Notas de clase optoelectronica

Corporación Universitaria Autónoma del CaucaSonia Maritza Henao DuqueIngeniera Física – Universidad del CaucaEspecialista en Electromedicina y en Gestión Tecnológica Hospitalaria – Universidad Autónoma de Occidente – Santiago de Cali.

El objetivo del curso es adquirir los conceptos básicos y principios de funcionamiento de los dispositivos semiconductores en Optoelectrónica, principalmente los dispositivos que realizan la generación (diodos emisores de luz, diodos láseres semiconductores) y detección (fotorresistencias, fotodiodos, fototransistores etc.) de luz, así como también, los circuitos electrónicos asociados a los dispositivos opto electrónicos definidos anteriormente.

SENSORES OPTOELECTRONICOS

Fotodiodos FotorresistenciasFototransistoresFototiristoresFotoceldasDiodos Emisores de LuzDisplaysCeldas SolaresDetectores de InfrarrojosDetectores de Ultravioleta

Comparación de Fotodetectores Otros fotodetectores Combinaciones Fuente – Detector Sensores de imagen – características de los comerciales actualmente. Dispositivos de óptica integrada - filtros ópticos analizadores de espectro óptico - Otros sistemas ópticos - Espectrofotometría y EspectrofluorimetríaNOTA: Para todos los sensores se establecerá principio físico de operación– Curvas características – Aplicaciones – Criterios de Selección y especificaciones técnicas de los sensores más utilizados en la actualidad. 

SENSORES OPTOELECTRONICOS

LEY DE DESPLAZAMIENTO DE WIEN

Tomado de INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUSI POTOSÍ ING. ALFONSO PEREZ GARCIA. Página 107

Las propiedades eléctricas de los semiconductores se alteran dramáticamente tras la absorción de fotones.

Tipo N Tipo P

Semiconductor cuya conductividad eléctrica aumenta con la llegada de fotones y que sirve para medir ese flujo. Si se coloca en un circuito eléctrico, la corriente eléctrica aumenta proporcionalmente al flujo detectado de fotones.

Los fotoconductores resistivos tienen coeficientes de temperatura que varían considerablemente con el nivel de la luz y con el material.

Los fotorresistores tienen un efecto de memoria a la luz; es decir, su resistencia específica depende de la intensidad y duración de una exposición previa y al tiempo transcurrido desde una exposición anterior.

Resistencia de oscuridad, valor de la resistencia después de 20 segundos. En la oscuridad (104≤ RD ≤ 109Ω).

La disipación máxima, (50 mW – 1W). Resistencia de iluminación(100 Lux), (10≤ RI ≤ 5x103Ω). Voltaje Máximo, (600V). Respuesta Espectral. Tiempo de respuesta, ( su principal desventaja).

Alta sensibilidad (debido a la gran superficie). Fácil empleo. Bajo costo. Alta relación resistencia luz-oscuridad.

Efectos de histéresis. Estabilidad por temperatura baja para los materiales más rápidos. Respuesta lenta en materiales estables. Falta de linealidad entre resistencia e iluminación.

Las fotoceldas son dispositivos de película delgada que se fabrican depositando una capa de material fotoconductivo sobre un substrato cerámico. Estas películas delgadas de material fotoconductivo tienen una alta resistencia de hoja. Por lo tanto el espacio entre estos dos contactos se hace delgado para una celda de baja resistencia con niveles de luz moderados.

SenSanPreSenCia

oauSenCia

De Luz

Costo mas bajo disponible Rango dinámico amplio, cambios de resistencia de varios ordenes

de magnitud entre luz y no-luz. Baja distorsión de ruido. Voltajes máximos de operación de 5 a 400 volts aptos para operar

en 120/240 volts de AC. Fácil de usar en circuitos de DC o AC-son resistencias variables

con la luz y por consiguiente simétricas con referencia a las formas de onda de AC.

Se pueden usar con la mayoría de las fuentes de IR tales como LEDS, neones, lámparas fluorescentes e incandescentes, lasers, flamas, luz solar, etc.

Disponibles en una amplia gama de valores de resistencia.

Control de exposición en cámaras.Maquinas fotocopiadoras.Equipo de prueba de colorimetría, Densímetro.Basculas electrónicas .Control automático de ganancias, fuente de luz modulada.Luces frontales superiores automáticas.Control de luces nocturnasSensado de apagado de flama en quemadores

Control de luces publicasAusencia/Presencia (interruptor de haz)

Sensor de posiciónControl de luz nocturna

Control de luces publicasAplicaciones de interferencia de haz

Sistemas de seguridad

Que clase de rendimiento se requiere de la celda .

????Que clase de ambiente debe soportar la celda .

Sensitividad.

La sensitividad de un foto detector es la relación entre la caída de luz en el dispositivo y la señal de salida resultante.

Relación entre la luz incidente y la resistencia correspondiente de la celda.

FOTOCELDA

http://optoelectronics.perkinelmer.com/

La iluminación esta expresada en unidades de pie candela y luxes. La fuente de luz es una lámpara incandescente. Esta lámpara es especial solamente en su composición espectral de la luz que genera, y se equipara la de un cuerpo negro a una temperatura color de 2850 ° K. Este tipo de fuente de luz es un estándar industrial

Al paso de los años Perkin Elmer ha desarrollado diferentes “tipos” de materiales semiconductores, a través de modificaciones hechas a la composición química del detector. Para un material dado de foto conductor, a una iluminación dada, la película foto conductiva tendrá una cierta resistencia de hoja. La resistencia de una foto celda a este nivel de luz esta determinada por la geometría del electrodo.

Tomado de Página 52 de 238 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUSI POTOSÍ ING. ALFONSO PEREZ GARCIA – CURSO OPTOELECTRONICA

Así como el ojo humano, la longitud de onda relativa de la celda fotoconductiva es dependiente de la longitud de onda (color) de la luz incidente. Cada tipo de material fotoconductor tiene su propia curva de respuesta longitud de onda de respuesta relativa de la foto celda “vs” la longitud de onda de la luz.

Las curvas de respuesta se proporcionan en los datos del fabricante y varían dependiendo el material.

Las graficas de resistencia de las fotoceldas versus la intensidad de luz, dan como resultado una serie de curvas con pendientes características diferentes

La sensitividad de una foto celda esta definida como su resistencia a un nivel definido de iluminación.

RESISTENCIA DE OSCURIDAD .

Es la resistencia de la celda bajo condiciones de cero iluminación

La resistencia de oscuridad determina cual es la máxima corriente de fuga que puede ser esperada cuando se aplica un determinado voltaje a través de la celda. Una corriente de fuga muy alta podría producir falsos disparos en algunas aplicaciones.

La resistencia de oscuridad se define como la mínima resistencia que puede ser esperada 5 segundos después de que a la celda se le quito una fuente de luz de una intensidad de 2 pies candela. Los valores típicos de resistencia de oscuridad tienden a estar en el orden de 500k ohm a 20Mohm.

Cada tipo de material foto conductivo tiene su propia característica de temperatura versus resistencia, además los coeficientes de temperatura de los fotoconductores son también dependientes del nivel de luz en el que las celdas están operando

De las curvas de los diferentes materiales es aparente que el coeficiente de temperatura es una función inversa del nivel de luz

La velocidad de respuesta es la medida de la velocidad a la cual la foto celda responde a un cambio. de luz a oscuridad

HISTERESIS Todas las celdas fotoconductivas presentan un fenómeno conocido

como histéresis, memoria de luz o efecto de historial de luz. Definido simplemente, una foto celda tiende a recordar su condición mas reciente de almacenaje (oscura o iluminada) y su conductancia instantánea es función de su condición previa. La magnitud del efecto “memoria” depende del nuevo nivel de luz y del tiempo en este nuevo nivel, este efecto es reversible.

Historial de luz infinita (RLH). Historial de oscuridad infinita(RHD).

La química de los materiales foto conductivos dicta un rango de operación y almacenaje de 40 ° C a 75 ° C.

VOLTAJE MÁXIMO DE LA CELDA .

En ningún momento el voltaje máximo de la celda debe ser excedido, el diseñador deberá determinar el voltaje pico máximo que la celda experimentará el circuito y escogerá la celda apropiada. Los voltajes típicos van de los 100 a los 300 volts.

Medida de luz de poca precisión y económica, control de alarma y de relés.

Los Fotodiodos son dispositivos basados en la unión de dos zonas de un mismo semiconductor con dopado inverso: unión p-n.

Los fotodiodos generan una corriente o voltaje al ser iluminados.

CARACTERISTICAS Excelente linealidad Bajo ruido Respuesta espectral amplia.

Efecto fotoemisivo: La fotoemisión es el proceso físico en el que un fotón es capaz de arrancar un electrón (fotoelectrón) del material que lo absorbe.

La emisión del electrón depende de la naturaleza del fotocátodo y de la energía del fotón incidente.La energía del fotoelectrón depende de la energía del fotón incidente.-El número de fotoelectrones depende de la irradiancia:número de fotones incidentes.

Un fotodiodo tiene dos terminales, un cátodo y un ánodo. Tiene una baja resistencia en directa (ánodo positivo) y una resistencia alta en inversa (ánodo negativo).

La medida de la sensibilidad es el cociente de la energía radiante incidente sobre el fotodiodo y la corriente de salida del fotodiodo en amperes. Se expresa como una sensibilidad absoluta en amperes por watt (A/W).

Curva típica de sensibilidad que muestra A/W como función de la longitud de onda

La longitud de onda de radiación a ser detectada es un parámetro importante. Como se pudo ver de la grafica, el silicio llega a ser transparente para longitudes de onda mayores que 1100 nm. Por lo tanto no es apto para usarse con longitudes de onda mas allá de ésta. La luz ultravioleta por el contrario se absorte en los primeros 100 nm del grosor del silicio. Aun la preparación más cuidadosa de la superficie deja algunos daños, lo cual reduce la eficiencia de recolección para esta longitud de onda (λ). Además otras capas en la superficie afectan la respuesta espectral del dispositivo. Es normal aplicar capas antireflejantes, las cuales amplían la respuesta hasta en un 25% en la λ requerida.

La salida del fotodiodo cuando esta polarizado inversamente es extremadamente lineal con respecto a la iluminación aplicada a la unión del fotodiodo.

La capacidad de los fotodiodos para convertir energía luminosa en energía eléctrica, se expresa como un porcentaje, este es la eficiencia Cuántica.

Nota: Operando bajo condiciones ideales de reflectancia, estructura cristalina y resistencia interna, un fotodiodo de silicio de alta calidad de diseño optimo debería de ser capaz de aproximarse a una QE de 80%

El incremento en la temperatura de operación del fotodiodo resulta en dos cambios de las características de operación.

Corrimiento de la eficiencia cuántica

Incremento exponencial en la excitación térmica

El diseñador necesita saber la luz mínima detectable del fotodiodo

Nota: El ruido generado por un fotodiodo, que opera en polarización inversa, es una combinación del ruido de disparo, debido a la corriente de fuga de oscuridad y el ruido Johnson producido por la resistencia shunt del dispositivo y la temperatura ambiente.

RUIDO JHONSON

Nota: El ruido de disparo es el componente dominante de la corriente de ruido de un fotodiodo polarizado inversamente.

Esta es la medida de la velocidad de respuesta del fotodiodo a una señal impulso de entrada de luz. Es el tiempo requerido para que el nivel de salida se incremente de un 10% a un 90% del valor final de salida.

Voltaje inverso máximo (Vr)Cualquier voltaje inverso aplicado deberá de mantenerse por abajo del voltaje máximo especificado (Vr max).

El tiempo de respuesta del fotodiodo es la suma de la raíz cuadrática media del tiempo de recolección de carga y la constante de tiempo RC que surge de la resistencia serie de la carga y la unión y las capacitancias parásitas. El tiempo de recolección de carga es dependiente del voltaje y esta hecho de un componente rápido y uno lento.

Respuesta de un fotodiodo a un pulso cuadrado de radiación

Los fotodiodos poseen considerablemente mejor respuesta en frecuencia, linealidad, respuesta espectral, y menor ruido. Entre las desventajas del fotodiodo se incluyen: área activa pequeña, un aumento rápido de la corriente oscura con la temperatura, tensión offset y necesidad de amplificación para radiaciones de baja potencia.

Los fototransistores combinan en un mismo dispositivo la detección de luz y la ganancia. Su construcción es similar a la de los transistores convencionales, excepto que la superficie superior se expone a la luz a través de una ventana o lente.

Respuesta espectral: la curva de respuesta espectral nos proporciona una indicación de la habilidad del dispositivo para responder a las diferentes longitudes de onda

Respuesta espectral de un fototransistor de la serie MRD300 de Motorola expuesto a una radiación de energía constante

La ley de Lambert de la iluminación establece que, la iluminación de una superficie es proporcional al coseno del ángulo entre la normal de la superficie y la dirección de la radiación. Así el alineamiento angular de un foto transistor y su fuente de radiación es muy significativo.

La sensitividad de un foto transistor es una función de la eficiencia quantica del diodo colector-base y también de la ganancia de corriente DC del transistor.

La respuesta del foto transistor es por lo tanto dependiente de la temperatura color de la fuente. Las fuentes incandescentes operan generalmente a una temperatura color de 2870 ° K.

Respuesta relativa de la serie MRD300 como una función de la temperatura color.

Un sin número de aplicaciones necesitan usar el foto transistor en temperaturas ambiente fuera de lo normal en un cuarto. La variación de la foto corriente con la temperatura cambia de manera lineal aproximadamente con una pendiente positiva de 0.667% /° C

La variación de la hfe con respecto a la corriente de colector da como resultado una respuesta no lineal del foto transistor sobre ondas de gran señal. Sin embargo la respuesta a pequeña señal es aproximadamente lineal.

Una buena aproximación cualitativa de las características de ruido del dispositivo se puede obtener midiendo la figura de ruido bajo condiciones estándar.

Figura de ruido de 1 KHz para el MRD300

El fototransistor es un dispositivo activo sensible a la luz de una sensitividad moderadamente alta y relativamente rápido. Su respuesta es función de la intensidad de luz y la longitud de onda (λ) y se comporta básicamente como un transistor bipolar estándar con una corriente de fuga de colector-base controlada externamente.

El fotofet es similar a un FET convencional, con la excepción de contar con una lente para enfocar la luz en la unión de la puerta. Este dispositivo fotofet proporciona una excelente combinación de unión PN fotosensible con un dispositivo de alta impedancia y amplificadores de bajo ruido

Combinación de unión fotosensible y el bajo ruido con la amplificación a alta impedancia de una unión FET.

Eliminación de algunas fuentes de ruido, tales como el ruido de recombinación existente en los transistores bipolares.

Umbral de sensibilidad ajustable mediante el terminal de puerta. Compensación de temperatura mediante una polarización

adecuada. Tolerancia de radiación superior. Menor tensión de offset, que permite un comportamiento superior

como conmutador. Mayor ganancia de potencia que en muchos fototransistores. Superior respuesta en frecuencia que en los fototransistores.

Menor área efectiva sensible. Menor sensibilidad y D* que algunos fotodiodos de área mayor. Mayor mínimo de corriente oscura que en los fotodiodos (baja

polarización) y aumento del Consumo de potencia y la baja corriente oscura.

Respuesta lenta y mayor ruido térmico y se requiere un resistor de puerta alto para tener sensibilidad.

Margen lineal limitado (características de transferencia).

Los fototiristores son como los fototransistores o FET muy similares a sus correspondientes convencionales, excepto en la adición de una ventana o lente para enfocar la luz en un área apropiada. Tienen tres terminales, y por tanto, el umbral del disparo óptico puede controlarse electrónicamente. La ventaja principal del fototiristor es que es un excelente conmutador, con una capacidad de gobernar potencias muy superiores a otros fotodetectores.

SCR activado por Luz

La salida de un foto-SCR no es proporcional a la radiación incidente como en el caso de los fotodetectores anteriores. El foto-SCR está CORTADO (baja corriente de ánodo) antes que una irradiancia adecuada lo dispare y CONDUCE en cuanto se supera el umbral óptico. La corriente de ánodo no varía prácticamente con el nivel de luz. Como los fototiristores se aproximan a los conmutadores, sus aplicaciones principales son para sistemas ópticos lógicos, tales como contadores clasificadores y funcionamiento como relés.

Perdidas debidas a los materiales de construcción(GaAsP/ GaAs η=0.15, GaAsP/ GaP η=0.76).

Perdidas FRESNEL(en dos elementos con diferente índice de refracción una parte de la radiación se refleja).

Pérdidas por ángulo crítico

Es importante y generalmente las características nos dicen la luminosidad a media intensidad. Esto es el ángulo al cual la intensidad luminosa es la mitad de la del eje del LED.

Los leds tienen un tiempo promedio entre fallas que usualmente esta en el rango de 100,000 a 1,000,000 de horas. Este es un tiempo muy grande para la operación continua, considerando que un año es de 8760 o 8784 horas, en la practica la medida útil de la vida de un led es la mitad de su vida, esto es que un led se ve considerado para alcanzar el fin de su vida cuando su salida de luz ha llegado a la mitad de lo que originalmente era.

Velocidades extremadamente altas (pocos nanosegundos). Ancho de banda espectral estrecho, centrado próximo al pico de

respuesta de muchos detectores de Si. Bajo costo. Larga vida comparada con las lámparas. Linealidad en un amplio margen. Adaptable a funcionar con láser coherente. Funcionamiento a baja tensión, lo cual los hace compatibles con

circuitos integrados. Variedad de colores.

La potencia de salida radiante y la situación del centro de longitud de onda dependen de la temperatura.

Fácil destrucción por sobretensión o sobrecorriente. Teóricamente no se consigue buen rendimiento excepto con

enfriamiento especial o trabajo intermitente.

Cada sistema óptico incluye una fuente de flujo óptico, un medio de transmisión y un detector, en el análisis de los sistemas, el flujo luminoso y la responsividad del sensor son considerado constantes y consecuentemente los cambios de incidencia en el sensor son resultantes de la modificación de la transmisión.

Cuando se combina una fuente óptica (generalmente un Led) con algún tipo de detector óptico (generalmente un semiconductor de si) en un solo encapsulado, el dispositivo resultante se llama optoacoplador.

Un opto acoplador también llamado opto aislador, es un componente electrónico que transfiere una señal eléctrica o voltaje de un circuito a otro, en tanto que mantiene el aislamiento eléctrico entre ambos.

FUNCIONES Aislar un circuito eléctrico de otro, sobre todo cuando tienen

diferentes niveles de voltaje. Prevenir el acoplamiento de ruido eléctrico o transitorios de voltaje.

Con la luz incidiendo sobre el foto diodo ,sus características fotovoltaicas crearán una foto corriente IL o Iout, la cual fluirá en el diodo, con una resistencia de carga conectada a las terminales del acoplador, la foto corriente desarrollara un voltaje VL a través de la carga VL = Iout x RL.

Dado que el CTR de un opto acoplador con una salida de foto diodo es muy bajo (10 al 15 %) un método que se prefiere es reemplazar el foto diodo con un foto transistor bipolar . El transistor bipolar con su inherente ganancia de corriente, Β, proveerá una considerable aumento en el CTR (alrededor de 50 al 100%) dependiendo de la beta del foto

Si aun es necesario un CTR mas alto, el transistor bipolar puede ser reemplazado por un transistor Darlignton que sirva como detector

en la sección de salida.

Si la salida de un optoacoplador es un foto SCR, la función de este es conmutar la parte positiva de un voltaje de AC a través de la carga, operando bajo los mismos principios que un SCR ordinario

Descripción Del proDuctoLa información del tipo de optoacoplador, configuración del circuito, linealidad, respuesta de frecuencia, velocidad de conmutación, voltaje de aislamiento y aplicaciones típicas se listan en las hojas de datos del fabricante.

DiAGrAMA Del pAQuete

El paquete y sus especificaciones aparecen en la hoja de datos e incluye información sobre las dimensiones del paquete, detalles de montaje, espaciamiento de terminales y designación y material de las terminales

VAlores MAXiMos ABsolutos.El voltaje máximo diferencial que el dispositivo puede soportar entre las secciones de entrada y salida, este depende del material que se utiliza para el aislamiento – aire vidrio o plástico, los valores típicos de aislamiento varían de 500 a 6000 volts.

conDiciones De teMperAturA.

Temperatura de operación y almacenaje.Paquetes plásticos varían de -55°C a +100°C.Los dispositivos herméticamente sellados van de -55°C a +125°C.

Estas especificaciones son identicas a aquellas que se definen en la sección de “Valores Máximos Absolutos” según corresponda al dispositivo:

FOTODIODO

Estas especificaciones son identicas a aquellas definidas para un LED en la sección de “Características eléctricas” e incluyen:

Fotovoltaico Foto = luzVoltaico = electricidad

Luz del sol Electricidad

Cada fotón con suficiente energía normalmente liberará un electrón y por lo tanto un hueco libre también. Si esto pasa muy cerca del campo eléctrico, o si un electrón libre y un hueco libre vagan cerca por su región de influencia, el campo enviara al electrón al lado N y un hueco al lado P.

Los detectores analizados tienen una característica en común: integran en el espacio y en el tiempo la cantidad total de luz que incide en ellos. Por ejemplo, si un haz luminoso de flujo radiante dado incide en una pequeña área de la superficie de un fotodiodo, entonces producirá la misma respuesta que el haz de igual flujo que cubre toda el área del diodo (figura1). Sin embargo, al saturar con luz el detector, producirá una respuesta proporcional al flujo radiante por unidad del área del detector. Al mover el detector a través del campo luminoso se produce una respuesta que varía con la irradiancia de punto a punto de la luz incidente.

CCD (Disposit ivo Acoplado por Carga)

CIS (Sensor de Imagen de Contacto)

APS (Sensor de Pixeles Activo)

VIS (Sensor de Imagen Variable)

El CCD conduce su información mediante la transferencia eficiente de paquetes de carga eléctrica a través del dispositivo. Las ventajas ofrecidas por la tecnología CCD son el incremento en la densidad de encapsulamiento con respecto a la del arreglo de fotodiodo, la libertad en cuanto al retraso y a la fluorescencia y la sensibilidad a bajos niveles de luz.

Una fuente de luz para iluminar el documento. Un lente para centrar la imagen del documento en un sensor de

imagen. Un sensor de imagen.

Modulo CIS

El principio del APS, consiste en asociar al detector fotosensible en cada célula pixel (fotodiodo o fotoMOS) varios transistores activos para proporcionar una ampliación y una selección de la señal que proviene de las cargas fotogeneradas. La señal de voltaje es entonces transferida hasta la salida a través de un column-bus, como en una célula de memoria. Con este principio ya no se necesitan, como en los CCD, las numerosas transferencias de carga de pixel a pixel hacia la salida del CCD.

Los pixeles de Foveon X3 maximizan el uso de la luz puesto que los tres colores se recogen en cada pixel. Con los sensores de la imagen de Foveon X3, las fotografías están agudas y virtualmente libres de artefactos del color. "el detalle y el color fotográficos que se puede alcanzar con esta tecnología es sin igual," "pixel por píxel las cámaras fotográficas digitales basadas en Foveon X3 entregará imágenes de la más de alta calidad que cualquier otro sensor de

imagen."

Cámara tradicional de TV

Un filtro óptico es un medio que sólo permite el paso a través de él de luz con ciertas propiedades, suprimiendo o atenuando la luz restante. Los filtros ópticos más comunes son los filtros de color, es decir, aquellos que sólo dejan pasar luz de una determinada longitud de onda.

De acuerdo a su acción

Absorción: si absorben parte de la luz

Reflectivos: si la reflejan

Fil tros dicroicos Fil tros polarizadores Fil tro de excitación Fil tro de Lyot Fil tro de resonancia atómica Fil tro espacial Fil tro Chelsea Fil tro Christ iansen

Filtros dicroicos para luz ultravioleta

Un f i l t ro dicroico o interferencial está formado por una lámina transparente que posee un recubrimiento reflectante en una de sus superficies que refleja la luz que se desea filtrar. De este modo se consigue separar la luz en dos haces cromáticos mediante el principio de interferencia.

se fabrican depositando en el vacío capas de sustancias reflectivas sobre un sustrato, generalmente de vidrio. Variando el número y grosor de estas capas se puede ajustar el filtro a la frecuencia y ancho de banda deseado con mucha precisión.

Diagrama de acción de un filtro polarizador

Los filtros polarizadores permiten únicamente el paso de luz polarizada en cierto plano. También pueden ser absorbentes, si absorben la radiación no polarizada en el ángulo deseado o de división de haz, si dividen la luz en un haz polarizado y otro no polarizado.

Se emplean polarímetros para medir las propiedades ópticas de las sustancias orgánicas.

Filtro de excitación

Estos filtros seleccionan la longitud de onda de excitación para producir fluorescencia en el espécimen observado bloqueando el resto de la luz procedente de una fuente que suele ser una lámpara de arco de xenón o una lámpara de vapor de mercurio generalmente luz de onda corta

Está formado por una o más láminas birrefringentes, generalmente de cuarzo, siendo cada lámina de la mitad de grosor que la anterior. Debido a la birrefringencia de las placas los componentes de polarización ordinaria y extraordinaria del haz de luz tienen un índice de refracción distinto y por tanto distinta velocidad de fase, por lo que el estado de polarización de la luz se modificará al atravesar el filtro.

Este es un filtro usado en investigación científica para filtrar radiaciones electromagnéticas con extrema precisión y mínima pérdida de intensidad de señal Produce emisiones de una amplitud de banda sumamente estrecha y puede trabajar en una longitud de onda desde el infrarrojo al ultravioleta.

Filtro Espacial

Generalmente se usan para filtrar la salida de un láser suprimiendo las aberraciones debidas a imperfecciones en la óptica que impiden que sea perfectamente convergente, produciendo un haz en el modo transversal del resonador óptico.

Filtro chelsea

Es un filtro dicromático que permite el paso de frecuencias tanto en el rojo intenso como en el amarillo-verde (690 y 570 nm respectivamente) que corresponden con las bandas de emisión y absorción de la esmeralda. Es por ello que se emplea frecuentemente en gemología para distinguir la esmeralda auténtica de imitaciones. Esto es debido a la fluorescencia roja que emiten éstas al ser iluminadas con luz ultravioleta.

Una fibra óptica consiste en dos regiones concéntricas. La región interna es un filamento transparente llamado núcleo, cuyo diámetro suele estar comprendido entre 8 y 600 micras dependiendo del tipo de fibra óptica, y su índice de refracción es superior a la región externa. La región exterior consiste de un revestimiento de cuarzo o plástico al igual que el núcleo. Resultando que la luz inyectada en un extremo de la fibra, dentro de un determinado ángulo conocido como abertura numérica, es totalmente reflejada cada vez que incide en límite del núcleo/revestimiento. La luz continua reflejándose múltiples veces a través de la fibra por esta reflexión interna total, hasta que sale. por el otro extremo

n1 senθ1 =n2 senө2

Cuando la luz pasa de un medio a otro cambia de velocidad. Introduciéndose una deflexión en los rayos de luz denominada refracción. El término que define esta característica de un medio es el índice de refracción.

Así, dependiendo de las constantes de refracción de los materiales, existe un ángulo máximo θ1 = θmáx de incidencia de la luz sobre el extremo de la fibra para el cual toda la luz incidente se propaga.

Denominado ángulo de aceptación, αmáx, y su seno se conoce como apertura numérica (NA).

La apertura numérica denota el ángulo máximo de incidencia, αmáx con el cual toda la luz incidente es propagada por el interior de la fibra sin que se produzca refracción, solo hay rayo reflejado. Es lo que se denomina el fenómeno de la reflexión total, que constituye el principio fundamental para entender el comportamiento de la fibra como una guía de ondas. Para un ángulo superior de incidencia se perderá la luz incidente por refracción. El concepto de apertura numérica se usa para describir la potencia colectora de luz de la fibra y para calcular la eficiencia de acoplo fuente/fibra.

Dependiendo del tipo de propagación de la señal luminosa en el interior de la fibra, éstas se clasifican en los siguientes grupos.

MONOMODO

MULTIMODO

En una fibra monomodo, la luz puede tomar un único camino a través del núcleo, que mide alrededor de 10 micras de diámetro. Las fibras multimodo tienen núcleos entre 50 y 1000 micras. Las fibras monomodo son más eficaces a largas distancias, pero el pequeño diámetro del núcleo requiere un alto grado de precisión en la fabricación, empalme y terminación de la fibra.

Cuando se requieren anchos de banda muy grandes se usan fibras monomodo. Estas fibras, en su construcción más simple, son iguales a las multimodo de salto de índice, solo que el diámetro del núcleo es muy pequeño (5-12 μm), pudiéndose propagar un sólo modo

Las señales incidentes con un ángulo cuyo seno sea inferior a la apertura numérica provocan la aparición de multitud de modos propagándose por el interior de la fibra .Esta es la razón del término multimodo para describir el tipo de fibra.

El guiado de la señal luminosa está causado por la reflexión total en la superficie de separación entre le núcleo y el revestimiento. El índice de refracción presenta un perfil definido por la expresión siguiente:

(siendo el Δ incremento del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento)En este tipo de fibra la apertura numérica, NA, puede aproximarse a la expresión:

Valores típicos de NA se encuentran entre 0,2 y 0,5.

◦ Vidrio/Vidrio: cubierta y núcleo de vidrio.

◦ Plástico/Vidrio: cubierta de plástico y núcleo de vidrio.

◦ Plástico/Plástico: cubierta y núcleo de plástico

En este caso el cambio de índice de refracción en el interior de la fibra es gradual, lo que provoca una propagación ondulada del rayo de luz.

La variación del índice de refracción en el perfil de la fibra da lugar a que la luz se propague según una trayectoria curva, en lugar de a tramos rectos como en las fibras de salto de índice. El mayor recorrido del rayo se compensa por la mayor velocidad de propagación (V=c/n) en la región exterior del núcleo.

La NA tiene un valor típico de 0,2 para estas fibras

Estas fibras provocan menos modos de propagación que las de salto de índice, reduciéndose la dispersión, y con ello un aumento del ancho de banda. Estas fibras son empleadas hasta distancias de 10 km.

El resultado consiste en que no se obtiene una fiel reproducción de la señal eléctrica original. La señal eléctrica proporcionada por el detector tiene más duración que la original. Entonces, se dice que el pulso entregado por el detector se ha ensanchado o dispersado.

La distorsión de los pulsos, que se evidencia como un pulso de mayor período que el original, puede considerarse como que el pulso se ha extendido un período de tiempo muy corto. Esto es cierto en el caso de velocidades de transmisión muy bajas. Una leve extensión del período cuando tenemos luz, con relación al período cuando no tenemos luz es insignificante.

Pero en los sistemas de transmisión ópticos, la luz es pulsada a unas velocidades muy altas. En un sistema operando a 90 Mb/s. Por ejemplo, el período del pulso en que tenemos luz es solo de 6 a 10 ns, y esto que 90 Mb/s no es una velocidad muy alta hoy en día. La distorsión del pulso introducida puede consecuentemente ser un porcentaje significante del período del pulso en tales aplicaciones.