la superficie esté plana. Aquí el ángulo refractario es mayor a 90.

Absorción

Absorción: Es la fracción del rayo que es absorbida. Esta relacionada con el espesor del material y cómo reaccionan los fotones.

La intensidad del rayo al llegar a la superficie posterior está dada por la ley de Bouguer.

Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico ocurre cuando la energía de un fotón es completamente absorbida, expulsando un electrón y haciendo que el átomo se ionice.

Transmisión

Transmisión: Es la fracción de la luz que no se refleja o absorbe, sino que se transmite a través del material.

Fuga de la Fibra

La fuga de la fibra se refiere a la fibra dopada en la superficie para bajar el índice de refracción. Se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro con iones que producen absorción y transmisión selectiva. Por ejemplo, los vidrios fotocromáticos, que se utilizan en los anteojos, contienen compuestos de plata. El vidrio se oscurece a la luz, pero es transparente en la oscuridad.

Fotoconducción

Fotoconducción: En materiales semiconductores, se excita un electrón hacia la banda de conducción o se crea un orificio en la banda de valencia, transportando una carga.

Luminiscencia

Luminiscencia: Conversión de radiaciones y otras formas de energía. La radiación incidente excita electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Permanecen brevemente en la banda de conducción. Cuando los electrones vuelven a la banda de valencia, se emiten fotones, generando luminiscencia (longitud de onda).

Fluorescencia y Fosforescencia

• Fluorescencia: Los electrones vuelven a la banda de valencia y emiten fotones en un tiempo muy corto, después de retirar el estímulo.
• Fosforescencia: Los materiales fosforescentes contienen impurezas. Los electrones excitados bajan al primer nivel de donante. Los electrones deben salir de la trampa antes de volver a la banda de valencia. Cuando se elimina la fuente, existe un retraso y los electrones escapan.