ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

“ESTUDIO E INVESTIGACIÓN DE LA INGENIERÍA FOTÓNICA PARA EL DESARROLLO DE MÉXICO”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA:

BRUNO VELÁZQUEZ FLORES

ASESORES:

FIS. NUC. MIGUEL FERNANDO ROCHA BARAJAS ING. RAFAEL NAVARRETE ESCALERA

MÉXICO, D.F. 2013

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ACADEM CO ELÉCTRICA

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QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

POR LA OPCION DE TITULACION

DEBERA(N)DESARROLLAR

INGENIERO ELECTRICISTA

TESIS Y EXAMEN ORAL E INDIVIDUAL

BRUNO VELÁZQUEZ FLORES

"ESTUDIO E INVESTIGACIÓN DE LA INGENIERÍA FOTÓNICA PARA EL DESARROLLO DE MÉXICO"

OBJETIVO DEL TEMA:

EL OBJETO DE ESTE TRABAJO ES HACER UN ESTUDIO E INVESTIGACIÓN PARA FORTALECER LA IMPLEMENTACIÓN DE LA CARRERA DE INGENIERÍA EN FOTÓNICA EN LA ESIME ZACATENCO DEL I.P.N., BASADO EN: LOS CONCEPTOS DE FOTÓNICA., SUS AVANCES TECNOLÓGICOS y CIENTÍFICOS SUS APLICACIONES EN LA INDUSTRIA Y SUS INVESTIGACIONES TECNICOCIENTÍFICOS EN LA ACTUALIDAD, Y CON ELLO SUSTENTAR EL ESTUDIO DE SU VIABILIDAD DE RECURSOS HUMANOS Y MATERIALES PARA SU IMPLEMENTACIÓN.

PUNTOS A DESARROLLAR:

• INTRODUCCIÓN DEL CONCEPTO DE FOTÓNICA. • ANTECEDENTES TECNOLÓGICOS DE LA FOTÓNICA. • BASES TEÓRICA DE LA FOTÓNICA. • APLICACIOES ACTUALES EN LA INDUSTRIA. • ELEMENTOS MATERIALES ACTUALES EN LA TECNOLOGÍA FOTÓNICA. • BENEFICIOS ECONÓMICOS EN EL USO E IMPLEMENTACIÓN DE LA FOTÓNICA. • CONCLUSIONES

MÉXICO D.F." A 20 DE NOVIEMBRE DEL 2013.

ING. C AVID , JEFE D PARTAMENTO ¡' j

DE INGENIERÍA I ,_ . ., ',d" '"

a

A Dios

Antes que a nadie, agradezco a Dios el haberme dado la oportunidad de concluir mis estudios de nivel superior y permitirme la elaboración y presentación de esta tesis que será crucial para mi vida. Gracias Dios porque tus ojos han estado puestos en mí en cada instante de mi vida, porque tu diestra me ha sostenido, porque hasta aquí me has guardado.

b

A mi familia

Con todo mi cariño y mi amor para las personas que hicieron todo en la vida para que yo pudiera lograr mis sueños, por motivarme

y darme la mano cuando sentía que el camino se terminaba, a ustedes por siempre mi corazón y mi agradecimiento.

c

A mis maestros

La base de la formación de un profesional es sin duda el grupo de formadores. No podría concluir mis agradecimientos sin manifestar mi gratitud a todos mis maestros que me dejaron claro que solo en el diccionario el éxito está antes que el trabajo. El esfuerzo con el que cada uno contribuyó a mi formación y los conocimientos que sembraron en mí serán las semillas que permitirán desenvolverme, desarrollarme y superar los retos en la Ingeniería Eléctrica. Al Doctor Jorge Arturo Maciel Suárez, con experiencia administrativa y docente, en el IPN, pero como plus, Presidente Nacional de Ingenieros en Comunicaciones y Electrónica, contribuyo en la presente tesis al motivarme con una amena platica en la que se denoto su gran experiencia y conocimiento de las nuevas tecnologías y con una postura firme de que la ESIME Zacatenco, siguiera siendo la pionera en México, de seguir instruyendo a sus Ingenieros con los nuevos avances tecnológicos, con su contribución en la creación de una nueva carrera en Ingeniería Fotónica. Agradezco de manera especial al Físico Nuclear Miguel Fernando Rocha Barajas por permitirme formar parte de su grupo de tesistas y asesorarme durante el desarrollo de la tesis y por ser un gran amigo, así mismo al ing. Rafael Navarrete Escalera por fungir como asesor de esta tesis permitiendo de esta manera que esta sea llevada a buen término.

Estudio e Investigación de la Ingeniería Fotónica para el Desarrollo de México

Bruno Velazquez Flores

ÍNDICE

PÁGINA

Prefacio. 1

Introducción. 2

CAPÍTULO 1. Antecedentes Introducción: fotónica. 1.1 Electro-óptica. 1.2 Áreas de aplicación 1.3 Uso en la vida cotidiana.

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CAPÍTULO 2. Antecedentes Tecnológicos de la Fotonica. 2.1 Avances hacia la fabricación en masa de chips fotónicos. 2.2 Superación de una barrera tecnológica. 2.3 Chips Fotónicos integrados. 2.4 La luz y la electrónica puede trabajar juntas dentro del silicio. 2.5 Circuitos fotónicos: Desarrollo tecnológico en la actualidad 2.6 Circuitos fotónicos el potencial de una nueva tecnología. 2.7 Aplicaciones múltiples

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CAPÍTULO 3. Bases teóricas de la fotónica. 3.1 Ecuaciones de ondas de anisótropos y no lineales. 3.2 Simetría cristalina del medio. 3.3 Efecto electro-óptico lineal y cuadrático. 3.4 Matrices electro-ópticas para la simetría cristalinas 3.5 Efecto Kerr 3.6 Fundamentos del efecto foto refractivo 3.7 Mezclado de ondas. 3.8 Moduladores espaciales de luz.

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CAPÍTULO 4. Aplicaciones Actuales en la Fotònica. 4.1 Dispositivos Fotónicos basados en medios cristalinos 4.2 Aplicaciones Prácticas Fotónicos ópticos 4.3 Concepto de sensores inteligentes 4.4 Osciladores Variables. 4.5 Conversor a frecuencia o periodo 4.6 Componentes comerciales y de investigación 4.7 Medidas de frecuencia 4.8 Sistema de comunicación para sensores 4.9 Comunicación simultánea analógica y digital: hart 4.10 Modelo Matemático para Estimación de Eficiencias Fotónicas No-Intrínsecas en Reacciones Fotocatalíticas Heterogéneas

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4.11 Metodología: formulación del modelo de eficiencia fotonica no intrínseca 4.12 Espectrómetro inteligente para la medición del flujo luminoso LED 4.13 Tamaño de partícula inteligente

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CAPÍTULO 5. Elementos materiales actuales en la tecnología fotónica. 5.1 Obra de la revolución limpia. 5.2 Redes inteligentes 5.3 Un desafío para los países emergentes y en desarrollo 5.4 Los consumidores como la fuerza motriz de la transición energética 5.5 Importancia mundial de las tecnologías ópticas 5.6 Descripción física de la interacción entre haz LASER y materia 5.7 Formación de segundo armónico 5.8 Solitones

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CAPÍTULO 6 Beneficios Económicos en el uso e implementación de la fotonica 6.1 Empleo de la fotonica en países europeos 6.2 Empleo de la fotónica en luces inteligentes 6.3 Escáneres 6.4 Los avances de la informática y comunicaciones del futuro 6.5 Información de la Empresa Intel 6.6 Estudio de la fotónica en otros Países 6.7 Líneas de Investigación 6.8 Películas delgadas y multicapas para sistemas ópticos 6.9 Biosensores 6.10 Patrones micrométricos de superficie 6.11 Aplicaciones fotónicas de silicio basados en nanoestructuras 6.12 Biofuncionalización y biofabricación. 6.13 Recubrimientos de baja emisividad 6.14 Infraestructura 6.15 Equipos de caracterización 6.16 Investigaciones recientes de dispositivos Fotónicos.

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Conclusiones Bibliografía

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Bruno Velázquez Flores

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Prefacio En la presente tesis “Estudio e Investigación de la Ingeniería Fotónica para el Desarrollo de México” se menciona la importancia que motiva el estudio de las ondas ópticas en medios con no linealidad cuadrática como son los solitones ópticos espaciales cuadráticos y la finalidad general del presente trabajo que incluye a esta clase de ondas y a las ondas armónicas en estos medios. Se describe además qué es la óptica no-lineal y los distintos fenómenos que presenta esta rama de la óptica, la fotónica con algunos de sus aspectos, la importancia mundial de este tipo de tecnologías y finalmente se explican las formas de solitones que existen, hacíendose una breve clasificación de éstos que termina con los solitones cuadráticos espaciales, los cuales son parte del objetivo principal de estudio del presente trabajo de investigación. Los solitones en medios disipativos presentan una rica variedad de formas y comportamientos. Desde escalar a los vectoriales, temporal y espacial de espacio-temporal, todos ellos se pueden observar en los láseres pasivamente modelocked y láseres de amplia apertura. Nuestro grupo ha de ser tomando como modelo genérico del uno controlado por la ecuación compleja de Ginzburg-Landau de quinto grado. Nuestros modelos predijeron la existencia de solitones vector estables, solitones explosivos o multisolitons, entre otros. Una hoja de ruta para diseñar láseres producen pulsos de alta energía ultra-cortos también se ha esbozado.



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Introducción La presente tesis “Estudio e Investigación de la Ingeniería Fotónica para el Desarrollo de México” presenta una base de estudio e investigación. La Óptica es la vieja y venerable rama de la Física que involucra la generación, propagación y detección de la luz. Tres desarrollos fundamentales logrados en los últimos 40 años. En analogía con la Electrónica, en años recientes surge el término Fotónica, reflejando el importante vínculo entre la óptica aplicada y la electrónica, forjado por el creciente papel que los materiales y dispositivos semiconductores juegan en los sistemas fotónicos. La investigación de la Fotónica de Silicio en Intel comenzó a mediados de la década del 90 con los esfuerzos para probar y medir los transistores dentro de microprocesadores en forma óptica. A pesar de que el silicio parece opaco a simple vista, éste es transparente a la luz infrarroja. Ciertos materiales cambian sus propiedades ópticas cuando son sometidos a campos eléctricos. Los materiales cristalinos se pueden clasificar en 32 grupos puntuales o clases cristalinas que se agrupan en 7 sistemas cristalográficos. La tecnología microelectrónica ha puesto al alcance de la sociedad un amplio abanico de soluciones que han marcado nuestra evolución tecnológica. Sin embargo, dicha tecnología presenta unas limitaciones que frenan el desarrollo y obligan a buscar nuevas soluciones tecnológicas. Una de las alternativas más prometedoras son los dispositivos fotónicos, esto es componentes capaces de realizar las mismas funciones que los dispositivos electrónicos pero utilizando la luz como vehículo de transmisión. A veces, la actualización completa de la red resulta ser el mayor desafío para los países en desarrollo. La explosión demográfica y la industrialización han incrementado dramáticamente el consumo de energía. En muchos países la producción apenas abastece la demanda. "La red inteligente está fuera de nuestro alcance. El costo de los equipos, la instalación y la capacitación del personal son demasiado altos", lamenta Tri Mumpuni, empresaria especializada en el suministro de energía en Indonesia. Sus micro-plantas hidroeléctricos que abastecen a zonas rurales de Asia se financian principalmente con fondos públicos. "La iluminación actual, tanto pública como terciaria, utiliza tecnologías obsoletas al tratarse de uno de los productos existentes con menor tasa de reposición por obra nueva". Según el presidente de Anfalum, en la iluminación pública la tasa de reposición es del 3% (cada 25 años de media); y en el sector terciario (locales comerciales, oficinas, etc.), de 15 años". Para concluir, la fotónica es otra rama de la ciencia que ha ayudado mucho a la tecnología avanzar, ya que tiene muchas aplicaciones, como la que mencionamos anteriormente, por lo que podemos decir que aún no estamos muy acostumbrados a usar en la vida diaria aparatos fotónicos, aunque cada vez las aplicaciones fotónicas están más presentes a nuestro alrededor.



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Capítulo 1 Introducción del concepto de fotónica



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1.1 Introducción: fotónica La Óptica es la vieja y venerable rama de la Física que involucra la generación, propagación y detección de la luz. 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

La transmisión de señales 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 agrupamiento 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.



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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 fotodetectores).

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.

En analogía con la Electrónica, en años recientes surge el término Fotónica, reflejando el importante vínculo entre la óptica aplicada y la electrónica, forjado por el creciente papel que los materiales y dispositivos semiconductores juegan en los sistemas fotónicos. El campo de la óptica es amplio y continúa manteniendo alto potencial de explotación. Así como la Electrónica involucra el control de flujo de carga eléctrica en el vacío o en la materia, la Fotónica involucra el control de fotones en el espacio libre o en la materia. Las dos disciplinas claramente se relacionan puesto que los electrones comúnmente controlan el flujo de fotones, y los fotones controlan el flujo de electrones 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



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1.2 Áreas de aplicación. No solo la física sino otras áreas de la ciencia y la tecnología se han mejorado por el uso de métodos basados en Láser en química, biología, ingeniería y medicina. Esto ha conducido a un maravilloso ámbito de nuevas aplicaciones como holografía, comunicaciones ópticas, sensores de picosegundos y femtosegundos, optoelectrónica, imágenes médicas y tomografía óptica coherente. Una cantidad de aplicaciones se han vuelto prominentes en la industria y la vida diaria:

La generación y el control de luz coherente de un Láser o luz incoherente de fuentes luminiscentes como los LED

La transmisión de luz en el espacio libre, a través de componentes ópticos convencionales como lentes, aperturas y sistemas de imágenes o a través de guías de onda como fibras ópticas

La modulación, conmutación y rastreo de la luz por el uso de dispositivos controlados eléctricamente, acústicamente u ópticamente

La amplificación y conversión de frecuencia de la luz por el uso de interacción de ondas en materiales no lineales

La detección de la luz.

Radiometría y Fotometría.

Todas estas áreas han encontrado aplicaciones crecientes en:

Comunicaciones ópticas

Procesamiento de señales

Computación óptica

Sensado

Metrología óptica

Despliegue, impresión

Transporte de energía

Uso en la industria.



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1.3 Uso en la vida cotidiana La Fotónica en la Ingeniería Eléctrica se introduce especialmente con la fibra óptica para comunicaciones pero también el Láser en otras áreas para favorecer procesos tecnológicos. Aplicaciones por áreas multidisciplinaria, serían para valorar, probar y diseñar equipos en caso de no existir, a menor costo, o para cierta parte de la investigación, montar un prototipo para luego adquirir un equipo comercial y mejorar un proceso.

Con Láser y óptica aplicada un químico puede analizar el contenido de una muestra con mayor precisión.

Un físico puede caracterizar una película delgada que representa un jabón.

Un biólogo puede reconocer diversas capas en la formación de un tallo

Un ingeniero mecánico puede medir micro vibraciones por medio de holografía o taladrar un micro rectángulo en una lámina de 6 milímetros de espesor sin deformación

Un ingeniero eléctrico puede sensar los estados de un proceso de un tanque de agua caliente o hacer controles remotos con infrarrojo

Un ingeniero químico puede ver en tiempo real con luz coherente el proceso de fermentación de la melaza

Un agrónomo además de poder sacar curvas de nivel con precisión puede usar un sistema que le dé los movimientos de tierra con precisión

Un geólogo puede notar con un Láser el grado de levantamiento de una placa o un terreno con el tiempo,

Un ingeniero civil puede medir la altura de un cerro o una montaña desde un solo punto lejano además de poder verificar la deformación de un puente o la fatiga de una placa de concreto de un muelle usando holografía de granulado "speckle".

Un tecnólogo de alimentos puede usar la difracción de la luz para revisar el tamaño de partículas de grasa que no deben ser mayores de cierto tamaño sin tomar muestras

Un especialista en materiales puede medir micro fisuras en un ladrillo o



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lámina de plástico, o un químico medir la contaminación de la atmósfera, entre otros

Un Láser industrial puede unirse a un sistema de robot y crear una herramienta poderosa.

Existen aparatos con la parte del Láser que sirve para entender más la tecnología y procesar materiales y la parte de control y robot sirve a Mecatrónica para estudiar y adaptar su diseño a otros proyectos

Existen las técnicas de Láser y óptica aplicada para usar el LIDAR o radar Láser para medir la contaminación de la atmósfera o sensar la incidencia de rayos con más precisión

La holografía virtual de “speckle” permite sensar y medir la condición de granos de café o macadamiza así como líquidos como leche para análisis químico.

1.3.1 Precedentes Esta sería una actividad multidisciplinaria donde una serie de expertos trabajan con el equipo y las técnicas para favorecer el quehacer universitario de investigación, desarrollo, academia y venta de servicios además de proyectarse fuera en la industria nacional y afuera del país.

De la misma forma que el microprocesador revolucionó la electrónica a partir de 1971, la transmisión de información fundada en la óptica está a punto de convertirse en el motor de la próxima ola de innovaciones.

La fotónica (generación y transmisión de la luz) tiene aplicaciones en casi todos los sectores industriales: tecnologías de la imagen y de la información, así como en la salud. La óptica y el fotón, después de haber conquistado las telecomunicaciones, van a invadir progresivamente nuestras computadoras y a duplicar sus posibilidades. La sustitución del electrón por el fotón en nuestras PC representa todavía un gigantesco desafío tecnológico, ya que hay que concebir y realizar nuevos tipos de

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transistores, componentes de memoria y circuitos capaces de utilizar en toda su potencia esta fascinante partícula elemental, constituyente básica de la luz. Recientemente, una nueva etapa importante en el dominio de la fotonica ha sido franqueada por investigadores franceses. Bombardeando proteínas de pollo con un rayo láser, científicos de Estrasburgo pueden haber puesto a punto el disco duro del futuro: la memoria holográfica, que podrá almacenar el equivalente a 27 DVD en un fino soporte del tamaño de un CD. Bautizada como hipermemoria difractiva, esta técnica recurre a las proteínas animales que almacenan datos y que se deforman bajo el efecto de un rayo láser, modulado a su vez en función de los datos a registrar. Deformadas de esta manera, las moléculas de las aves, una vez depositadas sobre un soporte de vidrio o de plástico, forman una imagen holográfica que puede ser leída con ayuda de un láser. Estos datos son inscritos gracias a la luz y almacenados en una imagen holográfica que contiene 128 gigas (Valdiosera, 2006). En materia informática, los investigadores de Intel han anunciado el desarrollo de un modulador óptico a base de silicio, operando a una frecuencia de 1GHz, 50 veces más elevada que los precedentes records. Ya es posible imaginar por tanto la aplicación de la Ley de Moore (indica que los procesadores deben duplicar su capacidad cada 18 meses) a los moduladores ópticos, es decir, de aumentar su potencia, miniaturizar su tamaño y el consumo eléctrico, de reducir su costo y de esta forma de integrar a la fibra óptica a todos los niveles de la cadena digital, desde el núcleo de un ordenador hasta las comunicaciones a larga distancia (Trégouët, 2004). Cada día que pasa aparecen nuevas aplicaciones de la fotónica. La luz láser está cada vez más presente en nuestras casas. En el campo de la salud también avanzan rápidamente las aplicaciones fotónicas. Por ejemplo, dentro de muy poco las radiografías se harán con luz láser visible, que es mucho menos peligrosa que los rayos X. En la industria cada vez son más los procesos que están controlados mediante la luz y las imágenes. Realmente es un panorama muy brillante (Arizmendi, 2007). 1.3.2 Empleo en la vida cotidiana

La electrónica funciona con electrones, y estamos muy acostumbrados a usar aparatos electrónicos como la radio, Por el contrario, la fotónica funciona con corrientes de partículas luminosas.

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La fotónica (generación y transmisión de la luz) tiene aplicaciones en casi todos los sectores industriales: tecnologías de la imagen y de la información, así como en la salud. La óptica y el fotón, después de haber conquistado las telecomunicaciones, van a invadir progresivamente nuestras computadoras y a duplicar sus posibilidades. La sustitución del electrón por el fotón en nuestras PC representa todavía un gigantesco desafío tecnológico, ya que hay que concebir y realizar nuevos tipos de transistores, componentes de memoria y circuitos capaces de utilizar en toda su potencia esta fascinante partícula elemental, constituyente básico de la luz, que se comporta como una partícula "puntual" y también como una onda difusa. [1] En medicina, astronáutica, informática o las tecnologías del sonido y la imagen, la fotónica y sus aplicaciones son inmensas. Las corrientes de partículas luminosas, los fotones, empiezan a hacerse hueco entre nosotros y algunas de sus aplicaciones ya son imprescindibles: los lectores de código de barras, las aplicaciones del láser en la medicina y la televisión digital, algunos otros aparatos clásicos, como las cámaras fotográficas, telescopios y microscopios, y otros más recientes, como los lectores de códigos de barras, los punteros láser, los láseres de las discotecas, etcétera. Casi todos estos aparatos combinan una parte electrónica y otra fotónica, como las pantallas de las PC, los proyectores de video, las cámaras fotográficas digitales y muchos otros desarrollos en boga. La fibra óptica y las comunicaciones ópticas a la velocidad de la luz son imprescindibles, pues cada día se requiere mayor movimiento de información por Internet y la televisión digital por cable, lo que hace necesario un sistema de alta capacidad de transmisión donde los conductores eléctricos quedan saturados. Por las fibras ópticas podemos enviar la información en forma de haz láser a la velocidad de la luz. Además, la más moderna tecnología permite enviar muchas comunicaciones a la vez por la misma fibra, enorme ventaja respecto de los cables eléctricos, simplemente usando luces de varios colores distintos. [2] Para poder entender en que se basa la fotónica tenemos que entender que la luz está compuesta por pequeñas unidades, los fotones, que tienen propiedades de física cuántica. Algunas de estas propiedades aún no han sido aplicadas, aunque parece que pueden tener mucho interés en campos como el de la computación óptica. La luz también está relacionada con la relatividad y con la astrofísica. La información que recibimos de los objetos espaciales es principalmente en forma de radiación luminosa. Los efectos relativistas observados en la luz que nos llega de las estrellas permiten obtener datos sobre el origen del universo. Como se puede apreciar, existe una gran relación con otros campos de la física, y en muchas ocasiones no está clara la frontera entre estos campos.



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Desde principios de la década de 1980 se ha empezado a utilizar radiación electromagnética, o sea de fotones, para la transmisión de señales. Estas señales se transmiten en cables de vidrio especial que han ido reemplazando a los cables metálicos, de cobre, en los que se envían las señales por medio de corrientes eléctricas. De esta manera se ha iniciado una revolución en las comunicaciones, que se vislumbra culminará en el próximo siglo con un cambio total en los dispositivos que ahora usamos basados en la electrónica es decir se podrá observar más rapidez en los equipos y una tendencia en la miniaturización de las cosas y esto será gracias a la fotónica. Por ahora lo que empieza a predominar es una mezcla de fotónica con electrónica que recibe el nombre de opto-electrónica pero conforme vallan pasando los años será la fotónica la que predomine y ya se puede observar algunos frutos como es el código de barras, los hologramas, telefonía, en la salud incisiones con láser que a la vez cauterizan las heridas o también el fibrascopio que con el ya se puede observar al interior del cuerpo humano como son los intestinos. Es importante resaltar los avances que se presentan día a día con la tecnología como se menciona arriba la fotónica es algo nuevo pero en unos años ya será algo de la vida cotidiana y por lo tanto los ingenieros tienen que estar actualizados.



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Capítulo 2 Antecedentes tecnológicos de la fotónica



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2.1 Avance hacia la fabricación en masa de chips fotónicos que ralentizan la luz Investigadores de la Universidad Politécnica de Valencia y una multinacional han dado un “paso clave” hacia el desarrollo masivo de chips fotónicos integrados. La novedad es el diseño de nuevas líneas de retardo (ralentizan la luz) con cristales fotónicos, según el estudio que publican en Nature Communications. UPV | 26 septiembre 2012 14:24

Un componente de 1,5 mm permite obtener la funcionalidad de kilómetros de fibra óptica. Imagen: UPV.

Un equipo del Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia (iTEAM) de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV) y la multinacional Thales publican esta semana en la revista Nature Communications un estudio sobre "filtros integrados basados en líneas de retardo de cristales fotónicos" que puede ser “clave” para desarrollar chips más avanzados en el futuro. El equipo ha diseñado y fabricado nuevas líneas de retardo con cristales fotónicos que abren un “abanico inmenso de posibilidades en el campo de la fotónica de microondas” al posibilitar la integración en chip de todas las funcionalidades que se realizan en este campo. Esto se aplica especialmente en las telecomunicaciones de banda ancha, donde la reducción de tamaño, consumo y el coste que puede comportar es un factor decisivo en su éxito comercial. “Las líneas de retardo ralentizan la luz y esto se consigue normalmente con un elemento dispersivo. Esto significa que si la luz que utilizo tiene un color –longitud de onda–, tarda una determinada cantidad tiempo en propagarse por un medio; si empleo otro color, tarda más o menos. Según queramos que la luz se retrase más o menos,



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hemos de cambiar la longitud de onda”, explica José Capmany, investigador del instituto iTEAM de la UPV. Uno de los elementos dispersivos utilizados para ralentizar la velocidad de la luz es la fibra óptica. “El inconveniente es que necesitas kilómetros de fibra para tener retardos apreciables, lo cual impide incorporar las funcionalidades que requieres en un chip”, apunta Capmany. 2.2 Superación de una barrera tecnológica Los investigadores han conseguido superar esta barrera tecnológica, desarrollando un componente de 1,5 mm que permite obtener una funcionalidad equivalente a lo que serían kilómetros de fibra óptica. “Lo hemos conseguido con una guía-onda de cristal fotónico de diseño especial y muy bajas pérdidas que se integra en un chip”, añade Salvador Sales, investigador del iTEAM y otro de los autores. El avance conseguido por los investigadores españoles, junto a otros franceses, resulta de especial relevancia para el sector de las comunicaciones móviles o inalámbricas en general. También en radar tanto civil como de defensa, en el campo de los sensores que funcionan con radiofrecuencia RFID, en aplicaciones aeroespaciales y para la comunicación vía satélite. “Nuestro componente puede integrarse en un chip, y permite reducir el coste y consumo energético de los equipos”, añade Capmany. Además, los hace mucho más estables y robustos, y permite compaginarlos con componentes electrónicos en un mismo sustrato para poder diseñar y producir subsistemas “de gran flexibilidad e inteligencia”. El desarrollo de esta tecnología es fruto del trabajo realizado en el proyecto europeo GOSPEL, cuyo objetivo es “gobernar” la velocidad de la luz mediante tecnologías “innovadoras y pioneras”, y del proyecto Aplicaciones avanzadas y emergentes de la fotónica de microondas, dentro del programa grupos de excelencia científica PROMETEO financiado por la Generalitat Valenciana. 2.3 Chips Fotónicos Integrados DAS trabaja en el diseño y desarrollo de dispositivos fotónicos integrados mediante el uso de sistemas de nanofabricación basadas en tecnología de Silicio (CMOS). Disponemos de experiencia en tecnologías integradas de metamateriales, nanohilos y cristales fotónicos para la elaboración de funcionalidades en distintos tipos de estructuras de materiales. Haciendo uso de estas estructuras de alto contraste se consigue un mayor control de la señal luminosa lo que permite la implementación de novedosas aplicaciones con una



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alta capacidad de integración. De esta forma se pueden implementar circuitos relativamente complejos en unas dimensiones muy reducidas. Otra de las ventajas es la compatibilidad con los procesos de fabricación en volúmenes en microelectrónica por lo que se consiguen dispositivos de bajo coste. Dentro de las tecnologías integradas disponibles destacan las siguientes: Tecnologías de ultra alto contraste de índices: En esta sección encontramos la tecnología SOI (Silicon on insulator) basada en el guiado en el silicio y la tecnología SiN (nitruro de silicio). También se ha trabajado con otros materiales como el CdTe. Tecnologías de alto contraste de índices: Cuando no se requieren altos niveles de integración es posible la implementación de estructuras de menor contraste de índices utilizando guiado en SiO2 o en polímeros. Adicionalmente, mediante la tecnología de Oxinitruro (SiON) es posible ajustar el contraste de índices desde el alto contraste al ultra alto contraste. Metalizaciones: Adicionalmente se trabaja con metalizaciones que permiten introducir electrodos de control eléctricos e implementar estructuras de metamateriales o basadas en resonancias de plasmones superficiales (SPR).

metamateriales o basadas en resonancias de plasmones superficiales (SPR).

2.3.1 Crean el dispositivo fotónico de silicio más rápido del mundo. Científicos de Intel Corporation lograron un importante adelanto utilizando procesos de fabricación de silicio para crear un novedoso dispositivo tipo transistor que puede codificar datos en un haz de luz. La habilidad de construir un modulador fotónico veloz (fibra óptica) a partir de silicio estándar podría conducir a la obtención de conexiones de fibra óptica de gran ancho de banda y bajo costo entre computadores, servidores y otros dispositivos electrónicos, y eventualmente también al interior de los computadores. Tal como se informó en la última edición del diario Nature, los investigadores de Intel dividieron un rayo de luz en dos rayos separados al pasar a través del silicio, y luego utilizaron un novedoso dispositivo tipo transistor para golpear un rayo con una carga eléctrica, induciendo un “cambio de fase”.



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Cuando se vuelven a combinar los dos rayos de luz el cambio de fase inducido entre los dosbrazos hace que la luz que sale del chip se prenda y se apague a más de un gigahertz (un mil millones de bits de datos por segundo), 50 veces más rápido que lo que se haya construido antes sobre silicio. Este patrón de luz encendida y apagada puede traducirse en los 1s y 0s necesarios para transmitir datos. “Este es un paso significativo hacia la construcción de dispositivos ópticos que mueven datos dentro de un computador a la velocidad de la luz”, dijo Patrick Gelsinger, vicepresidente senior y gerente de tecnología de Intel. “Es la clase de descubrimientos que se mecen a lo largo de la industria y a través del tiempo permitiendo la creación de nuevos dispositivos y nuevas aplicaciones. Podría ayudar a lograr que Internet funcione más rápido, a construir computadores de alto desempeño mucho más veloces y permitir aplicaciones de ancho de banda elevado como pantallas de ultra alta definición o sistemas de reconocimiento de la vista”. Hasta hoy la fabricación de dispositivos ópticos comerciales ha favorecido la creación de materiales caros y exóticos que requieren procesos de fabricación complejos, limitando de este modo su uso a aquellos mercados especializados como las redes WAN y las telecomunicaciones. La fabricación por parte de Intel de un modulador óptico rápido basado en la tecnología de silicio con un desempeño superior a 1GHz demuestra lo viable del silicio estándar como material para ofrecer los beneficios de los dispositivos ópticos de ancho de banda elevado a una gama más extensa de aplicaciones de computación y comunicación. 2.4 La luz y la electrónica pueden trabajar juntas dentro del silicio La investigación de la Fotónica de Silicio en Intel comenzó a mediados de la década del 90 con los esfuerzos para probar y medir los transistores dentro de microprocesadores en forma óptica. A pesar de que el silicio parece opaco a simple vista, éste es transparente a la luz infrarroja. “Del mismo modo que la vista rayos X de Superman le permite ver a través de las paredes, si tuviéramos visión infrarroja podríamos ver a través del silicio”, explicó Mario Paniccia, director de investigación de la fotónica de silicio en Intel. “Esto permite rutear la luz infrarroja en el silicio, que es de la misma longitud de onda que la que normalmente se utiliza para las comunicaciones ópticas. La manera en que se desplazan las cargas eléctricas en un transistor cuando se aplica voltaje puede utilizarse para cambiar el comportamiento de la luz a medida que pasa a través de estas cargas. Esto nos llevó a explorar manipulando las propiedades de la luz, como la fase y la amplitud, para producir dispositivos ópticos basados en el silicio”.



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¿Por qué traer la fibra óptica al chip? Ancho de banda. El gigahertz (1GHz) del dispositivo experimental de hoy equivale a un mil millones de bits de información viajando por una única fibra. Los investigadores de Intel piensan que pueden escalar la tecnología hasta 10GHz o más en el futuro. Un único enlace fotónico puede transportar múltiples canales de datos simultáneos a la misma velocidad hasta la radio de un auto o cientos de canales en una televisión por cable. Además, los cables de fibra óptica son inmunes a la interferencia electromagnética y al cruce de voces, lo que hace que los interconectores de cobre de alta velocidad tradicionales sean difíciles de construir. “Contamos con un programa de investigación a largo plazo para explorar cómo podemos aplicar nuestra experiencia en el área del silicio en otras áreas, con un objetivo a largo plazo de desarrollar dispositivos ópticos integrados”, dijo Paniccia. El informe acerca de esta investigación fue publicado en Nature, Volumen 428 del 12 de febrero. El documento, titulado “Un modulador óptico de silicio de alta velocidad basado en un condensador semiconductor de metal de óxido”, fue escrito por Ansheng Liu, Richard Jones, Ling Liao, Dean Samara-Rubio, Doron Rubin, Oded Cohen, Remus Nicolaescu y Mario Paniccia del Grupo de Tecnología Corporativa de Intel. 2.5 Circuitos Fotónicos: Desarrollo tecnológico en la actualidad Por: Francisco Villa y Jorge A. Gaspar* En nuestra vida cotidiana estamos interesados en eventos que ocurren en la escala del tiempo hasta el orden de segundos, por ejemplo cuando llamamos por celular, cuando nos medimos la presión arterial, etc.. Es por ello que nuestros relojes de uso común tienen como unidad mínima de medida el segundo. Con el desarrollo de las computadoras y su introducción gradual en casi todas nuestras actividades de manera irremediable, frecuentemente los segundos que tenemos que esperar ante el monitor para que nuestra computadora se inicialice o abra una aplicación, consumen una parte razonable de nuestro tiempo (en espera). Como consecuencia, siempre que es posible buscamos mejorar nuestro sistema de cómputo o sustituirlo por uno más moderno y de más rápida respuesta, o asistimos al cyber café que tenga la mejores máquinas. Dependiendo de nuestro grado de conocimiento de lo que es una computadora, podemos pedir simplemente que sea suficientemente buena (rápida) para desarrollar



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las tareas a la que nos dedicamos, acorde a nuestra actividad, o podemos especificar el tamaño de disco duro, monitor, memoria RAM, etc. Entre la lista de características específicas hay una que determina en mucho la “rapidez” de nuestra computadora: la frecuencia del procesador. Actualmente nos es familiar encontrar entre las opciones de procesadores 1.8, 2, etc., hasta 3.4 Gigahertz (Ghz). Este número es tan importante que el precio de la computadora va relacionado a él. A mayor frecuencia, el procesador será más rápido, el precio se incrementa y a cambio reducimos el tiempo de espera para ejecutar procesos. Dado que la frecuencia representa el número de ciclos por segundo, su reciproco representa el tiempo que tarda un solo ciclo. Por ejemplo en el caso del procesador de 3.33 Ghz un ciclo toma aproximadamente tres diez millonésimas de segundo (3/10 000 000 seg). En este tiempo el procesador se enciende y realiza una serie de cálculos utilizando los millones de transistores que lo constituyen, almacena la información procesada y luego se apaga para disipar el calor generado por las corrientes electrónicas en los materiales que componen los circuitos y después viene otro ciclo de proceso. ¡Entonces el interés por realizar nuestras tareas más eficientemente, lleva implícita la preocupación de hacer cálculos en esta nueva escala de tiempo! A pesar de la extraordinaria rapidez de los procesadores actuales para realizar cálculos, las tareas encomendadas a los procesadores a través de los programas de software son cada vez más complejas, de manera que la demanda por procesadores más rápidos y de arquitectura más compleja va en aumento continuamente. El problema en la actualidad es que la tecnología de los materiales del estado sólido utilizada para fabricar los circuitos integrados, está llegando al límite físico en que ya no es posible aumentar la densidad de componentes (transistores, diodos y capacitores) miniaturizando los circuitos, ni continuar incrementando la rapidez del procesador.



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Evolución de los procesadores durante los últimos años y su correlación entre frecuencia (diamantes) y numerode transistores (cuadrados). La escala para este número va mutiplicada por 1000. (Fuente: Intel).

Por esta razón, desde hace un par de años los fabricantes de procesadores están optando por modificar la arquitectura de diseño de los mismos para trabajar con grupos de ellos llamados clusters. Es por ello que recientemente empezaron a aparecer disponibles comercialmente los procesadores múltiples con los adjetivos duo (dos) o quad (cuatro). En base a lo anterior, los científicos ahora están buscando desarrollar tecnologías alternativas. Una tecnología que presenta buenas expectativas y a la cual los países del primer mundo le están dedicando gran cantidad de recursos, es la de los cristales fotónicos. Un cristal fotónico, se constituye de un arreglo periódico de diferentes materiales en una, dos o tres dimensiones. Si nos referimos a una dimensión en realidad estamos hablando de sistemas de capas delgadas, en dos dimensiones tenemos barras de cierta sección transversal y en el caso tridimensional tenemos cubos. En general los bloques o celdas de que se constituye un cristal fotónico pueden tener formas variadas. Lo interesante de estos sistemas es que si el tamaño de las celdas es del orden de la longitud de onda de la luz, entonces se pueden diseñar de tal manera que un haz de luz láser por ejemplo al iluminar al cristal sea completamente reflejado.



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Un sistema que refleje la luz es casi trivial de fabricar (¡Todos tenemos espejos de bromuro de plata en casa!), entonces ¿Para qué tanta complicación? Los espejos metálicos aunque no lo notamos, absorben parte de la luz que incide sobre su superficie y la convierten en calor. Los cristales fotónicos se pueden diseñar de tal manera que las perdidas sean despreciablemente pequeñas. Otra propiedad interesante de los cristales fotónicos, es que podemos abrir canales que en términos ópticos se llaman guías de onda, a través de los cuales la luz puede viajar.

Guía de onda en un cristal bidimensional. Hemos hecho incidir un haz de láser que al no poder propagarse al interior del cristal sigue precisamente el camino de la guía de onda sin sufrir pérdida de energía.

Las dimensiones del cristal mostrado en la última figura son del orden de una milésima de milímetro o más precisamente tiene un área de una micra cuadrada, entonces podemos tener algo así como un millón de estas guías de onda en un centímetro cuadrado. Se ha demostrado teórica y experimentalmente (en desarrollo) que es posible construir sistemas como estos que incluyan elementos ópticos análogos a los elementos de la electrónica (transistores, capacitares, etc.) para lograr conmutar, amplificar, dividir, mezclar, etc., etc., diminutos haces de luz con la finalidad de fabricar circuitos fotónicos que sean capaces de mejorar el desempeño de nuestros procesadores actuales y hacerlos hasta ¡1000 veces más rápidos que los que tenemos actualmente!. Entonces en una o dos décadas tal vez cuando vayamos a la tienda de computadoras podremos elegir nuestra máquina con un procesador de 3000 Ghz o equivalentemente 3 Terahertz (Thz). *Investigadores del Centro de Investigaciones en Óptica



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2.6 Circuitos Fotónicos: el potencial de una nueva tecnología Cristales Fotónicos Podrían Sustituir A La Fibra Óptica Tecnologías

Cristales Fotónicos Podrían Sustituir A La Fibra Óptica Tecnologías

Un equipo de investigadores que dirige el profesor Francisco Guitián está avanzando en el desarrollo de cristales fotónicos, materiales novedosos con aplicaciones muy diversas. Los expertos, que para los aspectos más teóricos colaboran con la Escuela de Óptica de la USC y de Física de la Universidad de Vigo, se ocupan del diseño y elaboración de estos dispositivos, lo que implica la manipulación de materiales a escala nanométrica. Hasta muy recientemente la industria fotónica se centró sobre todo en el modo de transmitir información, reemplazando las señales eléctricas a través de cables por pulsos láser en fibras ópticas. “En la actualidad –indica uno de los coordinadores del proyecto, el profesor Álvaro Gil González- la posibilidad de elaborar materiales que permitan controlar el flujo de la luz ha dado lugar a la idea de desarrollar dispositivos ópticos que puedan procesar información empleando sólo luz visible o infrarroja, sustituyendo así a los electrones como transmisores y procesadores de información”. En esta línea, los cristales fotónicos representan un nuevo tipo de materiales que hacen posible controlar el flujo de la luz a escala microscópica. Se caracterizan por estar ordenados como si tuviesen una estructura cristalina, de dimensiones nanométricas, en la que se puede prohibir la propagación de la luz en todas las direccións. Tal como explica el investigador, “se trata de materiales muy ordenados pero si en su interior se consiguen introducir defectos que rompan la geometría del cristal, entonces en esas regiones se hace posible la conducción de luz”. En consecuencia, “se puede guiar la luz de manera controlada a través del material, de forma más eficiente que en la fibra óptica”, asegura. El funcionamiento de estos cristales y mismo sus múltiples aplicaciones son hoy conocidas, pero la dificultad radica en su fabricación y manipulación. “La clave está en ser capaces de construir este tipo de estructuras, ya que se requieren unos materiales muy concretos, con elevado índice de refracción y, además, hay que trabajar a escala

http://www.conectronica.com/images/stories/CONECTRONICA140/Cristalesfotonicos.jpg



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nanométrica”, manifiesta el investigador. En este sentido, el equipo de la USC profundiza en el desarrollo de metodologías que permitan construir esos materiales de forma industrial. 2.7 Aplicaciones múltiples Estos materiales tienen aplicaciones muy diversas. “Una de sus posibilidades radica en el desarrollo de circuitos ópticos, lo que permitiría elaborar dispositivos integrados de transmisión, amplificación… y hasta un verdadero chip fotónico”, explica Gil. Además, se pueden emplear para el diseño de fibras que impidan el paso de la radiación infrarroja, de cara a la fabricación de ropa con estas características, o como aislantes térmicos. Otra potencialidad de estos cristales sería conseguir guiar a luz a través de fibra óptica fotónica, cuyo funcionamiento difiere radicalmente de la fibra óptica convencional, permitiendo guiar la luz con giros de hasta 60 grados. Además, ciertos dispositivos basados en cristales fotónicos pueden emplearse como sensores químicos o biosensores. También podrían llegar a sustituir a los circuitos electrónicos de los ordenadores, fabricar transistores fotónicos o mejorar los detectores de metales de los aeropuertos y demás escáneres de seguridad. “Y sería posible la obtención de láseres con mayor rendimiento que los actuales”, aclara el investigado, que añade que “estos cristales incrementarían el rendimiento de las bombillas convencionales, al sustituir su filamento por cristal fotónico, con lo cual se evitaría la pérdida de energía en forma de radiación infrarroja”. De modo general, se trata de procesar y conducir información mediante el empleo de la luz, lo que permitiría una mayor cantidad y velocidad de la información, frente a la que se procesa a través de los circuitos electrónicos convencionales. 2.7.1 Tres dimensiones Los investigadores emplean técnicas muy novedosas ya que se requiere mucha perfección. Una de ellas es la “escritura directa con tinta”, con la que se pueden elaborar estructuras en tres dimensiones. Esta técnica consiste en el uso de un dispositivo controlado por un ordenador en el que se desplaza, con precisión nanométrica, una jeringa que dispone de agujas con diámetros muy reducidos. Este dispositivo permite inyectar “tintas” en forma de estructura tubular de 0,5 micras de espesor. Su desplazamiento en las tres direcciones del espacio hace posible construir estructuras tridimensionales formadas por finos “tubos” del material inyectado.



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Capítulo 3 Bases teóricas de la fotonica



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3.1 Ecuaciones de ondas de anisótropos y no lineales. El vector desplazamiento eléctrico cumple en estos medios:

D(r,t)= (r,t)+ Operando de forma análoga al caso isótropo

Nótese que la contribución no lineal actúa como término fuente . •En el régimen lineal es necesario que: PNL -0 •Existen situaciones en las que el tensor susceptibilidad dieléctrica relativa depende del campo eléctrico E. Esto da origen a otra clase de linealidades que no se pueden describir por una polarización no lineal. •Uno de los ejemplos más representativos es la no linealidad fotorrefractiva. •En este caso: 3.2 Simetría cristalina del medio •Los materiales cristalinos se pueden clasificar en 32 grupos puntuales o clases cristalinas que se agrupan en 7 sistemas cristalográficos: •cúbico, trigonal, tetragonal, hexagonal, ortorrómbico, monoclínico y triclínico. •Desde el punto de vista óptico cualquier cristal pertenece a uno de los 3 grupos siguientes: isótropo, uniáxico, biáxico. •La clasificación viene determinada por la simetría del tensor diagonalizable:

εL=

•Los ejes principales del tensor se designan como ejes dieléctricos principales. •En un medio no disipativo la densidad de energía interna eléctrica en condiciones de equilibrio termodinámico es:



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•Los ejes principales están asociados al elipsoide de índices:

+

Interacción de la luz con un medio Birrefringente

Grado de birrefringencia:

, , ∆η= -



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3.3 Efecto electro-óptico lineal y cuadrático •Ciertos materiales cambian sus propiedades ópticas cuando son sometidos a campos eléctricos. •Efecto electro-óptico El cambio que se produce en el índice de refracción como resultado de la aplicación de un campo eléctrico constante o alterno a bajas frecuencias. Se modifica la birrefringencia del medio. La variación del índice de refracción n debida a la aplicación del campo es

∆(

El primer término corresponde al efecto electro-óptico lineal Pockels El segundo término corresponde al efecto electro-óptico cuadrático o efecto Kerr electro-óptico, es un proceso no lineal de tercer orden. El voltaje necesario para producir efecto Pockels es un orden de magnitud inferior al necesario para producir efecto cuadrático. (*): G.F. Calvo, “Óptica No-lineal”, en: Óptica Avanzada (M.L. Calvo, coord.) Ariel,Barcelona 2002. Capítulo 6



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Algunas constantes electro-ópticas

3.4 Matrices electro-ópticas para las simetrías cristalinas



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3.5 Efecto kerr Es un proceso de tercer orden. El propio campo eléctrico altera las propiedades ópticas del medio. La variación del índice de refracción depende de la intensidad del campo eléctrico propagado en el medio.

Un medio inicialmente homogéneo se vuelve inhomogéneo por la presencia de la luz, siguiendo la misma dependencia (local) espacial o temporal que el perfil de la onda. Puede dar lugar a fenómenos ópticos no-lineales particulares como el autoenfoque y los solitones ópticos. 3.6 Fundamentos del efecto foto-refractario • Material foto refractivo: Es un medio foto conductivo y electro-óptico. Sus propiedades ópticas quedan caracterizadas por el tensor electro-óptico El efecto foto refractivo se define a partir de cuatro procesos: a) Fotoinionización: Por efecto de la intensidad de la luz incidente emitiendo con una frecuencia particular. Parte de las impurezas donadoras quedan ionizadas. b) Difusión: Generación y transporte de portadores libres en las bandas de energía (conducción y valencia)



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c) Recombinación: Re-atrapamiento de los portadores libres por las impurezas donadoras. d) Generación de un campo eléctrico: Redistribución de cargas y creación de un campo eléctrico muy intenso (del orden de 104 V/cm): campo espacial de carga responsable de la modulación del índice de refracción. a) Fotoinionización: Las impurezas del Fe2+ pasan a impurezas de tipo Fe3+

c) Recombinación: Los iones Fe3+ se reconvierten en iones Fe2+ Los parámetros que intervienen en el proceso son: ND: densidad de donadores

: densidad de donadores fotoionizados

:: Densidad de aceptores fotoionizados

n: densidad de electrones



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3.7 Mezclado de ondas

3.7.1 Análisis microscópico: Formación de la red de índice El campo espacial de carga E modula el índice de refracción via efecto electro-óptico:

En la mayoría de los casos los materiales fotorrefractivos es el efecto Pockels el responsable de la modulación de índice. Induce una variación:

No se necesita iluminar con haces muy intensos. Ejemplo: láseres de baja potencia < 1W para obtener modulaciones de índice entre 10-4 y 10-3. Cuando la dirección del campo eléctrico es paralela a un eje principal del cristal y se opera en condiciones de coherencia parcial se puede suponer una dependencia escalar:



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Se obtiene una intensidad modulada:

Índices de refracción, coeficientes electro-ópticos y magnitud del efecto de algunos materiales foto-refractivos

3.7.2 Ecuaciones diferenciales básicas: Ecuación de Kukhtarev Formulación introducida por Kukhtarev en 1979, describe un modelo básico para la variación temporal del número de donadores en presencia de un fenómeno de fotoionización. Se establece una ecuación inicial de balance: Variación de donadores ionizados = proporción de donadores creados – proporción de recombinados La proporción de donadores generados es proporcional a la intensidad incidente y al número de donadores no-eficaz de fotoionización:



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La evolución temporal de donadores fotoionizados es: ţ< 10-9 s

Se cumple además: Solución de primer order a la ec. de Khutarev

3.7.3 Comportamiento numerico de la evolución temporal de la densidad de electrones en primera aproximación •Para obtener una solución de primer orden se introduce una linearización en el sistema de ecuaciones. •Se supone que los parámetros fundamentales del proceso no tienen dependencia espacial.

•Se supone que el tiempo de vida media de los electrones es prácticamente

igual al tiempo de recombinación.



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Ejemplos de dispositivos no-lineales con LiNbO3

Definición: Un cristal líquido es un estado intermedio de la materia entre sólido y líquido.

Cristales líquidos (LCD: Liquid crystal devices)

• El más común es el llamado cristal líquido nemático: • El conjunto de moléculas tienen una orientación, pero cada molécula carece de orden posicional. La dirección de alienamiento de las moléculas define un director nemático: n. • No son ferroeléctricas. • Tienen un momento dipolar permanente. Propiedades eléctricas de los cristales líquidos • Las moléculas forman un momento dipolar permanente.



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• Se estudia el efecto de la acción de un campo eléctrico E sobre la estructura del cristal líquido • Se induce una polarización: P = (ε-1) ε0 E • El grado de polarización depende de las orientaciones mutuas entre el campo eléctrico y el director n. La orientación óptima se obtiene cuando el vector E es paralelo a la dirección del vector n

1.Campo no paralelo a n 2.Campo paralelo a n 3.Campo perpendicular a n.

Desplazamiento electrico:

Energía por unidad de volume asociada al campo:

Polarización en términos de la susceptibilidad X:



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Caso de un cristal líquido con comportamiento lineal:

Tensor susceptibilidad eléctrica de un cristal líquido nemático

Grado de anisotropía:

Propiedades: Cambios estructurales en función de la temperatura y de la aplicación de un Le confiere la capacidad de operar como un dispositivo electro-óptico.



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Modulación de la luz cristales líquidos

Twistod Nornatic Coli polarizer Twisted Nernotic Cell Polarizar Ereo tríe Field

Texturas de la fase flemática

Celda de CL casi plana, situada entre dos polarizadores cruzados. Imágenes

observadas con un microscopio.



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Absorption coefficient (a) vs. wavelength (2) for various semiconductors (Data selectively collected and combined from various sources.)

(a) Photon absorption in a direct bandgap semiconductor. (b) Photon absorption



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3.7.4 Parámetros fundamentales de Eficiencia cuántica y responsividad • Eficiencia cuántica

• Responsividad

Responsivity (A/W)

Wavelength (nm) Responsivity (R) vs. wavelength (2) for an ideal photodiode with QE = 100% (i = 1) and for a typical commercial Si photodiode.

3.8 Moduladores espaciales de luz • Modulación del haz objeto: Operación necesaria para el almacenamiento codificado en 2-D (1 página)



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• Tipos de modulares espaciales de luz (Spatial Light Modulators, SLM): • Cristales líquidos (Twisted nematic): • Parámetros: Velocidad de trama (frame rate): 30 ms. Resolución espacial: 1.024X1.024 píxeles. Tamaño del píxel: 15-8p,m • Cristales ferroeléctricos: 100p,s, análoga resolución espacial. • Espejos deformables (Deformable Mirror Devices, DMD): 2KHz, 850X600 píxeles, alto contraste: 800:1 • De forma general, el SLM opera muestreando (discretizando) la señal óptica(*). La función de transmisión es:

DETECTORES • Charge Coupled Devices (CCD) • Resolución espacial: 1.024X1.024 píxeles • Eficiencia cuántica: 70%



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Parámetros que intervienen en la eficiencia cuántica

•Velocidad de lectura: 15 Mpíxels/s, utilizando 64 canales paralelos • CMOS APS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, Active Pixel Sensor) • Desarrollado en el Jet Propulsion Laboratory (Ca, USA) • Se caracteriza por captar señales de entrada digitales y no digitales y convertirlas en señales digitales de salida. Tamaño de píxel: 5µm • Alta velocidad de lectura: 524 Mpíxeles/s • Utiliza microtecnología de silicio para la estructura del chip.



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Capítulo 4 Aplicaciones actuales en la fotónica



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4.1 Dispositivos fotónicos basados en medios cristalinos Prof. M.L. Calvo 12 y 13 de marzo de 2012 • Dispositivos de rastreo: • Deflectores acusto-ópticos (AOD) Rápida respuesta. Rango de variación angular pequeño. • Espejos galvánicos • Cristales líquidos (Optical Phased Arrays, OPA) La deflexión se consigue mediante la modulación de la fase del frente de ondas.

Esquema del funcionamiento de un OPA:

a) No hay aplicación de voltaje en el deflector de guías de onda. La luz incidente emerge sin cambio de ángulo.

b) Se aplica una corriente al dispositivo. La luz sufre un retardo proporcional al voltaje aplicado. La luz emergente tiene un ángulo de inclinación con respecto al plano de entrada.

4.2 Aplicaciones prácticas Fotónicos Ópticos La tecnología microelectrónica ha puesto al alcance de la sociedad un amplio abanico de soluciones que han marcado nuestra evolución tecnológica. Sin embargo, dicha tecnología presenta unas limitaciones que frenan el desarrollo y obligan a buscar nuevas soluciones tecnológicas.



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Una de las alternativas más prometedoras son los dispositivos fotónicos, esto es componentes capaces de realizar las mismas funciones que los dispositivos electrónicos pero utilizando la luz como vehículo de transmisión. "La Fotónica es la ciencia del manejo de la luz. La Fotónica engloba la generación de la luz, la detección de la luz, la gestión de la luz mediante el guiado, manipulado y amplificación, y lo más importante, su utilización para el beneficio de la humanidad".P. Aigran, 1967.Dentro del área de la fotónica en silicio nuestro grupo ha establecido una tecnología óptica integrada útil para obtener: componentes ópticos, dispositivos electro-ópticos y elementos hibris.

Dentro del área de la fotónica en silicio nuestro grupo ha establecido una

tecnología óptica integrada útil para obtener: componentes ópticos

dispositivos electro-ópticos y elementos hibris.

4.3 Concepto de sensores inteligentes Un sensor inteligente es aquel que combina la función de detección y alguna de las funciones de procesamiento de ls señal y comunicación. Dado que estas funciones adicionales suele realizarlas un microprocesador, cualquier combinación de sensor y micro procesador se denomina a veces sensor inteligente. Aunque no tiene que ser un elemento monolítico, se sobre entiende que un sensor inteligente está basado, total o



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parcialmente, en elementos miniaturizados, y con un encapsulado común. Un sensor inteligente es inevitablemente más caro que un sensor convencional. Pero si además del costo de compra se consideran el mantenimiento, fiabilidad, etc., el costo total de un sensor convencional puede ser mucho mayor. El nivel de complejidad de un sensor inteligente puede ser muy variado. Además de la detección o traducción puede incluir: acondicionamiento de señal correcciones de cero, ganancia y linealidad, compensación ambiental, escala de conversión de unidades, comunicación digital, autodiagnóstico, decisión e incluso activación sobre el sistema donde se conecta. De esta manera los sensores inteligentes incluyen, además del sensor primario, cuando menos algún algoritmo de control, memoria y capacidad de comunicación digital. La repercusión inmediata de los sensores inteligentes en un sistema de medida y control es que reducen la carga sobre controladores lógicos programable (PLC) 4.3.1 Técnicas de compensación integrables Una de las funciones que debe realizar la interfaz con un sensor es compensar interferencias y perturbaciones que afectan a su salida. Una forma de hacerlo es mediante un microprocesador que almacene en memoria el valor de una serie de parámetros de referencia que permitan corregir el valor de salida del sensor. Si por ejemplo, se almacenan los valores de salida correspondiente a tres entradas determinadas, se pueden corregir los errores de cero, ganancia y , hasta cierto punto, no linealidad. En el caso de una relación lineal entre la entrada X (magnitud a detectar) y la salida Y ( tensión, corriente, frecuencia, período) , y= px+q (2.1) si la sensibilidad p y la salida para X=0 , q, varían por el efecto de factores ajenos a X , se puede determinar midiendo la salida respectiva para dos entradas conocidas,

de aquí se deduce,



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Ahora bien, si se pretende adaptar éste método a un sensor inteligente, es necesario poder aplicar los valores conocidos X1 y X2 a la entrada, y esto no es posible de forma general. En la figura 4.1 se muestra un acelerómetro que aunque no puede auto aplicarse una aceleración conocida, si que es capaz de producir una deflección de la masa inercial mediante la dilatación térmica de un balancín central que integra una resistencia calefactora de 160Ω.

Figura 4.1 Esquema de un sensor de aceleración de silicio micromecanisado,

que incluye un actuador térmico para autocomprovación. Un sistema de este tipo puede permitir la autocalibración pero sin olvidar que, por definición, la autocalibración total no existe; en este caso por ejemplo aria falta calibrar periódicamente cuando menos la tensión aplicada al actuador. Si los parámetros del sensor se conocen, pero hay una interferencia o perturbación que afecta su salida, con sensores convencionales se puede emplear un segundo sensor igual al de medida, y que sufra las mismas interferencias, pero que no esté expuesto a la magnitud a medir. En el caso de una interferencia perturbación que de un error aditivo, se tendrá entonces,

Dado que la sensibilidad es conocida, el valor de la magnitud medida se puede determinar mediante

Este método es el que se emplea para galgas extensométricas.

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I

I

2



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Cuando la interferencia a compensar es la temperatura, hecho frecuente en sensores de silicio, se puede poner un sensor de temperatura y corregir el resultado en función de sus indicaciones. Pero si es posible, es preferible emplear el método de las entradas opuestas, a base de incorporar un sensor de temperatura cuyo cambio modifique directamente la respuesta del sistema, por ejemplo una ganancia o sensibilidad 4.4 Osciladores Variables Si la información sobre la magnitud medida está en la señal obtenida, la conversión a digital es muy fácil porque basta medir dicha frecuencia. Además es muy fácil tener un margen dinámico grande, porque no hay límites por saturación ni por tensión de ruido. Un problema, sin embargo, es que, en general, la relación entre la frecuencia obtenida y la magnitud detectada no es lineal. También hay que tener en cuenta que, en el caso de sensores de reactancia variable, la medida no se hace a una frecuencia determinada, sino a la que resulta de la oscilación, por lo que ésta debe ser próxima a la frecuencia más adecuada para el sensor. Si hay varios sensores, hay que poner un oscilador para cada uno; la digitalización con un CAD, en cambio, permite multiplexar las salidas de varios sensores hacia un único CAD. Pero digitalizar con un CAD ocupa mayor área de silicio y es casi siempre más caro que digitalizar con un contador, pero no todos tienen un CAD, o lo tienen de baja resolución. Como interfaz para sensores, se emplean tanto osciladores armónicos (senoidales) como osciladores de relajación (salida cuadrada). A párete están los osciladores que emplean un sensor generador autorresonante. Linealidad en osciladores variables Un problema común a todos los osciladores variables es que la dependencia de su frecuencia de oscilación respecto a la magnitud medida no es, en general, lineal. Para los osciladores armónicos, se deduce que la expresión general de la frecuencia de oscilación es

donde X es la resistencia, inductancia o capacidad variable en respuesta a la magnitufísica detectada. La variación de X puede ser lineal X =X0(1±α) (3.31a) o no lineal, de la forma ( caso de ciertos sensores inductivos y capacitivos) X = X0 / (1±α) (3.31b)



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El desarrollo de Taylor aplicado a

4.4.1 Osciladores senoidales Hay tres tipos de osciladores con salida senoidal que han encontrado aplicación en el acondicionamiento de sensores: RC, LC y a cristal. Los osciladores RC se basan en redes de desplazamiento de fase con resistencias-condensadores, o bien en el puente de Wien, que es el preferido por su mayor estabilidad. 4.4.2 Osciladores de puente de Wien En la figura 7.2a se muestra un puente de Wien basado en un A.O. con realimentación positiva y negativa. Para analizar las condiciones de oscilación, se emplea el modelo de la figura 7.2b. La tensión de salida será

Figura 4.4 a) Oscilador de puente de quien basado en un amplificador operacional. b) Modelo como circuito realimentado.

Vp (entrada no inversora) se obtiene de la misma salida,

donde.Con el modela de la figura 7.2b, la función de transferencia es



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Si llamamos

resulta que la ganancia del lazo de realimentación es

Esta ganancia decrece a frecuencias altas y a frecuencias bajas. Su valor máximo se produce en f=fo, y vale

Si/GH/<1, el circuito es estable. Si /GH/>1, el circuito es inestable, y basta cualquier perturbación Vi que tenga un contenido espectral a frecuencia fo para que la amplitud de salida vaya creciendo hasta que se satura la salida del A.O.. La salida es entonces una senoide distorsionada. Si, en cambio, se cumple GH=-1, la oscilación es senoidal pura de frecuencia fo. Esto sucederá cuando

La máxima frecuencia de salida vendrá limitada por la velocidad de salida del A.O. y, en general, no excederá de unos 100Khz. Obsérvese que la condición anterior se cumple cuando a frecuencia fo el puente formado por Z1, Z2, R3 y R4 está equilibrado, es decir,

En una realización práctica, el sensor puede ser cualquiera de los elementos de Z1 o Z2. Para asegurar el arranque del oscilador, se hace que R4 o R3 dependan de la tensión de salida. Cuando Vo es pequeña, interesa que vaya aumentando hasta alcanzar el valor deseado. Para amplitudes pequeñas, deberá cumplirse,

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mientras que cuando Vo haya alcanzado una amplitud grande interesa que se cumpla

En la figura 4.3a se muestra un circuito que realiza estas condiciones haciendo que R4 dependa de Vo: cuando Vo es pequeña, R4 = R4’, mientras que cuando Vo es grande, R4=R4//R4”. El puente de Wien como tal no permite incorporar directamente sensores de tres o cuatro terminales. En el caso de sensores resistivos, además, hay un compromiso entre estabilidad del puente y autocalentamiento del sensor. Este último problema se puede resolver poniendo en vez de un solo A.O., dos o más amplificadores en cascada con un control automático de ganancia que permita mantener la oscilación pero sin que la caída de tensión en el sensor supere un nivel predeterminado. El circuito de la figura 4.3b es un puente de Wien modificado que puede incorporar un sensor capacitivo de tres terminales. En lugar de los brazos resistivos hay dos amplificadores: un inversor con ganancia -alfa, y un sumador de corriente cuya función de transferencia es una transresistencia negativa, -R. La condición Is =0 equivale a tener el puente equilibrado, se cumplirá para una fo cuando

Esta condición se logra por medio del control automático de ganancia, y en ella no influye el valor de las capacidades parásitas Cp1 y Cp2. Para un sensor capacitivo diferencial, se puede aplicar el mismo método añadiendo simplemente una amplificador inversor, tal como se indica en la figura 7.3c. Cuando Cx1= Cx2, la frecuencia de oscilación viene determinada por C2; Pero cuando Cx1 no es igual a Cx2, entonces su diferencia se suma al valor de C2 y cambia fo.



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Figura 4.5 Puente de Wien. a) Estabilización de la amplitud de salida. b) Modificación para incorporar un sensor capacitivo de tres terminales. c) modificación para incorporar un sensor capacitivo diferencial. d) Modificación para incorporar un sensor resistivo de cuatro terminales.

Los sensores resistivos de cuatro terminales permiten detectar las variaciones en el sensor sin que influyan los hilos de conexión. Para incorporarlos en un puente de Wien, se puede emplear el circuito de la figura 7.3d. El sensor se alimenta con una corriente constante I . Los dos amplificadores diferenciales detectan las caídas de tensión respectivas en cada una de las impedancias de una rama del puente, mientras que la caída de tensión en la otra rama es amplificada hasta alcanzar la condición de oscilación, que ahora es detectada por un sumador de ganancia unidad. 4.4.3 Osciladores LC Para obtener frecuencias mayores de unos 100Khz., y cuando se desea una estabilidad muy elevada, que se traducirá en una mayor resolución en la medida, se utilizan los osciladores basados en una red LC con resonante. Para sensores capacitivos se elige el oscilador Harley, mientras que para sensores inductivos se prefiere el oscilador Colpitts.



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Figura 4.4 Convertidor de impedancia. a) Esquema de bloques. b) Realización.

c) Aplicación a una NTC en un oscilador Colpitts.

Los sensores resistivos no se pueden incorporar directamente en estos osciladores. El camino seguido entonces es simular una reactancia mediante un circuito activo al que se conecta el sensor, e incluir dicha reactancia en un oscilador adecuado En la figura 7.4a, si la impedancia de entrada del bloque G(s) se supone infinita, la corriente de entrada será

Para que el circuito, visto desde su entrada, se comporte como una inductancia, deberá cumplirse

y, por lo tanto, la función de transferencia a realizar debe ser del tipo



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Esto significa que G(s) se puede realizar mediante un integrador (1/s) y un amplificador diferencial. De las diversas opciones en la figura 7.4b se muestra una donde el amplificador diferencial es un A.O. y el integrador consiste en un condensador C atacado por un amplificador de transconductancia. La inductancia equivalente es

donde gm es la transconductancia del OTA, proporcional a su corriente de polarización, Is. En la reactancia simulada hay unas pérdidas debidas a la capacidad parásita del sensor, Cp, y a la ganancia finita del A.O. . Si , para amplificar, esta última se modela como Ao ùo/s, las pérdidas equivalentes son

Si la constante de tiempo RxCp del sensor es muy pequeña, las pérdidas se hacen negativas, y esto es favorable en un oscilador La figura 7.4c muestra cómo aplicar la conversión de impedancia a una NTC linealizada e incorporada en un oscilador Colpitts. Si Req es suficientemente pequeña, la condiciones de oscilación son

donde g es la transconductancia del FET, Re es la resistencia equivalente de la red con la NTC, Rs y Rp,

Si Rs y Rp se eligen de forma que Re sea inversamente proporcional al cuadrado de la temperatura (en Kelvins), fo variará linealmente con T.



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4.4.4 Osciladores de relajación Los osciladores de relajación se pueden aplicar directamente a sensores resistivos o capacitivos, y son mucho más fácil de realizar que los osciladores armónicos. El oscilador de relajación más simple se basa en un estable, figura 7.5a. El divisor de tensión formado por R1 y R2 establece la tensión Vp en el comparador. Durante el tiempo T1 en que la salida está en nivel alto Vo, la tensión en C evoluciona en forma

donde Vm = VoR2/(R1+R2). En el instante T1, Vc alcanza el valor máximo Vm y el comparador cambia su salida al nivel Vo’. El condensador se descarga según

donde VM = V 0 R 2 R 1 + R 2 Si los niveles de salida del comparador cumplen que

Vo=-Vo’ entonces V M = − V m ∧ T = T El período de oscilación será T=2T1.T1 se puede calcular buscando en qué instante Vc(t) ea igual a Vm Y se obtiene

Si el divisor de tensión se elige de forma que R2/R1=(e-1)/2=0,859, entonces T=2RC. En los circuitos integrados tipo 555 el divisor de tensión es interno y cumple esta relación. Si se emplea un comparador, para asegurar que Vo=-Vo’ y que ambas tensiones tengan el mismo coeficiente de temperatura se pueden pone dos diodos zener tal como se indica en la figura 7.5a. Si en lugar de un comparador se utiliza una A.O. el período de oscilación debe ser suficientemente grande respecto a los retardos del A.O. El sensor puede ser R o C pero en este segundo caso sus pérdidas deben ser muy pequeñas. V c (t) = V a exp−t / RC (3.18a) de manera que el tiempo que se tarda en alcanzar un nivel Vp es t p = RCln(V a /V p ) (3.18b)



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Figura 4.6 Convertidor de temperatura a frecuencia lineal basado en una NTC.

Cuando Vc=Vp, el comparador conmuta su salida y el monoestable da un impulso de

duración tm que cierra el interruptor, descarga C y hace conmutar la salida del comparador. Al cabo de este tiempo, el interruptor se abre y vuelve a empezar el ciclo.

Para obtener una frecuencia de salida proporcional a la temperatura absoluta T, se puede hacer que o bien Va o bien Vp dependan de T.

En la figura 4.6b, Vp es constante y Va depende de T y de una tensión de

referencia Vr

Va =V r R T /R1 (3.19) Si la NTC se modela mediante Rt=A exp(B/T), entonces t p =RCln( VrA / V p R1 + B / T) (3.20) La frecuencia de los impulsos de salida del monoestable será

170



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Si la duración del impulso de salida del momnoestable se elige de modo que cancele el otro sumando constante del denominador

tm = RCln(V p R1 / V r A) (3.22)

entonces la frecuencia de salida será

f0 =T/RCB (3.21b) Hay que tener en cuenta que el A.O. que da Va queda conectado a C, y esto puede ser una fuente de inestabilidad. En la figura 7.6c , Va es constante y Vp depende de T y de Vr V p = V r R2 / R T (3.23) Si la duración de salida del monoestable se hace tm = RCln(VrR2 / VaA) (3.25) entonces la frecuencia de salida viene dada por fo=T/RCB. En este no hay riesgo de oscilación del A.O. 4.4.5 Osciladores variables CMOS En un sistema digital, la necesidad de tensiones de alimentación adicionales a la de los componentes digitales, es un inconveniente. Los osciladores variables basados en componentes CMOS son entonces una opción a considerar. Una primera posibilidad es emplear un monoestable/astable CMOS tipo CD4047B para diseñar osciladores de relajación como los vistos anteriormente. Pero cuando se desea reducir al mínimo las dimensiones del circuito, es interesante analizar las posibilidades de las puertas CMOS. En la figura 4.7a se muestra un oscilador simple basado en un disparador Schmitt. Ahora los umbrales de conmutación al nivel de salida bajo y alto, Vtl y Vth respectivamente (es un inversor), quedan establecidos internamente. La evolución en la tensión en C se puede describir con las siguientes ecuaciones, pero teniendo en cuenta que Vo= Vdd, Vo’=0, VM=Vth y Vm=Vtl,

En el instante T1, Vc alcanza el valor máximo VTH y el disparador cambia su salida al nivel bajo. Por lo tanto, en t=T1,



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y de aquí se deduce el valor de T1

En el instante T2, Vc alcanza el valor mínimo Vtl y el disparador cambia su salida al nivel alto. Por lo tanto, en t=T2,

De aquí se deduce el valor del período T2,

La frecuencia de salida será el recíproco de este período, siempre y cuando T2 sea mucho mayor que los retardos de propagación de la puerta.

Figura 4.7 Oscilador de relajación CMOS. a) Con un disparador Schmitt. b) con

tres inversores. c) Tensiones en el circuito b.

Para tener una mayor estabilidad con la alimentación se puede emplear el oscilador basado en tres inversores figura 7.7b. El umbral de cambio de estado de cada inversor es del orden de la mitad de la tensión de alimentación, de manera que si esta cambia, también cambia el umbral. La evolución de la tensión en C y la salida se muestran en la figura 7.7c. La frecuencia de oscilación es

( 0 + ..... (3.32)



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4.5 Conversor a frecuencia o periodo En los osciladores no se pueden incorporar directamente ni los sensores generadores no incluidos en sistemas autorresonantes, ni los sensores que no se presenten como una impedancia variable, como por ejemplo, los puentes completos de galgas extensométricas. Una posibilidad para tener una salida en forma de frecuencia variable, es entonces acondicionar la salida del sensor hasta obtener una tensión de baja frecuencia y aplicar está a un convertidor tensión-frecuencia. Otra posibilidad es hacer una conversión directa a frecuencia, o período, incorporando al sensor en el propio convertidor a frecuencia. 4.5.1 Conversión tensión-frecuencia Los convertidores tensión-frecuencia (V/F) obtienen, a partir de una tensión o corriente de entrada , un tren de pulsos o una señal cuadrada, o ambas compatibles con niveles lógicos ordinarios(TTL Gral.) , cuya frecuencia de repetición es linealmente proporcional a la magnitud analógica de entrada. En términos generales, un oscilador controlado por tensión (VCO) es también un convertidor V/F, pero su margen de variación es más limitado (100 a 1 a lo sumo) y su linealidad es menor. Alcanzan, en cambio, frecuencias muy superiores a los 10Mhz, que son el límite de los convertidores V/F convencionales. Los convertidores V/F integrados tienen frecuencia de salida, a fondo de escala, de 100Khz a 10Mhz, y un margen de variación de frecuencia de 1 a 10000, lo que equivale a una resolución de 13 bits en un convertidor A/D. El esquema en que se basan la mayoría de los convertidores V/F, tanto modulares como híbridos o monolíticos, es el de la figura 7.8, que funciona según el principio de equilibrio de carga. Consta de un integrador, un comparador, un monoestable de precisión, una etapa de salida y una fuente de corriente conmutable de gran estabilidad con el tiempo y la temperatura. Si la entrada es positiva, C se va cargando a una velocidad proporcional a la magnitud de entrada, obteniéndose a la salida del integrador Vo, una rampa de pendiente negativa. Cuando esta tensión alcanza un valor predeterminado, un comparador lo detecta y dispara un monoestable que da un pulso de salida de amplitud y duración (Td) fijas. Atreves de un separador (buffer) digital -representado en este caso por un simple transistor npn en colector abierto-, este es el pulso que ofrece como salida, y a la vez controla la descarga del integrador atraves de una fuente de corriente de valor fijo, Id (1mA es frecuente). La cantidad de carga extraída del condensador será Id Td , y si la entrada sigue presente, esta compensara dicha carga al cabo de un tiempo que dependerá de su magnitud, repitiéndose de nuevo el preciso una vez transcurrido un tiempo T



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tal que: I T I T = d d (4.1)

y

f T I I T = 1 / = / d d ( 4 . 2 ) Se observa en esta expresión que ni el valor de C ni el umbral del comparador afectan a la salida, y si en cambio la duración del pulso del monoestable y el valor de la corriente de descarga. De ahí la importancia de su estabilidad.

Figura 4.8 Estructura básica de un convertidor V/F de equilibrio de carga.

Si la salida de un convertidor V/F se lleva a un contador digital se obtiene un convertidor A/D. Por esta razón, las especificaciones y ventajas de los convertidores V/F suelen darse en términos relativos a otros circuitos de conversión A/D. Para esta función gozan de gran linealidad, resolución, y capacidad de rechazar el ruido, pero son lentos comparados con otros métodos. La resolución depende del tiempo durante el que se esté contando la frecuencia de salida y del máximo valor de ésta. La capacidad de rechaza al ruido presente a la entrada del convertidor se debe al hecho de contar la salida durante un cierto tiempo, en el que queda promediadas las posibles fluctuaciones que hayan afectado a la frecuencia de los pulsos de salida. Esta capacidad se expresa en dB. El margen dinámico es otra cualidad destacada.



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4.5.2 Conversión directa o a período Mediante el diseño de convertidores tensión-frecuencia o corriente-frecuencia específico, es posible hacer una conversión directa de la magnitud detectada a frecuencia o período, sin necesidad de amplificación previa. Para realizar estas conversiones no existe una metodogía definida. Por ello, se presenta a continuación varios casos que ilustran las técnicas empleadas. El circuito de la figura 4.9 es un convertidor deformación-frecuencia. Hay un puente completo de delgas conectado a un integrador diferencial, cuya salida se lleva a un comparador, que es el que alimenta al puente. Para introducir un desequilibrio inicial en éste, se emplean dos resistencias Ra y Rb.

Figura 4.9 Convertidor deformación-frecuencia

Vs = V0 x Vs = V0

'x (4.4) y (4.5) En el primer caso, la salida del integrandor será donde R’ es la suma de R y la resistencia equivalente de salida de cada semipuente, y V10 es la tensión de salida del inicial del integrador. En el instante t=T1 se alcanzará el valor que hace conmutar la salida del comparador, a Vo’, 1 V (T) V xT EIV EIV (4.6b) R1 + R2 Cuando el nivel de salida del comparador es Vo’, tendremos R2 V (t) V x(t El T) CV (4 .7 a) R'C O 1 R1 + R2

y en el instante t=T2 se alcanzará el valor que hace conmutar de nuevo la salida del comparador a Vo, De aquí se deduce que V10=Vo’R2/(R1+R2). Por lo tanto, de V1(T) podemos deducir el valor de T1,



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I ; N V 0 − V 0 ) R2 R C R E I R V o x 1 2 O (4.8a)

y de V1(T2) deducimos entonces el valor de T2, La frecuencia de la señal cuadrada de salida será el período de T2, A= x (R1 + R2 ) −V 0V0

' (4.9a) R2R C (V0 −V0’)2 Si Vo=-Vo’, f0 = x(R1 + R2 ) (4.9b)

Figura 4.10 Convertidor capacidad-frecuencia basado en el principio de equilibrio de carga.

El convertidor capacidad-frecuencia de la figura 4.10 se basa en el principio de equilibrio de carga. Hay un integrador que equilibra la carga en su condensador de realimentación C mediante un biestable D, controlado por un reloj de frecuencia f2, y un interruptor, accionado cada vez que la salida del integrador alcanza el nivel de transición del biestable. La señal es en forma de corriente, obtenida cargando la capacidad del sensor Cs, a una frecuencia f1, mediante la tensión de entrada del integrador. Si el período de carga y descarga del sensor es mucho mayor que su constante de tiempo, RsCs, el valor de Rs no influye en la corriente de señal. El circuito se puede aplicar, pues, cuando la conductividad del sensor es apreciable, por ejemplo para medir niveles de agua con un sensor capacitivo. La frecuencia de salida fo se obtiene igualando las corrientes de señal y de realimentación,

R2 (1 1) R 1 + R 2 x LV 0 − V 0 j ' (4.8b)

I i N V 0 − V 0 )

R C



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C s V p f 1 = (Vp / R)(f0 /f2) (4.10) y de aquí f0=f1f2RCs (4.11) La máxima frecuencia de salida posible es f2/2, y, por lo tanto, se debe cumplir 2f1RCs < 1 (4.12) Además, C debe elegirse suficientemente grande para que la salida del integrador no se sature. Para los sensores con salida de corriente, se puede emplear un convertidor corriente-frecuencia como el de la figura 7.11. La corriente va cargando el condensador C hasta que la salida del integrador alcanza el umbral de conmutación del detector de nivel; éste conmuta entonces su salida, el monoestable da un impulso de duración fija, los dos interruptores se cierran para descargar rápidamente el condensador; en cuanto se alcanza el umbral de conmutación bajo, el detector de nivel pasa de nuevo al estado bajo, se abren los interruptores y empieza de nuevo la integración. La velocidad de carga depende de la intensidad de la corriente, y si el tiempo de descarga es suficientemente breve respecto al tiempo de integración, la frecuencia de los impulsos de salida será proporcional a la corriente de entrada. El TSL220 (Texas Instruments) es un convertidor luz-frecuencia que integra un fotodiodos y convertidor corriente-frecuencia de este tipo. 4.6 Componentes comerciales y de investigación las Interfaces directas de sensores-microcontroladores Consideramos interfaz directa sensor-µC aquella que no utiliza un CAD. Este tipo de interfaz interesa al menos en tres situaciones distintas. En primer lugar, para sensores individuales (convencionales), como una forma de simplificar el diseño del sistema de medida y reducir costos. En segundo lugar, para aquellos sensores inteligentes que incorporan parte de la electrónica para correcciones, por ejemplo de errores de cero, ganancia y derivas térmicas, y que se conectan a un µC externo. En tercer lugar, para aquellos sensores inteligentes que integran, mediante técnicas híbridas, un uC que realiza las compensaciones anteriores, y otras posibles, total o parcialmente mediante software, y se comunica mediante un bus digital. La digitalización sin CAD exige que los niveles de tensión sean compatibles (TTL en general), que los flancos de la señal estén bien definidos y, en salidas de interruptores, que no haya rebotes. En caso contrario, hay que acondicionar las señales digitales de entrada.



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4.7 Medidas de frecuencia La forma más simple de medir una frecuencia y obtener una salida digital, es mediante un contador que cuente el número de ciclos de señal de entrada durante un periodo de tiempo conocido, que se denomina de puerta (figura 4.12). Al contar durante un intervalo de tiempo To, obtenido a partir de un reloj de referencia fr, se obtendrá N=f x T 0 (5.1) Dado que la señal de entrada y la del reloj no son sincrónicas, puede suceder que se acabe justo cuando llegaba otro impulso de entrada o, al revés, que se encuentre una transición que llega justo antes de acabar el tiempo To. Por lo tanto, hay una indeterminación de 1 cuenta, que se representa diciendo que el resultado es N+-1 cuenta. La resolución en la medida de frecuencia es, pues, 1/N. Para obtener una buena resolución, N debe ser alta. Pero esto implica un tiempo de medida tanto más largo cuando más pequeña sea fx. Si, por ejemplo, se desea medir una frecuencia de 10Khz con un error inferior al 0,1%, hay que contar por lo menos 1000 impulsos, y como el tiempo entre impulsos de entrada es de 100µs, la medida durará 100 ms.

Figura 4.12 Esquema de bloques de un frecuencímetro.

Para medir frecuencias con un µC, hacen falta dos contadores programables, uno que vaya contando el tiempo transcurrido y el otro que cuente los impulsos de la señal de entrada. En el 8051, por ejemplo, hay dos contadores programables de 16 bits; cuando funcionan como temporizadores, el registro se incrementa automáticamente cada ciclo de máquina (12 ciclos de reloj); cuando funciona como contadores, el registro se incrementa cuando hay una transición de 1 a 0 en su entrada. Para medir frecuencias, cuando el temporizador acaba de contar, debe generar una interrupción para que el µC lea el contador y vuelva a cargar en el temporizador el tiempo preestablecido, de manera que vaya descontando hasta llegar a cero y dé la interrupción. Si el margen de frecuencia del sensor va de fmin a fmax, y se desea una resolución de n bits (N=2exp n), el tiempo de medida debe ser: 2 NTtf To será tanto mayor cuando más próximas estén las frecuencias, es decir, cuanto menos sea el margen de salida del sensor. La resolución se consigue, pues, a base de



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un mayor tiempo de medida, durante el cual la frecuencia a medir debe permanecer constante. 4.7.1 Medidas de periodo y tiempo Para bajas frecuencias, que son las más habituales en sensores, y para márgenes de frecuencia de medida pequeña, es preferible medir su periodo y luego calcular la frecuencia. Para medir el periodo se cuentan los impulsos de una señal de reloj conocido durante un intervalo de tiempo determinado apartir de la entrada, Tx (figura 7.13a). Si este se multiplica por M(dividiendo la frecuencia), el resultado será N=frMTx (5.3) El tiempo de medida es M.Tx, y dado que la resolución es 1/N, se deduce que el producto de la resolución por el tiempo de medida es constante (fo). Para mejorar la resolución con independencia de la frecuencia a medir se puede emplear el sistema de sincronización del tiempo de puerta descripto en la figura 4.12. El biestable D sincroniza los dos contadores con la señal de entrada, de forma que no empiezan a contar hasta que llega un flanco de fx. El contador 1 mide fx, y el contador 2 mide el tiempo que están abiertas las puertas, con una indeterminación de un pulso del reloj (de alta frecuencia). Es decir N T f = 1 os x (5.4a) y (5.4b) N T f =2 os r De aquí Nf x = 1 f N 2 En este caso se obtiene directamente la frecuencia porque el tiempo de puerta se determina a partir del reloj, aunque en sincronismo con la entrada.

Figura 7.13 Medida del periodo de una señal. a) Esquema de bloques básicos. b) Sincronización de la entrada y tiempo de puerta. c) relación de tiempos en el

caso b.



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Un uC no permite aplicar directamente el esquema de la figura 4.13a. Un posible método para medir el periodo es determinar cuánto tiempo ha pasado durante K pulsos de la señal. Con el 8051 por ejemplo, el resultado es entonces KT siendo T el periodo de la señal medido en ciclos de máquina. Si el reloj del uC es de frecuencia fr, para una frecuencia a medir fx tendremos donde Tmax y Tmin esta medidos en ciclos de máquina. K deberá ser un entero. Si el objetivo final es determinar la frecuencia fx, la respuesta será T=fr/ (12f x ) (5.6) ara realizar la medida se emplea un temporizador para medir KT, y la señal a medir se conecta a una entrada de interrupción, cada transición de 1 a 0 generará una interrupción. La rutina de interrupción cuenta los impulsos del sensor y cuando ha obtenido K, lee el temporizador y lo pone a cero. Si la frecuencia a medir es inferior a 50Khz, se puede conectar directamente la salida del sensor a una entrada de interrupción y contar por software. El número de ciclos K dependerá de la resolución con que se quiera medir el periodo. Para una resolución de m bits, 2 mk180f K x KT donde T viene dada en ciclos de máquina. Para estimar el tiempo de medida total cuando interesa determinar la frecuencia, hay que considerar el tiempo necesario indicada por fx=K/KT. El método más rápido es tener una tabla donde para cada resultado KT se lea el valor fx correspondiente, o incluso directamente el valor de la magnitud medida. El tamaño de esta tabla vendrá determinado por Fmax-Fmin y por el número de bits necesario para representar cada frecuencia. Si el tamaño de la tabla resulta excesivo, queda la opción de hacer los cálculos pertinentes. Cuando se desea medir un intervalo de tiempo que no sea el periodo de una señal, por ejemplo la anchura de un impulso en señales PWM, se puede aprovechar un modo de funcionamiento particular de los temporizadores integrados en LIC. Se trata de la puesta en marcha del temporizador en respuesta a una transición bajo-alto en una entrada de interrupción externa, hasta que haya una otra transición alto-bajo. Esta última transición generas otra interrupción, en la que una rutina lee el contador y lo pone a cero.



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Una forma de aplicar la medida de intervalo de tiempo a la interfaz con sensores, es midiendo el tiempo de carga o descarga de una red RC. Al cargar un condensador C a través de una resistencia R, conectada a una tensión Va el tiempo que tarda en alcanzarse un nivel de tensión determinado Vt es t t RC Lln( 1 LI t / a ) V V (5.12) Si C es conocido y Vt es la tensión umbral para tener una transición de estado en una entrada de interrupción del uC, a partir de Tt se puede determinar R, que puede ser por ejemplo, un sensor resistivo. 4.7.2 Cálculos y compensaciones Una de las ventajas de los puentes de impedancia como interfaz para sensores es la facilidad con que permiten realizar cálculos. y compensaciones. Es, por la tanto, interesante estudiar algunas de las posibilidades de la medida de frecuencia en este sentido. La lectura del contador será f NM Para tener una buena resolución, si fx es mayor que fy, hay que tomar Q grande y M pequeña (igual a 1). Cualquier error (multiplicativo) común a fx y fy, se cancelará. Para sumar o restar dos frecuencias que se miden simultáneamente, basta hacer la operación digital correspondiente con la salida de los contadores respectivos. Si se mide primero una frecuencia y luego la otra, se puede hacer la suma cargando en el contador el resultado de la primera medida; para restar la segunda frecuencia de la primera, se puede cargar el contador con el complementa A2 de la primera medida, y luego acumular la segunda. En el caso de sensores diferenciales la medida de frecuencias tiene también su ventaja. Si cada sensor se pone en un oscilador de relajación, la frecuencia de salidas serán directa o inversamente proporcionales al parámetro variable, f K X X ( L I ) 1 0 f K X X ( L I ) 2 0 f K X X / ( LI )1 0 f K X X / ( LI )2 0

(5.15a), (5.15b), (5.16a) y (5.16b)



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En lugar de medir cada frecuencia por separado durante un determinado tiempo de puerta, se pueden sumar las salidas de los contadores respectivos y medir hasta que se obtenga un número predeterminado de cuentas, N=(f1+f2)TN (5.17) Si durante este mismo tiempo Tn se mide la diferencia entre las frecuencias f f = 12 N N f f T = − (121 2 N f f N) = +1 2 Por lo tanto se obtiene X = X N (5.19)

Y en los casos X

N N 1 2

= − X N (5.20)

Es decir, tanto si la frecuencia de oscilación es directamente proporcional como si es inversamente proporcional al parámetro variable, la diferencia de frecuencia da una salida lineal. Esto significa que si en lugar de la diferencia de frecuencias se mide la diferencia de periodo, que puede que sea más rápida, también se obtendrá linealidad. Además, si hay una interferencia aditiva; por lo tanto, hay una cierta cancelación de la interferencia porque en vez de aparecer ésta sumada directamente a x, solo apárese el término Y/Xo sumado a uno en el denominador. Si la frecuencia es inversamente proporcional al parámetro, se obtiene el mismo resultado. 4.7.3 Medidas de velocidad. Tacómetros digitales. La medida de velocidad a partir de un codificador incremental, tiene potencialmente una gran exactitud, pero hay que garantizar que el tiempo de medida sea suficiente mente breve para poder detectar los cambios rápidos de velocidad. Si se considera un codificador incremental que da unos impulsos por vuelta, y se cuenta N impulsos durante un intervalo T la velocidad angular será ∆ φ N 2 ð ù = ∆ t T m Si se mide la frecuencia de los impulsos de entrada mediante un contador, con el método de la figura 4.12, y se obtienen Nc cuentas en un tiempo To,

182

(5.25)



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Donde se ha considerado diferencial de Nc=1 porque no hay sincronismo entre los impulsos del codificador y el tiempo de puerta. Por lo tanto, para un tiempo de puerta To, breve, necesario para tener una buena respuesta dinámica, el error relativo será tanto más grande cuanto menores sean ù y m. Si se mide el periodo de los pulsos de entrada, según el método de la figura 7.13a, y se obtienen Np cuentas de impulsos procedentes del reloj fr tendremos El error relativo en la medida de ù, supuesta fr constante. es decir ahora, el error es grande cuanta mayores sean m y ù. El tiempo de medida será, T p = N p /f r = 2ð / mù (5.28) y, por lo tanta aumenta cuando m y ù son pequeños. Para resolver el compromiso entre exactitud y tiempo de medida, se puede emplear el método de tiempo de medida constante y ajustable. Consiste en contar, por una parte, los impulsos del codificador y, por otra, los impulsos de un reloj, ambos durante un intervalo de tiempo predeterminado Te y que contenga un número entero Nc de impulsos del codificador .Ambos contadores arrancan cuando llega un impulso del codificador y paran al cabo de Nc impulsos. Para aplicar este método con un µC no hace falta iniciar y parar los contadores de pulsos y tiempo cada vez, que por lo demás es un proceso lento. Es mejor medir intervalos de tiempo en un contador que cuente impulsos de reloj continuamente, y al final de cada intervalo de tiempo leer la salida del contador de los impulsos del codificador. 4.8 Sistema de comunicación para sensores Las señales obtenidas con los sensores, una vez acondicionada, hay que comunicarlas a un receptor o dispositivo de presentación, cercano o remoto. Cuando el emisor y el receptor no están muy lejos, se suele emplear transmisión por hilos. También se emplea transmisión por hilo en instalaciones extensas que incluyan una instalación adecuada. Para distancias muy grandes se emplea telemedida vía radio. Su ancho de banda y velocidad son mucho mayores. Para distancias cortas se utilizan también ultrasonidos, radiación infrarroja o simple acoplamiento capacitivo o inductivo. En presencia de interferencias electromagnéticas fuertes, para tener aislamiento eléctrico, y cuando hace falta un gran ancha de banda se emplean fibras ópticas. Cualquiera que sea el medio de comunicación empleado, es necesario acondicionar las señales de los sensores para adaptarla a las características de aquel.



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Este proceso puede requerir más de una etapa, tal como se indica en la figura 4.15. En primer lugar, la señal; del sensor, una vez acondicionada mediante el circuito inmediato a él, se modula (si su salida es analógica) o codifica (si su salida es digital), para poder ser combinadas con otras que vayan a compartir el mismo medio, o simplemente para hacerla aceptable por el modulador de transmisión. En algunos casos puede suceder que se disponga de una línea propia, transmitiéndose por ella directamente (en banda base) una tensión, corriente o frecuencia procedente de este codificador o modulador.

Figura 4.15 Estructura general de un sistema de telemedida.

Si la información se transmite en forma de tensión continua proporcional a la magnitud medida, la distancia cubierta debe ser pequeña porque, en un entorno industrial, las tensiones parásitas formadas en el bucle formado por los conductores puede falsear totalmente la medida. Utilizar cables apantallados para reducir las interferencias capacitivas es caro. La tele medida por frecuencia tiene mayor inmunidad a las interferencias, pero no hay normas que permitan utilizar, en un mismo sistema transmisores de distintos fabricantes. Además, las señales de frecuencias transmitidas pueden ser fuentes de interferencias en circuitos próximos. La tele medida por corriente supera estos problemas. Telemedida por corriente: bucle 4-20 mA En la tele medida por corriente la magnitud medida se convierte en una corriente continua proporcional, que se envía por la línea y es detectada en el extremo receptor midiendo la caída de tensión en una resistencia conocida. Los valores de corriente normalizados son: (4-20, 0-5, 0-20, 10-50, 1-5, 2-10)mA.



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Para evitar acoplamiento inductivo, que harían circular corrientes interferentes, se emplean un par de hilos transados. Las interferencias capacitivas son pequeñas. Los termo pares parásitos y las caídas de tensión en los hilos de conexión tampoco afectan, siempre y cuando el emisor sea capaz de imponer el valor de la corriente en el circuito. Esto permite utilizar hilo más fino y por lo tanto más barato. Otra ventaja es que un mismo receptor pueda explorar varios canales con distinta longitud de cable sin que ésta afecte a la exactitud. El valor de corriente habitual es 4-20 mA. Otra ventaja importante de la telemedia por corriente es que, si el transmisor es flotante, aveces es posible realizar el enlace con solo dos hilos compartidos por la alimentación y por la señal. En la figura 4.16a se presenta el circuito general de 4 hilos, dos para la alimentación y dos para las señales.

Figura 4.16 Telemedia por corriente empleando: a) Cuatro hilos. b) tres hilos. c) dos hilos.

Normalmente es posible compartir un hilo de retorno, tal como se indica en la figura 7.16b. En el caso de la figura 4.16c, se conecta la fuente de alimentación en serie con el dispositivo o dispositivos de lectura y cualquier resistencia de bucle que haya hasta el sensor. 4.8.1 Instrumentación digital: Buses para sensores. Si luego se debe transmitir con un bucle de 4-20mA hay que convertirla de nuevo en analógica, y convertirla de nuevo a digital en el procesador central que controla todo el



70

sistema. En un sensor con capacidad de comunicación digital, se evita esta doble conversión.

Figura 4.17 a) Estructura de un sistema de comunicación analógico convencional. b) Estructura de un sistema de comunicación con bus digital.

Si además la comunicación es tipo bus, ya no se emplea un canal para una única información (como en los sistemas 4-20mA), sino que el mismo canal físico es compartido por varias informaciones distintas, viajando en los dos sentidos y esto aporta una reducción del costo de cableado. Con un sistema en bus, la incorporación de nuevos sensores y actuadores en un proceso o sistema de medida solo hace tenerla en cuenta en el software de sistema, no en el cableado. Además, la instalación de un nuevo transmisor no exige detener el proceso, sino que vasta transmitirle los datos de calibración, linealización, etc.. Pero para que distintos instrumentos sean compatibles con un mismo bus, debe haber un acuerdo en sus especificaciones. Se pueden encontrar tres niveles f161sico, enlace y aplicación, y se ha añadido un nivel de interfaz con el usuario. Cada nivel tiene un conjunto de reglas específicas con protocolos relativos al, formato de los datos y a la temporización. Los protocolos de nivel físico define la característica de la interface eléctrica y mecánica, así como las exigencias funcionales y procedimientos impuestos por el medio físico establecido para que se pueda emitir y recibir a su través.



71

Los protocolos de nivel de enlace definen los procedimientos para la transmisión y recepción de datos sin errores, atravez del enlace físico establecido por la capa física. Por ejemplo quien puede hablar y cuando, y la forma de detectar y corregir errores. A nivel de aplicación, el progreso es aún más lento. Se trata de definir como escribir, leer, entender y ejecutar un mensaje. El nivel de usuario es la interfaz entre el usuario y el sistema de comunicación. Se siguen elaborando más normas, y dada la importancia económica del tema, que ha despertado también interés en la producción de energía, edificios inteligentes y en la industria del transporte, se han ido comercializando sistemas con el mismo espíritu pero con incompatibilidad manifiesta. Los dos sistemas más importantes son el ISP y el WORLDFIP. 4.9 Comunicación simultánea analógica y digital: hart Un sistema de con bucle de 4 a 20 mA, es punto a punto y unidireccional. Por ser punto a punto si hay que añadir un nuevo sensor es necesario modificar el cableado. Por se unidireccional, no es posible interrogar al transmisor. Pero la sustitución directa de sistemas analógicos por sistemas digitales sería excesivamente caro. Para dotar de capacidad de comunicación a los sistemas analógicos existentes la empresa Rosemount propuso el protocolo hart. La posibilidad de comunicación digital permite tener toda la información en el propio instrumento: fabricante, modelo, número de serie, etc. Toda esta información no supone en si una mejora en el control de proceso, pero es esencial en la puesta en marcha de la instalación, y reduce los costos de mantenimiento. Por ello lo mejor es mantener las señale analógicas y digitales separadas aunque utilicen un mismo medio de comunicación. El protocolo hart emplea un sistema de modulación estandart BEL202 que es compatible con los pares transados ya instalados. 4.10 Modelo Matemático para Estimación de Eficiencias Fotónicas No-Intrínsecas en Reacciones Fotocatalíticas Heterogéneas Mathematical Model for Non-Intrinsic Photonic Yields in Heterogeneous Photocatalytic Reactions Miguel A. Mueses(1)(2) y Fiderman Machuca-Martínez(2)



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(1) Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Química, Universidad de Cartagena, Av. Del Consulado, 48-152, Edf. Ingeniería, Cartagena-Colombia. (2) Escuela de Ingeniería Química, Grupo de Investigación GAOX, Universidad del Valle, A. A. 25360, Cali-Colombia. (e-mail: [email protected] RESUMEN Se formuló un modelo semiempírico para la estimación de eficiencias fotónicas en sistemas de reacción fotocatalítica heterogénea, en función de un factor pre-exponencial llamado eficiencia fotónica-intrínseca y un factor exponencial que cuantificó el efecto de carga de catalizador, geometría y concentración inicial de substrato. Los postulados y el modelo fueron validados en la fotodegradación de ácido dicloroacético en tres reactores fotocatalíticos heterogéneos a escala laboratorio, utilizando TiO2-P25, y radiación monocromática de baja energía. Se encontró que el modelo es altamente predictivo para eficiencias fotónicas con errores relativos menores al 1.8%. Palabras clave: fotocatálisis, eficiencia fotónica, ácido dicloroacético, modelo cinético ABSTRACT A semi-empirical model was formulated to estimate the photonic efficiency of photocatalytic reactions in heterogeneous systems. This is a function of a pre-exponential factor called intrinsic photonic-efficiency and an exponential factor that quantified the effect of catalyst loading, geometry, and initial concentration of substrate. The assumptions and the model were validated on the photodegradation of dichloroacetic acid in three lab-scale heterogeneous photocatalytic reactors, using TiO2-P25 and low energy monochromatic radiation. It was found that the model is highly predictive for photonic efficiencies with relative errors below 1.8%. Keywords: photocatalysis, photonic efficiency, dichloroacetic acid, kinetic model INTRODUCCIÓN El comportamiento cinético de los procesos de fotodegradación heterogénea utilizando semiconductores sólidos suspendidos es una función no solamente de la constante de velocidad de reacción intrínseca, de la energía de activación y de la naturaleza química del sistema; sino también de dos parámetros fotocinéticos denominados, eficiencia fotónica y la velocidad volumétrica de absorción de fotones (Vueses et al., 2008; Zalazar et al., 2005; Cassano y Alfano, 2000). La definición estándar de eficiencia fotónica para sistemas fotoquímicos, está ligada a un estado de referencia dado por estimaciones actinométricas en fase homogénea (Zalazar et al., 2005; Serpone, 1997), o por estimación de eficiencias aparentes que permiten extrapolar resultados en fase homogénea a sistemas heterogéneos (Brandi et al., 2003). Típicamente las eficiencias fotónicas son calculadas por ajuste de parámetros de velocidad de reacción global, dependientes de las configuraciones

mailto:[email protected]



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geométricas, las condiciones de reacción y del flujo luminoso (es decir no intrínsecos) (Baoshun Liu et al., 2010; Li Puma et al., 2010; Ibrahim Gaya et al., 2008), pero independientes de los procesos fotocatalíticos de generación de especies fotogeneradas, electrónes-huecos e-/h+, en la interface semiconductor/solución (Machuca et al., 2008; Zalazar et al., 2005; Cassano y Alfano, 2000). Las velocidades volumétricas de absorción de fotones pueden estimarse por modelos empíricos o semiempíricos (Colina et al., 2010) o por solución rigurosa de la ecuación de transporte para la transferencia radiativa, RTE, a utilizando el método de la ordenada discreta (Cassano y Alfano, 2000; Duderstadt y Vartin, 1979). Investigaciones recientes han mostrado que las condiciones de proceso, el tipo de reactor y la escala de operación, para un sistema específico de reacción y catalizador utilizado, afectan los rendimientos de degradación global. Para reactores fotocatalíticos con mayores superficies de absorción de radiación y aprovechamiento de la energía directa o difusa como CPCs, placa plana, reactores multi-tubulares presentan mayores rendimientos globales de fotodegradación, independiente del tipo de la concentración inicial del sustrato (Sagawe et al., 2010; Vueses et al., 2008; Dijkstra et al., 2003). En trabajos previos (Vueses et al., 2010; Vueses et al., 2008) se evaluó el efecto del cambio de geometría y la concentración inicial de substrato, sobre los parámetros cinéticos de fotodegradación de ácido dicloroacético, especialmente en las eficiencias fotónicas del proceso. Se encontró que para geometrías con colectores de radiación difusa y mayores áreas de absorción, la eficiencia fotónica y por tanto la velocidad de reacción, mejoraron notablemente; para una misma concentración inicial de substrato. El efecto de la concentración inicial para geometrías definidas, mostró que la eficiencia fotónica es baja para bajas concentraciones debido a los efectos de recombinación de los pares electrón/hueco fotogeneradas. El modelado matemático de reactores y cinética de fotocatálisis heterogénea se enfoca principalmente en ecuaciones de balance de materia y energía radiante, ecuaciones empíricas de velocidad de reacción, descripción de campos radiantes y procesos de degradación de substratos orgánicos contaminantes (Cassano y Alfano 2000, Colina et al., 2009). No obstante, a pesar de que las evidencias experimentales han mostrado la naturaleza no intrínseca de las eficiencias fotónicas (Baoshun Liu et al., 2010; Li Puma et al., 2010; Trujillo et al., 2010; Urh Cernigoj et al., 2009, Ibrahim Gaya et al., 2008), no se han encaminado en modelado de este parámetro. En este trabajo se presenta un modelo semiempírico para la estimación de eficiencias fotónicas en sistemas de reacción fotocatalítica heterogénea, en función de un factor pre-exponencial llamado eficiencia fotónica-intrínseca y un factor exponencial que cuantificó el efecto de carga de catalizador, geometría y concentración inicial de substrato.



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4.11 Metodología: formulación del modelo de eficiencia fotonica no intrínseca Primer postulado: La eficiencia fotónica en función de la velocidad de fotodegradación se comporta exponencialmente. El comportamiento experimental de la eficiencia fotónica global de los procesos de fotodegradación, en función de la velocidad de reacción, presenta una tendencia exponencial creciente por influencia de la transferencia de carga interfacial de los h+ libres hacia la solución, para flujo de potencia fotoquímica constante (Monllor-Satoca et al., 2007; Mora-Sero et al., 2005; Lana et al., 2004). Segundo postulado: Se supone que si la eficiencia fotonica tiene una tendencia exponencial, es posible plantear una estructura matemática con funciones de contribución análogas a las funciones de contribución de la ecuación de Arrehnius de cinética de reacciones no isotérmicas, pero con signo contrario (puesto que la ecuación de Arrehnius es exponencial decreciente y la eficiencia fotónica una exponencial creciente). La aplicación de los dos postulados permite obtener un modelo matemático para la descripción de eficiencias fotónicas no-intrínsecas cuya estructura matemática es:

Siendo el factor exponencial una función de corrección de absorción de energía; con ψ(φ,Ε) la eficiencia fotónica del proceso e igual a qffí el factor pre-exponencial, o eficiencia fotónica intrínseca que cuantifica las interacciones en la interface semiconductor/solución, la cual depende solamente de la naturaleza de la reacción (intrínseco). a*¡ un parámetro de concentración inicial de la solución en (moles/gramo de catalizador), Coat la concentración de catalizador (gramos/L), φΕ"! es la velocidad volumétrica global adimensional de absorción de fotones (Machuca et al., 2008) y d,0 es la concentración inicial de substrato. Para esta función, el potencial variacional es la velocidad volumétrica global de absorción de fotones. η una constante de ajuste para la función de energía. El parámetro δ9, corresponde a un parámetro asociado a la geometría del reactor, definido como:

Con S1H la superficie de absorción de radiación directa, SD la superficie irradiada con radiación difusa y St es la superficie total del absorbedor. Para reactores de placa plana o reactores concéntricos δ9, = 1. Para reactores tubulares sin colectores de radiación δ9, = (S1H/ ST) 2 Para un reactor CPC (reactor tubular con colectores parabólicos compuestos):



75

La superficie Sd depende del ángulo de la involuta del colector y se obtiene experimentalmente. Con D y L el diámetro y la longitud del absorbedor respectivamente y f9, la relación diámetro: longitud. RESULTADOS Y ANÁLISIS El modelo formulado puede ser expresado como una función lineal logarítmica en términos de la concentración inicial del componente:

Donde el punto de corte, corresponde a ln((*) y la pendiente a una función geométrica, para concentraciones de catalizador constante. Se define entonces φ* como la eficiencia fotónica aparente para cada concentración: φφ =φΕσ (δ*cpf )) (6) Se muestra el comportamiento de los logaritmos neperianos de estas eficiencias fotónicas, evaluadas para un sistema de degradación fotocatalítica heterogénea de ácido dicloroacético para flujo luminoso constante, monocromático, con una carga de catalizador TiO2-P25 (Evonik-Degussa) de 1g/L; aplicado en tres reactores experimentales: un CPC, un placa plana y un tubular (Mueses et al., 2008). Los coeficientes de correlación son superiores a 0.92 lo cual garantizó un buen comportamiento predictivo. A partir de estas curvas se obtuvieron los valores para φ* y A*, los cuales se enlistan en la Tabla 1.

http://www.scielo.cl/scielo.php?pid=S0718-07642012000300006&script=sci_arttext#t1



76

Logaritmo natural de eficiencias fotónicas aparentes para la fotodegradación heterogénea de

ácidodicloroacético. El comportamiento lineal encontrado comprueba la validez de la estructura matemática del modelo formulado. Las eficiencias fotónicas (en logaritmo) obtenidas a partir de datos experimentales muestran una tendencia lineal con respecto al inverso de la concentración inicial del substrato, por tanto validan el primer postulado de la formulación. Evidencias experimentales de este comportamiento (exponencial) han sido reportadas en la literatura (Baoshun Liu et al., 2010; Li Puma et al., 2010; Ibrahim Gaya et al., 2008; Monllor-Satoca et al., 2007). Ahora al evaluar el efecto de la geometría del sistema, a partir de las eficiencias fotónicas aparentes, los parámetros geométricos δ9i y la fracción de energía neta absorbida es posible obtener la eficiencia fotónica intrínseca qffí. Para eso se consideró una dependencia logarítmica entre las eficiencias fotónicas aparentes e intrínseca, en función del producto (δ9, φΕηί), así:



77

En la Figura 2 se muestra el comportamiento y en la Tabla 2 los valores obtenidos en el ajuste.

Fig. 2. Logaritmo natural de eficiencias fotónicas aparentes en función de los

parámetros de absorción de energía radiante

El ajuste de la función anterior, arrojó un coeficiente de correlación de 0.999. Los valores obtenidos para la eficiencia fotónica intrínseca del ácido dicloroacético independiente de la geometría fue de qfff = 0.36029321 (mol/Einstein) y η = 0.68744477 (adimensional). El valor numérico de la eficiencia fotónica encontrada es consistente en el rango de valores típicos para eficiencias globales reportadas en la literatura para DCA (Sagawe et al., 2010; Machuca et al., 2008; Zalazar et al., 2005) no obstante es un valor inédito para la literatura fotocatalítica. Su valor específico equivalente a la velocidad de generación de duplas e-/h+ en la etapa de activación del semiconductor, además es consistente físicamente debido a que relaciona las moles de ácido dicloroacético transformadas por unidad de energía absorbida por las partículas de catalizador. El coeficiente de correlación del modelo comparado con datos de eficiencias fotónicas para esta sustancia evaluadas por métodos convencionales de ajuste de parámetros foto-cinéticos (Machuca et al., 2008) fue de 0.997. La Figura 3 presenta un gráfico de dispersión con estas predicciones. Los errores relativos en la predicción fueron menores al 1.8% lo cual garantizó la capacidad predictiva del modelo.

http://www.scielo.cl/scielo.php?pid=S0718-07642012000300006&script=sci_arttext#f2

http://www.scielo.cl/scielo.php?pid=S0718-07642012000300006&script=sci_arttext#t2




78

Fig. 3. Capacidad predictiva del modelo para eficiencias fotónicas reportadas por Machuca et al., 2008

En la Figura 4 se muestra el algoritmo utilizado para la estimación de los parámetros fotónicos, el cual es un esquema de la metodología propuesta por Machuca y colaboradores en 2008:

Fig. 4. Algoritmo de estimación de eficiencias fotónicas no intrínsecas.




79

Finalmente se encontró que el parámetro geométrico a*¡ se correlaciona con el parámetro de los reactores evaluados, mediante la siguiente función:

Numéricamente las eficiencias fotónicas no-intrínsecas fueron calculadas utilizando un método modificado de mínimos cuadrados no lineales, acoplado al algoritmo de Newton-Raphson con un parámetro tipo Broyden (Mueses y Machuca, 2010). Se consideró una restricción matemática denominada eficiencia fotónica no negativa, que ayudó a la velocidad de convergencia del sistema. En la Figura 5, se muestra la predicción a diferentes condiciones de operación y geometrías de reacción, reflejadas en la velocidad volumétrica global de absorción de fotones (OVRPA) (Machuca et al, 2008), de eficiencias fotónicas para fotodegradación heterogénea de ácido dicloroacético, utilizando datos experimentales obtenidos por Mueses y colaboradores (Mueses et al, 2008).

Fig. 5. Eficiencias fotónicas en función del la velocidad global de absorción de fotones para tres

geometrías de reacción y condición inicial de substrato.

Es evidente que el modelo formulado permite estimar el comportamiento de la eficiencia fotónica y describir físicamente la naturaleza del proceso de degradación. Para el TiO2-P25, la actividad e inducción de las duplas electrón-hueco, será afectada por la OVRPA del sistema. A OVRPA altas, la excitación superficial será alta y por tanto, la generación de duplas y radicales hidroxilo, evidenciando altas eficiencias fotónicas. En contraposición, OVRPA bajas inducen menos reacciones redóx, menor transformación de moléculas, mayor probabilidad de recombinación (e-/h+) y por tanto, menores eficiencias fotónicas.




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El modelo formulado puede utilizarse en modelos matemáticos de ecuaciones cinéticas de velocidad de reacción de distintas geometrías para la predicción y simulación de procesos de fotodegradación, debido a su carácter intrínseco. 4.12 Espectrómetro inteligente para la medición del flujo luminoso LED El espectrómetro táctil GL SPECTIS 1.0 basado en Android de GL Optic es un instrumento espectral innovador que ofrece un manejo intuitivo para la medición de luz móvil en el espectro visible. Además de las muchas características de rendimiento de los modelos anteriores, el GL SPECTIS touch 1.0 también mide el flujo luminoso (lumen) de LEDs y otras fuentes de luz.

instrumento es una valiosa herramienta para los diseñadores de componentes de iluminación y fabricantes de productos de iluminación. La salida de luz de

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Con su amplia funcionalidad, el instrumento es una valiosa herramienta para los diseñadores de componentes de iluminación y fabricantes de productos de iluminación. La salida de luz de LEDs normalmente aparece como flujo luminoso (lumen). El GL SPECTIS 1.0 touch en combinación con la mini esfera integrada GL OPTI SPHERE GL 48, se puede utilizar para la medición de flujo luminoso de LEDs, y con el difusor estándar también se puede utilizar para la medición de la intensidad lúminica dependiente de la distancia, de las lámparas LED. El espectrómetro es un instrumento muy útil para todo el proceso de fabricación de productos de iluminación. El GL SPECTIS touch 1.0 es una novedosa herramienta para medir, analizar y almacenar datos paramétricos clave usando la pantalla táctil integrada (240x320 píxeles). Los datos necesarios para la calificación LED incluyen el índice de rendimiento de color (CRI), de conformidad con las normas CIE, temperatura de color correlacionada (CCT), de conformidad con las normas CIE, coordenadas de color de acuerdo con CIE 1931 y CIE 1964, así como el valor de la energía radiante (mW) y el flujo luminoso. El instrumento de mano tiene un rango espectral de 340 a 750 nm. La resolución física es de ~ 1.7 nm con una longitud de reproducibilidad de la onda de 0,5 nm. El instrumento, cómodo y sencillo, cuenta con todo lo necesario para el cálculo de alta precisión de los datos colorimétricos. Alta sensibilidad y reducción de ruido innovador son las características clave que hacen posible obtener mediciones fiables en las fortalezas de baja señal. La innovadora tecnología limita la incertidumbre de la



81

medición de las coordenadas de color (x / y) a 0,0015, poniendo el espectrómetro al nivel de los instrumentos de laboratorio complejos y caros. GL OPTIC realiza calibración espectral en todos sus espectrómetros antes de su envío. El difusor estándar está corregido por coseno y calibrado para la medición de la intensidad lumínica y la irradiación de fuentes de luz. El instrumento es calibrado en combinación con la esfera integrada GL OPTI SPHERE 48 para la medición del flujo luminoso. Con la ayuda de un sistema de codificación inteligente, que detecta la sonda óptica y selecciona automáticamente la calibración apropiada, elimina prácticamente el riesgo de errores de medición. El instrumento cuenta con una arquitectura de sistema operativo Android y conectividad puntera, que incluye Wi-Fi y Bluetooth. Una ranura para tarjetas SD y puerto USB 2.0 permiten al espectrómetro interactuar con ordenadores y portátiles. El instrumento portátil de mano tiene un diseño compacto (74 mm x 146 mm x 24 mm) y pesa sólo 315 g. Muchos accesorios incluyendo sondas ópticas y esferas integradas están disponibles en una amplia gama de tamaños. El software opcional GL SPECTRO SOFT proporciona toda la funcionalidad necesaria para su uso en laboratorio o producción. Puede ser utilizado para controlar el espectrómetro, la gama de periféricos externos y esferas de integración. También ofrece varias funciones de adquisición de datos, múltiples opciones de visualización numérica y gráfica para la visualización de los resultados de las mediciones y una serie de opciones de exportación. Los usuarios pueden realizar análisis espectrales y guardar los resultados de la medición en un PC a través del puerto USB incorporado 4.13 Tamaño de partícula inteligente Sistema Mastersizer fue lanzado en 1988 y desde entonces Malvern Instruments ha liderado la tecnología de medida de tamaño de partículas por difracción láser. Estamos implicados en la tecnología, las aplicaciones y las posibilidades que la técnica brinda a los más de 10.000 usuarios de Mastersizer en todo el mundo. Rápida, real y altamente automatizada, difracción láser es ya la técnica más usada en el mundo para el análisis de tamaño de partícula. Ahora, el Mastersizer 3000 lleva la técnica de difracción láser a un nivel superior Un solo instrumento para la medida precisa y con alta resolución de muestras

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84

Capítulo 5 Elementos materiales actuales en la

tecnología fotonica



85

5.1 Obra de la revolución limpia. Por Esther Celma Nikola Tesla, George Westinghouse y Thomas Edison, los antepasados de la industria eléctrica, se sentirían relativamente cómodos con gran parte de la tecnología actual. Durante el mismo período de tiempo en que los primeros aviones de los hermanos Wright han dado paso a los aviones supersónicos, y en que la primera transmisión de radio [inventada en realidad por Nikola Tesla en 1895] transatlántica de Guglielmo Marconi se ha transformado en la reproducción por tiempo real por Internet y en Youtube, la red eléctrica prácticamente no ha cambiado.

Ron Pernick y Clint Wilder, en el libro La revolución limpia (Gestión 2000,

2008, ISBN 978-84-96612-52-5),

afirman también que la red eléctrica pierde hasta el 20% de la energía que distribuye, sin contar con los apagones y estos fallos cuestan hasta 100.000 millones de dólares al año sólo en los Estados Unidos. El modelo actual semeja una enorme autopista de un único sentido con millones de salidas de un solo carril. Pero ya hace tiempo que se impulsa una red eléctrica inteligente que, al estilo de Internet, se basa en nodos independientes capaces de comunicarse entre ellos. Así podrá supervisar y controlar el flujo eléctrico en busca del negavatio, y será capaz de integrar distintas energías limpias a pequeña escala. En vez del modelo actual de grandes centros productores, se busca un sistema digital y autocontrolado, capaz de relacionar pequeños centros, ajustarse a la demanda, informar automáticamente de cualquier fallo de suministro y de desconectar

http://www.microsiervos.com/archivo/ciencia/150-aniversario-nikola-tesla.html

http://www.microsiervos.com/archivo/ciencia/inventos-que-no-son-de-edison.html

http://www.microsiervos.com/dc/archivos/nacho/tal-dia-como-hoy-el-nacimiento-de-la-radio.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Ron_Pernick

http://en.wikipedia.org/wiki/Clint_Wilder

http://www.resumido.com/es/libro.php/503

http://www.moveyourmind.es/bio/para-la-crisis-negavatios/



86

automáticamente luces y aparatos superfluos mediante un sistema de redes inalámbricas. El objetivo: aprovechar al máximo la energía. Por supuesto, su coste será alto. Se calcula en 160.000 millones de dólares hasta el 2025 sólo en Estados Unidos. Sin embargo, ya se están dando los primeros pasos. Gridwise es una gran alianza entre las grandes empresas y grupos de investigación para desarrollar las redes inteligentes mediante un plan de acción.

Esquema de funcionamiento de redes eléctricas inteligentes de Silver Spring Networks.

Por otra parte, ya están en marcha varias experiencias positivas: La compañía TXU Electric Delivery despliega la banda ancha de energía desde el 2005 y su objetivo es digitalizar tres millones de metros de red eléctrica. La empresa Itron es líder en sistemas de medición y administración avanzada y ofrece múltiples soluciones y cuenta con millones de contadores inteligentes instalados. Silver Spring Networks invierte desde hace tiempo en esta nueva visión de la distribución eléctrica y gracias al acuerdo con la firma Florida Power impulsan la que promete ser la mayor red eléctrica inteligente. Por su parte, GridPoint ha desarrollado un dispositivo único para administrar la energía con eficiencia. Otras empresas investigan desde hace tiempo las posibilidades de la nanotecnología, con materiales superconductivos para desarrollar las redes inteligentes. Destaca American Superconductor y el National Energy Technology Laboratory subvenciona este año 20 proyectos de investigación sobre nanotecnología y eficiencia enérgetica. Para conseguir un impulso global haría falta un apoyo económico institucional, así que lo más probable es que continúe el desarrollo de la red eléctrica inteligente a escala regional, con grandes alianzas entre grupos empresariales.

http://www.gridwise.org/

http://www.gridwise.org/page01.html

http://www.silverspringnetworks.com/products/implementation.html

http://tdworld.com/customer_service/power_txu_electric_delivery-bpl

http://www.itron.com/pages/about_what_we_do.asp

http://www.silverspringnetworks.com/products/intelligent_endpoints.html

http://www.silverspringnetworks.com/news_events/pr_fpl_041007.html

http://www.silverspringnetworks.com/news_events/pr_fpl_041007.html

http://www.gridpoint.com/solutions/demandmanagement/

http://www.amsc.com/

http://www.netl.doe.gov/publications/press/2008/081010-Advance_Nanomanufacturing.html

http://www.netl.doe.gov/publications/press/2008/081010-Advance_Nanomanufacturing.html

http://www.silverspringnetworks.com/products/implementation.html



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Esther es periodista freelance. Corresponsal de El Vigía y adjunta de El Periódico en Tarragona. También colabora con TV3 y la Agencia Efe. Actualizado 28 de octubre: La Unión Europea también apuesta por las redes eléctricas inteligentes y desde hace unos años están en marcha distintos proyectos internacionales, especialmente en la línea de integrar pequeños centros de producción, incluso doméstica. Es la denominada generación distribuida, cuyos principales problemas son jurídicos -la titularidad de las redes eléctricas suelen ser un monopolio- y de control del sistema, tanto de generación como de la estabilidad. Tampoco existe un modelo unitario. Para solucionar estos problemas, nueve grupos tecnológicos han fundado, bajo el paraguas de la Unión Europea, un laboratorio de excelencia que quiere ser referente a escala mundial. Su nombre es Der-Lab y lo forman Tecnalia (España) Iset (Alemania) Kema (Holanda) Cesi(Italia) Arsenal (Austria) Cea-Ines (Francia) Universidad de Manchester Universidad de Atenas Universidad de Sofía Universidad de Lodz

Sus objetivos son desarrollar criterios comunes para la interconexión y la operación de generación distribuida, a través de ensayos y certificaciones que incorporarán las futuras normas internacionales. Los nueves socios colaborarán entre ellos y con los distintos proyectos internacionales de investigación, así como en los comités nacionales e internacionales de normalización.

http://ec.europa.eu/research/energy/pdf/dis_energy_en.pdf

http://ec.europa.eu/research/energy/pdf/dis_energy_en.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_distribuida

http://www.der-lab.net/

http://www.tecnalia.info/

http://www.iset.uni-kassel.de/pls/w3isetdad/www_iset_new.main_page

http://www.kema.com/

http://www.cesi.it/default_e.asp

http://www.arsenal.ac.at/home_en.html

http://www.cea.fr/english_portal/energy/new_energy_technologies

http://www.manchester.ac.uk/research/

http://uoa.gr/uoauk/uoaindex.htm

http://translate.google.es/translate?hl=es&sl=bg&u=http://www.uni-sofia.bg/&sa=X&oi=translate&resnum=1&ct=result&prev=/search%3Fq%3DUniversity%2Bof%2BSofia%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26hs%3DErC%26pwst%3D1

http://www.iso.uni.lodz.pl/



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5.2 Redes inteligentes “Smart Grid” es un término que suena inteligente. Pero, ¿qué es exactamente? El término red inteligente se refiere a las redes que interconectan y mediante las cuales las fuentes generadoras de energía, los puntos de almacenamiento, los dispositivos eléctricos, sistemas de calefacción y refrigeración, los sistemas de vigilancia digital y medidores de energía inteligentes se comunican entre sí. La red inteligente permite el control y ajuste de los flujos de energía, tanto de electricidad como gas. Como un sistema energético descentralizado, la red inteligente incluye a las fuentes de energía fósil primaria, las energías renovables como la solar, eólica e hidráulica y el biogás. En particular, la fluctuación natural de la energía renovable se equilibra mediante una red computarizada. La distribución óptima de la energía asegura un perfil de carga balanceado donde la demanda y la oferta se mantienen en un equilibrio constante. Los proyectos de redes inteligentes más importantes ya se han iniciado en Italia, Portugal, Alemania, EE.UU. y Holanda. Sin embargo, se requiere una renovación fundamental de las redes energéticas existentes en todo el mundo para poder utilizarlas a gran escala a nivel mundial. “Smart Grid” es un término que suena inteligente. Pero, ¿qué es exactamente? La renovación de las redes de energía existentes Sin una restauración fundamental de las redes ya existentes, la revolución energética inteligente seguirá siendo un sueño, predice Samudrala. Por lo tanto, para que la inversión en las redes inteligentes de energía sea económicamente rentable, los gobiernos también tienen que involucrar al sector manufacturero. Esto permitiría incluir en el cálculo global, el consumo de energía de los electrodomésticos con más precisión. Solamente con su colaboración se podrá garantizar que en el futuro las redes inteligentes trabajen de forma cada vez más eficiente. Samudrala sostiene que esto significa que también el consumidor tendrá que hacer una inversión significativa a la hora de comprar equipos electrodomésticos eficientes, según sus cálculos entre $500 y $1500 dólares americanos. "Una inversión que resultará muy rentable a largo plazo", acota.



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5.3 Un desafío para los países emergentes y en desarrollo A veces, la actualización completa de la red resulta ser el mayor desafío para los países en desarrollo. La explosión demográfica y la industrialización han incrementado dramáticamente el consumo de energía. En muchos países la producción apenas abastece la demanda. "La red inteligente está fuera de nuestro alcance. El costo de los equipos, la instalación y la capacitación del personal son demasiado altos", lamenta Tri Mumpuni, empresaria especializada en el suministro de energía en Indonesia. Sus micro-plantas hidroeléctricas que abastecen a zonas rurales de Asia se financian principalmente con fondos públicos.

El medidor inteligente es un componente importante de la red inteligente. Los dispositivos digitales muestran al cliente su consumo de energía y el tiempo de

uso de la misma.

Una red descentralizada de energía no sólo requiere una infraestructura de alto rendimiento sino también ingenieros de sistemas especializados. Por lo tanto, los gobiernos de los países en desarrollo deben utilizar los préstamos provenientes de las instancias multinacionales de manera transparente y eficiente, sostiene Samudrala. 5.4 Los consumidores como la fuerza motriz de la transición energética Aunque estas medidas dan la impresión de crear un control del consumo privado de energía y con ellas la aparición de un "consumidor transparente", Samudrala se mantiene optimista. "En última instancia, el cliente es la fuerza motriz de la revolución energética. De ser un abonado pasivo se convierte en un consumidor consciente en el mercado energético".

http://www.dw.de/smart-grid-la-red-el%C3%A9ctrica-inteligente-del-futuro/a-16781949



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Hasta entonces, Jhoy Lavenga probablemente tendrá que encender muchas velas en la feria de pescados de Corón 5.5 Importancia mundial de las tecnologías ópticas Estando en una aldea global que es controlada adiestrando las mentes de la población a través de los medios de comunicación [9], no es de extrañar el gran interés y capital invertido en numerosas investigaciones científicas que tienen su base en la fotónica, además de las aplicaciones bélicas que puedan tener. Nos dirigimos ahora hacia otra revolución industrial, la era de la información. La información producida por la humanidad se incrementa enormemente cada día. Muchas personas y países han amasado más fortunas de la industria de la información que en otros ámbitos y la tendencia va en crecimiento [10]. Siendo testigos de cómo están afectando las tecnologías las formas y escalas de organización social y vida individual, resultan de suma importancia las contribuciones científicas que han conducido a las innovadoras aplicaciones tecnológicas que hemos contemplado en los últimos años y que han sido un gran logro por parte de muchos científicos, ingenieros y tecnólogos de diversas partes del mundo. 5.5.1 Óptica no lineal Históricamente el origen de la óptica no lineal es anterior al haz LASER, pero es realmente gracias a esta invención, como se logra desarrollar esta área de la física. Ésta, es una rama de la óptica que se ocupa del estudio de la interacción de radiación electromagnética y la materia, en la cual la materia responde de una manera no lineal a los campos de radiación que inciden en ella [11]. La intensidad de los campos eléctricos en las ondas luminosas no son muy fuertes en comparación con aquella de haces LASER. El campo eléctrico que mantiene unido un electrón a su núcleo, en el caso del átomo de hidrógeno es aproximadamente de tomos o compuestos se encuentran ligados con menor intensidad. Tratándose de electrones externos, según del modelo atómico de Bohr, se ha constatado experimentalmente que el campo de intensidad es aproximadamente del orden de (~ 810 y / cm ) para la mayoría de los materiales utilizados en óptica no lineal. Es precisamente este orden de magnitud, el requerido para el campo de radiación incidente en los materiales, a fin de presentar fenómenos que impliquen la absorción y emisión de fotones, y todo esto, gracias a la posibilidad de concentración de energía lograda en los haces LASER [11]. Para entender la razón por la cual se habla de no linealidad es necesario empezar por explicar lo siguiente:



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incidente E . En caso de que el campo eléctrico sea suficientemente grande, situación que se presenta con los haces de LASER, la proporcionalidad deja de ser lineal De esta manera, la relación lineal entre la polarización y el campo eléctrico constituye sólo una parte de una expansión más amplia de manera polinomial, desarrollo en series que puede ser hecho debido a que la dirección de la polarización coincide con la del campo. Esta expresión involucra términos no lineales del campo eléctrico. Así, para materiales homogéneos e isotrópicos se presenta la relación: P = c E + c E + c E + L . (1.1) Donde (1) c es la susceptibilidad lineal del medio y demás términos de orden superior son susceptibilidades no lineales y describen propiedades ópticas no lineales del medio [12]. La respuesta no lineal puede resultar en una variación de las características de los campos de radiación dependientes de la intensidad o en la creación de campos de radiación que se propagan a nuevas frecuencias o en nuevas direcciones. Existiendo una intensidad luminosa suficientemente alta, siempre es posible observar fenómenos no lineales de varios tipos en cualquier material [11]. La no linealidad es una propiedad del medio a través del cual viaja la luz más que una propiedad de la luz misma. La luz puede así interactuar con luz a través del medio, provocando con esto la interacción de fotones. Es por estas razones que los comportamientos no lineales ópticos no se podrían presentar en el vacío [13]. Actualmente, el desarrollo de nuevos materiales ópticos es de tal grado que se han creado cristales con fuertes propiedades no lineales que pueden ser usados con LASERs de potencia extremadamente baja con el fin de crear solitones ópticos con usos de aplicaciones tecnológicas. Este último desarrollo, permite que haya solitones ópticos mucho más estables, siendo adaptables a viajar en muchos otros tipos de condiciones como en las regiones superficiales de circuitos integrados ópticos [14]. 5.5.1 Tipos de fenómenos ópticos no lineales Los efectos ópticos no lineales provienen debido a las propiedades no lineales de los medios tales como los cambios en el índice de refracción y el coeficiente de absorción que se tiene durante la fuerte intensidad de la luz. Los haces de luz, bajo condiciones de este tipo, pueden interactuar con otros haces lumínicos. En estas circunstancias el principio de superposición ya no es aplicable [17]. A partir de la ecuación (1.1) se puede ver, mediante la sustitución del valor del campo E = E0 coswt, la presencia de fenómenos no lineales, los cuales aparecen para los demás términos del campo eléctrico de orden dos o superior, en el caso de un haz



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LASER incidente sobre un material. Estos términos son responsables de la generación de armónicos ópticos, los cuales decrecen en intensidad a medida que el orden se vuelve mayor. Esta ecuación toma así, la forma: P = c E cos w t + c E cos w t + c E 0 cos w t +-• . (1.2) ( 2 ) 2 2 ( 3 ) 3 3 Haciendo uso de algunas identidades trigonométricas es fácil ver que la polarización posee también términos de valores dobles, triples o mayores de la frecuencia inicial [18]. De manera análoga, se pueden presentar otros fenómenos no lineales cuando entran dos haces LASER a un medio, para ver esto se puede hacer la sustitución del campo eléctrico como: E = E1 cosw1t + E2 cosw2t, en donde se han considerado los dos valores para cada uno de los haces. Esta expresión posee la forma: P = c (E1 cosw1t + E2 cosw2t) +c( E 1 cos w 1 t + E 2 cos w 2 t ) + c ( E 1 cos w

1 t + E 2 cos w 2 t ) + (2) 2 (3) 3 (1.3) Podemos explicar de manera general los tipos de fenómenos no lineales atendiendo al tipo de no linealidad. De esta manera, se pueden presentar fenómenos para no linealidades cuadráticas y para no linealidades cúbicas, dependiendo del tipo de no linealidad que sea más dominante en el medio, además se presentan fenómenos distintos según entren uno o dos haces LASER dentro del material Medios cuadráticos (2) ( c > > c ) : (3) Para este tipo de materiales, la polarización no lineal de la luz posee la forma: Entrada de un haz: 1P = c E + NL (2) 2 (1 cos2 )w t . (1.4) Esta expresión posee un término constante que es responsable del fenómeno llamado rectificación óptica y otro término que involucra un coseno de doble ángulo que se refiere a la formación de segundo armónico, situación para la cual se absorben dos fotones y se emite uno con una frecuencia doble de la inicial. Entrada de dos haces: 1P = c E + N L ( 2 ) 2 w t + E 2 1 (1 cos2 ) (1 cos2 ) 2 w t + E E cos( w + w + w - w . (1.5)



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De esta ecuación se observan doblamientos en la frecuencia y procesos no lineales de combinación de ondas como son la generación de suma (w 3 =w 1 +w2) o diferencia (w3 =w 1 - w 2) de frecuencias. En estos fenómenos, uno de los haces actúa a manera de señal. En este proceso de mezclado de las 2 ondas, que provienen de una misma dirección, se produce un tercer haz luminoso que tiene una frecuencia equivalente a la diferencia de los otros dos iniciales [15]. De esta expresión se observa una conservación de la frecuencia original, resultado de una absorción y emisión de un fotón de misma frecuencia, fenómeno llamado auto-acción y el triplicado de frecuencia o formación de tercer armónico, que resulta de absorberse tres fotones de misma frecuencia y emitirse un solo fotón de frecuencia triplicada. Entrada de dos haces: 1 P = c N L ( 3 ) ( E 3 3cos ) (3w t + c o s 3 w t + E 3 c o s w t + c o s 3 w t + E E E w t + E w t + ) [6 cos cos ]1 1 1 2 2 2 1 2 2 1 1 24• •+ 3 E 1 E 2 cos(2 w 1 + w 2 ) t + cos(2 w 1 − w2 ) t + 3 E 1 E 2 cos(2 w 2 + w 1 ) t + cos(2 w 2 − w 1 ) t2 2[ ] [] (1.7) En esta ecuación se pueden presenciar fenómenos de auto-acción y de formación de tercer armónico para cada una de las frecuencias de los haces incidentes, así como mezclado de cuatro ondas [18], caso en el cual dos haces intensos de frecuencias distintas o iguales que viajan en direcciones opuestas sobre un medio no lineal, se mezclan y se unen a un haz de referencia, apareciendo dos nuevos haces de luz, unos con una frecuencia equivalente a la diferencia de los haces incidentes y el otro con frecuencia de valor igual a la suma de los dos primeros haces que intervienen en el fenómeno. Ocurre así una mezcla de frecuencias que pueden ser iguales o diferentes, transfiriéndose energía al haz de referencia formando una salida que sale paralelamente al mismo [15]. Las no linealidades de segundo orden son responsables a su vez de fenómenos como son: Dispersiones Raman y Brillouin, efecto Raman inverso, refracción dependiente de la intensidad, opacidad y reflectividad inducidas [19]. Para no linealidades de tercer orden o polarización no lineal cúbica, se dan además fenómenos ópticos no lineales como pueden ser: Inestabilidad modulacional, autoenfocamiento, autodesenfocamiento, solitones ópticos paramétricos, vórtices, efecto electro-óptico cuadrático, y efectos de índice refractivo dependiente de la intensidad, entre otros [19]. Otros desarrollos que se han dado, lo constituyen: La espectroscopia no lineal múltiple y sus aplicaciones a la ciencia de los materiales, óptica de guías de onda no lineales, conjugación de fase, biestabilidad conducente a conceptos de procesamientos de



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señales ópticas, el avance en fuentes altamente controlables en cambio a través de osciladores paramétricos ópticos, la óptica no lineal de fibras ópticas así como el estudio de las distintas variedades de solitones ópticos y temporales, las fuentes de terahertz, pulsos ultracortos del orden de femtosegundos y la generación de decenas de más altos armónicos en gases entre otros. A pesar de que la óptica no lineal sea un área relativamente nueva, posee una diversidad de ramas y una tecnología asociada bastante desarrollada. Según establece el catálogo Physics Abstract, las ramas son las siguientes [20]: • Espectros y dispersión Raman estimulados, CARS, dispersión Brillouin estimulada (Stimulated Raman scattering and spectra; CARS; stimulated Brillouin scattering.Rayleigh scattering and spectra)

Conjugación de fase óptica (Optical phase conjugation)

Fenómenos ópticos transitorios, transparencia autoinducida, saturación óptica y efectos relacionados (Optical transient phenomena, self-induced transparency, optical saturation and related effects)

Atrapamiento de haces, autoenfocamiento, florescencia térmica y efectos relacionados (Beam trapping, self focusing, thermal blooming and related effects)

Generación óptica de armónicos, conversión de frecuencia, oscilación paramétrica y amplificación, mezclado de ondas múltiples (Optical harmonic generation, frequency conversion, parametric oscillation and amplification,,multiwave mixing)

Biestabilidad óptica, multiestabilidad e interrupción o conmutación (Optical bistability, multistability and switching)

Solitones ópticos (Optical soliton) 5.6 Descripción física de la interacción entre haz LASER y materia Hemos indicado cómo un haz LASER al poseer campos electromagnéticos intensos, puede dar lugar a comportamientos no lineales, ya que sus campo son capaces de perturbar la unión que tienen los electrones con cada uno de los átomos del material óptico utilizado. Para bajas intensidades lumínicas, las cargas pueden seguir el campo casi exactamente, siendo la relación entre el campo eléctrico y la polarización de manera lineal. Es de esperar que los electrones más afectados sean los de valencia, pues los electrones de las capas más internas de los átomos se hallan fuertemente atraídos hacia el núcleo atómico. Ante un campo eléctrico de gran magnitud se provoca una oscilación de los electrones que poseen una variación no sinusoidal, excediendo el rango en el que pueden imitar el comportamiento de las ondas luminosas, de tal suerte que comienzan a oscilar en



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modos diferentes. Bajo este efecto, los electrones pueden saltar entre las distintas posiciones, llegando incluso a ser arrancados [15]. Cuando la luz se propaga a través de la materia, la componente correspondiente al campo eléctrico inducirá movimiento en las partículas cargadas que constituyen el material. En un medio dieléctrico, las cargas se encuentran juntas y oscilarán en el campo eléctrico aplicado, produciendo dipolos eléctricos oscilantes. Se produce así, una polarización que es proporcional al campo eléctrico de la luz. Existe también una contribución debida al campo magnético de la luz y otra debida a los cuadrupolos eléctricos sin embargo, por ser mucho más débiles, no son considerados. Esta exclusión permite simplificar los cálculos y constituye lo que se conoce como aproximación de dipolos eléctricos [16]. 5.7 Formación de segundo armónico La generación de segundo armónico se presenta cuando una única onda de bombeo que posee una frecuencia w se hace incidir sobre un material de características no lineales y se genera una onda en su segundo armónico 2w. Esto se da en un medio dieléctrico que se considera que sólo posee no linealidad óptica de segundo orden, de tal manera que la respuesta del medio al campo eléctrico alternante de frecuencia angular w tiene una simetría par y el medio producirá un campo de polarización con una componente de corriente directa que puede ser usado para generar un voltaje DC a lo largo del cristal no lineal cuando éste último es expuesto a radiación de luz intensa. La eficiencia en la formación del segundo armónico es proporcional a W A, en donde W es la potencia incidente y A es el área de la sección transversal [17]. 5.8 Solitones También conocidos como ondas solitarias, son entidades ondulatorias localizadas con propiedades de estabilidad, que se propagan con pequeño cambio en su forma y se presentan bajo circunstancias muy particulares a partir de ondas que se propagan en medios dispersivos no lineales. Este fenómeno se presenta en muy distintas ramas científicas, sin embargo los intentos teóricos por entenderlos han sido casi exclusivamente matemáticos, siendo el estudio de estas entidades un área activa de investigación fisicomatemática en la cual se han encontrado unas cien ecuaciones diferenciales no lineales con soluciones de solitones, entre las cuales se encuentran las conocidas ecuaciones KdV (Korteweg-De Vries), NLO (Ecuación no lineal de Schrödinger) y la Sine-Gordon [21]. De esta manera se puede decir que el concepto de solitón es una construcción matemática sofisticada basada en la integrabilidad de una clase de ecuaciones diferenciales no lineales como se subraya en el artículo de Haus y Wong [22].



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5.8.1 Solitones ópticos Las ondas solitarias o solitones se pueden considerar como modos localizados coherentes de sistemas no lineales con dinámica de tipo partícula completamente distinta al comportamiento irregular y estocástico que se presenta en los sistemas caóticos [23]. En términos más estrictos una onda solitaria se refiere a una onda que se atrapa a sí misma y si además posee un comportamiento de tipo partícula, entonces recibe el nombre de solitón. Sin embargo es común referirse con el mismo nombre en la literatura científica, en este trabajo tomaremos ambos términos como equivalentes. Existen muchas variedades de solitones ópticos. Estos han cobrado interés, especialmente a raíz del desarrollo de la tecnología de las fibras ópticas, ya que son usados para codificar señales de bits en cadenas de datos y transmitirlas a enormes distancias sin recondicionamiento, así como de la investigación con miras a una nueva industria de comunicaciones de tecnología de sistemas de transmisión óptica de nueva generación, procedentes en su mayoría de los laboratorios Bell [24]. 5.8.2 Clasificaciones de solitones ópticos Aunque existe una enorme clasificación y subclasificación de tipos de solitones ópticos entre los cuales se pueden enumerar: Coherentes, incoherentes, brillantes, oscuros, vectoriales, discretos, multicolor, anillo, de banda, de cavidad, etc., podemos definir las tres principales clases de solitones ópticos [3]: Solitones temporales: Son pulsos de luz en guías de ondas ópticas que bajo ciertas condiciones se pueden propagar sin distorsión sin importar cuan distante viajen. Es una solución especial de onda viajera de tipo pulso que es la única solución estable de una ecuación dispersiva de onda y consiste en un pico moviéndose aisladamente [17]. Solitones espaciales: Son haces estacionarios de luz robustos, auto-guiados que se propagan sin presentar distorsión en ciertos medios ópticos y exhiben comportamiento como las partículas. Se forman por medio del enfocado y atrapado mutuo de ondas en medios no lineales. Solitones espaciotemporales: Se conocen también como “balas de luz”. Son señales de luz tridimensionales enfocadas-no difractivas, de pulso no dispersivo y autoatrapadas [25]. 5.8.3 Solitones ópticos espaciales Los solitones espaciales u ondas solitarias espaciales se propagan sin dispersarse como haces autoconfinados. Se presentan cuando existe una no linealidad tal que conduzca a un cambio en el índice de refracción del medio de manera que genere un enfocamiento positivo tipo lente, y el haz luminoso, debido a este factor resulta autoatrapado y se propaga inalterado sin ninguna estructura de guía de onda [26]. Los solitones espaciales se pueden propagar en medios volumétricos o en guías de onda plana como puede ser a través de películas. Para esto se requiere la existencia nolinealidades de mayor intensidad [27].



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5.8.3.1 Tipos de solitones ópticos espaciales Atendiendo al tipo de no-linealidad usada, se pueden definir tres clases de solitones ópticos espaciales: Kerr o de tipo Kerr, que se basan básicamente en cualquier efecto físico que produzca un cambio en el índice de refracción dependiente de la intensidad. Pudiendo ser de origen electrónico, térmico u otro. Solitones fotorefractivos: Su física se basa en el efecto electro-óptico y su autoatrapamiento requiere usualmente un campo eléctrico de corriente directa. Solitones cuadráticos para los cuales, la física viene del hecho de la interacción paramétrica de ajuste de fase entre los diferentes componentes de frecuencia del campo óptico [29]. 5.8.3.2 Solitones cuadráticos ópticos espaciales Se les conoce también como Simultones [30]. Se predijo su existencia a mediados de los años setenta y fueron comprobados experimentalmente en el noventa. Consisten en ondas de múltiples frecuencias que se hayan confinados gracias a no-linealidades de segundo orden. Pueden presentar estabilidad tanto en guías de onda como en medios volumétricos y a diferencia de otro tipo de solitones ópticos espaciales, el autoatrapamiento no se da debido a un autoenfocamiento, sino por medio del resultado de un rápido intercambio energético entre las ondas multifrecuencia que conservan la potencia y la amplitud espacial de los haces mutuamente estabilizados [31]. Sin embargo, una vez que el solitón se ha generado en el cristal, ayudado gracias a que la longitud de difracción es comparable a la longitud de dispersión, cesa el intercambio de energía entre las ondas interactuando paramétricamente en el cristal y las envolventes de todas las ondas terminan enlazándose en fase. En el caso más simple de formación de segundo armónico, el solitón resultante de esta interacción contiene ambos campos de los armónicos: Fundamental y segundo, que exhibe la típica forma de campana como situación más sencilla [32]. Esta clase de solitones poseen la particularidad de no presentar cambio en el índice de refracción debido a que están conformados por ondas multicolores acopladas entre sí por medio de la no-linealidad cuadrática. El frecuente flujo de energía entre las ondas de primer y segundo armónicos conducen a una continua acumulación de cambio de fase no lineal [33]. 5.8.4 Solitones ópticos multimodales A diferencia de los solitones ordinarios que tienen la característica de viajar con un solo modo o pico de intensidad, existen otro tipo de solitones que pueden tener más de un modo los cuales se pueden presentar siempre y cuando los modos no interfieran unos con otros. Enviando dos haces LASER cada uno con un modo distinto a través de un cristal no lineal (Niobato de estronio-bario), se presenció como un haz siguió cerca de 10 metros después del otro de manera tal que sus fases relativas fueran tales que el cambio tan rápido para los modos no permitiera interferencia entre éstos. Los investigadores M. Segev, M. Mitchell y D. Christodoulides notaron así, que había un solitón con más de un pico de brillo al ver el perfil de intensidades del haz emergido [28].



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Capítulo 6 Beneficios Económicos en el uso e

implementación de la fotónica.



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"La iluminación actual, tanto pública como terciaria, utiliza tecnologías obsoletas al

tratarse de uno de los productos existentes con menor tasa de reposición por obra

nueva". Según el presidente de Anfalum, en la iluminación pública la tasa de reposición

es del 3% (cada 25 años de media); y en el sector terciario (locales comerciales,

oficinas, etc.), de 15 años".

El 90% de la iluminación de los edificios seguirá siendo la misma que la actual en 40

años.De acuerdo con algunos estudios,más del 80% del 'stock' actual de edificios en

Europa estará vigente en 2050. Teniendo en cuenta que el parqué español es más

actual que los de la UE, la renovación en nuestro país será inferior, agravándose este

problema. Por ello, en 40 años cerca del 90% de la iluminación de los edificios en

España seguirá siendo la misma que la actual.

Con este horizonte, el potencial de ahorro es elevado. Sobre todo, teniendo en cuenta que sólo en nuestro país han sido construidos sin criterios eficientes cerca de 20 millones de edificios de diferentes tipologías (viviendas, locales comerciales, de uso público, etc.). En líneas generales, el sector de edificios representa alrededor del 40% del consumo mundial de la energía y las ineficiencias en su gestión provocan la pérdida de 300 millones de euros en Europa. Concretamente, el consumo de iluminación doméstica en España acapara el 20% de la factura eléctrica de un hogar, pero cuando se trata de los ayuntamientos, la cifra se dispara, dedicando un 70% al pago del consumo energético en iluminación. España cuenta aproximadamente con 4,4 millones de puntos de luz de alumbrado exterior que representa un consumo de electricidad de 3.600 GWh/año en el conjunto del país. A modo de referencia, Alemania, con más población que España, consume la mitad de energía y, por tanto, contamina mucho menos. La instalación de redes inteligentes de alumbrado público autónomas y ecoeficientes reducen hasta un 35% las emisiones de CO2. "A pesar de las numerosas ventajas que ofrecen las nuevas tecnologías de la iluminación, el problema de los ayuntamientos ahora es que no tienen capacidad de inversión para cambiar el alumbrado públicoy, ante esto, muchos políticos abogan por apagar las luces, pero debemos apostar por que la solución pase más por conseguir ahorros a través de la eficiencia de la iluminación, más que el apagado", defiende Barón. 'El ahorro energético es probablemente lo que compran los políticos en estos momentos' Para Anfalum, "acometer una acción de ahorro energético sostenibleen el tiempo supone partir de un diseño adecuado efectuado por técnicos cualificados". Así, señala, "el ahorro energético es probablemente lo que compran los políticos en estos momentos, pero en el caso de la iluminación debe hacerse compatibilizándose con



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otras dos características de la misma importancia, que son el rendimiento de la luminaria y el confort visual; sin estos tres parámetros (eficiencia, rendimiento y confort), una instalación de iluminación estará mal diseñada y arrastrará problemas insalvables en un futuro, teniendo en cuenta que la vida útil de una instalación es de entre 15 y 30 años". Según Barón, "es imposible pensar en cambiar de una vez todos los puntos de alumbrado exterior, pero sí se puede ir poco a poco aprovechando subvenciones como la que la Comunidad de Madrid ofrece a través del Plan Renove para ayuntamientos de menos de 25.000 habitantes". Se trata de una ayuda total de 1,5 millones de euros, con la que se sustituirán en la región unos 30.000 puntos de luz por otros más eficientes. España, referente mundial en 'smart cities' Todos los indicadores apuntan a que en 2050 el 75% de la población mundial vivirá en ciudades, por lo que la transformación de las áreas urbanas en ciudades inteligentes se hace más que necesario para evitar la sobreexplotación del medio y preservar el nivel de bienestar de las sociedades desarrolladas. Conscientes de esta realidad, España inició su actividad en este campo y ya se erige como referente internacional en el ámbito 'smart' con algunas de las ciudades más inteligentes del mundo,Málaga, Barcelona, Santander y Madrid. 6.1 Empleo de la fotonica en países europeos La vía, que se construirá en Holanda a mediados de 2013, no tiene marcas en la superficie sino polvo fosforescente que se ilumina con la luz del Sol y recarga coches eléctricos NEOTEO Día 06/11/2012 - 16.39h STUDIO ROOSEGAARDE & HEIJMANS

La superficie de la carretera se ilumina de noche para indicar el estado del firme

http://www.abc.es/fotos-ciencia/20121106/superficie-carretera-ilumina-noche-1503613578086.html

http://www.abc.es/20121106/ciencia/abci-carretera-inteligente-brilla-oscuridad-201211061612.html



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Vía para recargar coches eléctricos

En general, cuando hablamos de mejoras tecnológicas en las carreteras, pensamos en el GPS, realidad aumentada y sistemas de monitoreo más eficientes, pero en esta ocasión lo que recibe la mejora es la carretera misma. A mediados de 2013, un innovador proyecto creará en Holanda una “carretera inteligente” que se ilumina por sí sola de noche, informa de detalles como el estado de la superficie, e incluso ofrece una vía dedicada para recargar coches eléctricos. Probablemente una carretera debe ofrecer mucho más que su buen estado. Es lamentable, pero los accidentes son diarios y aunque los vehículos han mejorado sus medidas de seguridad, quizás sea necesaria una forma más efectiva de advertir a los conductores sobre cualquier factor que pueda afectar tanto su seguridad como la de otros. El proyecto que presenta el junto al Grupo Heijmans comenzó como un concepto que encajaría sin problemas en una novela de ciencia ficción. Sin embargo, después de haber ganado el premio al “Mejor Concepto Futurista” en los “Dutch Design Awards”, alguien ha decidido acelerar los tiempos y convertir al concepto en realidad, el año que viene. Se trata de la “Carretera Inteligente”. En primer lugar, las marcas sobre la superficie son reemplazadas por una especie de polvo fosforescente que se “recarga” con la luz del sol, e ilumina la carretera al caer la noche. La carga disponible para este polvo se traduce en una autonomía de diez horas, un tiempo que en teoría debería ser suficiente para “iluminar” el camino de cualquier conductor durante toda la noche. El funcionamiento es similar al que hemos visto en juguetes y otros objetos, con la diferencia de que el efecto será más potente. La superficie también será cubierta con una pintura especial, que se activa de acuerdo a la temperatura. Si el clima se vuelve mucho más frío y la superficie se torna resbaladiza, aparecen “copos de nieve” indicando dicho estado (de forma similar a los indicadores que tienen algunos envases de comida y latas de cerveza, para saber si la temperatura es adecuada).

http://www.dutchdesignawards.nl/

http://www.abc.es/20121106/ciencia/abci-carretera-inteligente-brilla-oscuridad-201211061612.html



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Cinco años de obras El proyecto va aún más allá, e incluye luces que se encienden y apagan automáticamente a medida que circula un vehículo, y una vía dedicada exclusivamente a coches eléctricos, que recibirán energía por medio de bobinas de inducción. El primer tramo de esta carretera inteligente será desplegado en la provincia de Brabante (Septentrional) a mediados de 2013, y llevará cerca de cinco años completarlo. Por alguna razón no hemos encontrado información que haga referencia al costo de la carretera inteligente, por lo tanto, suponemos que no todas las ideas presentadas en el concepto serán aplicadas. Sin embargo, cualquier cosa que ayude a hacer las carreteras más seguras y estimule el uso de vehículos eléctricos, es bienvenida. 6.2 Empleo de la fotónica en luces inteligentes Las luces inteligentes son controladas de alumbrar los escritorios que usan controles remotos. Ellos por lo general intensamente son coloreados y vienen a varios modelos como estrellas, espirales, y resúmenes. La mayoría de los modelos se unen a las frecuencias de radio de utilización de la tabla de control, aunque los modelos más recientes puedan usar la tecnología de Bluetooth en cambio. Ellos comúnmente son usados en las etapas de teatro, los clubs de noche, y las demostraciones exteriores. Cabezas de movimiento El movimiento de luces delanteras puede ser inclinado o recorrido a través de la etapa sin mover el adorno sí mismo. Los modelos de alta cualidad tienen varios otros atributos, incluyendo el cambio de color y la mezcla, efectos de prisma, y gobo el cambio y el hilado. Ellos tienden a hacer el ruido no deseado durante el movimiento, haciéndolos inadecuado para el funcionamiento teatral. 6.3 Escáneres Los escáneres usan espejos móviles para dirigir la luz en puntos específicos. Ellos por lo general incluyen los efectos creativos como gobo y cambiadores de color. Ellos se mueven más rápido y ofrecen más modelo de movimiento que el movimiento de cabezas. Modelo: Escoja una luz inteligente con el color programable y el modelo de movimiento de modo que usted pueda manejarlos trabajando sobre el sonido u otros aspectos de la producción. Busque uno con un rasgo de modelo arbitrario para añadir la variedad a su iluminación.



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Gama: Escoja una luz inteligente que usted puede controlar desde la parte del cuarto. Asegúrese el remoto funciona en frecuencias bajas para evitar la interferencia de teléfonos móviles u otros dispositivos de radio. Tipo de bombilla: Escoja una luz inteligente con un halógeno o el bulbo de LED para reducir el consumo de electricidad. Los bulbos de LED son mejores para las luces coloreadas de láser porque ellos son de peso ligero y compacto. Evite los bulbos incandescentes porque ellos consumen demasiado poder y tienden a extinguir rápidamente. 6.4 Los avances de la informática y comunicaciones del futuro Publicado por Intel España en Sala de noticias Intel España encendido 09-dic-2008 8:00:00 Madrid, 9 de diciembre de 2008 – Los investigadores de Intel Labs han logrado dar un paso más en el desarrollo de la fotónica de silicio, consiguiendo un rendimiento récord a escala mundial gracias al Fotodetector de Avalancha (Avalanche Photodetector, APD). Este dispositivo, basado en silicio, es capaz de reducir los costes y mejorar el rendimiento en relación a otros dispositivos ópticos disponibles en estos momentos. Todos los resultados obtenidos de esta investigación han sido publicados en la revista Nature Photonics. La Fotónica de Silicio es una nueva tecnología que utiliza silicio estándar para enviar y recibir información óptica entre ordenadores y otros dispositivos electrónicos. Así, tiene como objetivo ocuparse de las necesidades futuras de ancho de banda en aplicaciones informáticas que utilizan una gran cantidad de datos como, por ejemplo, la medicina a distancia y los mundos virtuales de gran realismo en 3D. La transferencia de datos ultra rápida va a ser esencial en los ordenadores de procesadores con múltiples núcleos y la tecnología basada en fotónica de silicio puede ofrecer unos equipos estándar más veloces y asequibles. Un avance posible gracias al papel y las innovaciones de Intel Labs, incluyendo los moduladores rápidos de silicio y el láser híbrido de silicio. Además, la combinación de estas tecnologías ha permitido crear unos nuevos equipos digitales capaces de obtener un rendimiento que supera con creces los resultados actuales. El equipo liderado por investigadores de Intel Labs ha creado el APD basado en silicio, un sensor de luz que logra una sensibilidad mayor detectando la luz y amplificando las señales débiles cuando el haz luminoso se dirige al silicio. Este dispositivo APD utiliza el silicio y el procesamiento del CMPS para conseguir un “producto de mayor ancho de banda”, concretamente de 340 GHz, el mejor resultado obtenido hasta la fecha en pruebas clave para evaluar el rendimiento del APD. De esta forma, se ha logrado abrir el camino para reducir el coste de los enlaces ópticos que funcionan a una velocidad de

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transmisión de datos de 40 Gbps como mínimo, demostrando por primera vez que un dispositivo de fotónica de silicio puede superar el rendimiento de un dispositivo fabricado con materiales ópticos más caros y tradicionales como, por ejemplo, el fosfuro de indio. “Los resultados de esta investigación muestran otro ejemplo del uso del silicio para crear dispositivos ópticos de muy alto rendimiento,” ha indicado Mario Paniccia, Intel Fellow y director del Laboratorio de Tecnología Fotónica de la compañía. “Además de las comunicaciones ópticas, estos APDs basados en silicio se pueden también utilizar en otras áreas como, por ejemplo, los sensores, la captura de imágenes, la criptografía cuántica o las aplicaciones para Ciencias Biológicas”. Además, el equipo de Intel Labs ha trabajado con colaboradores del sector y de las universidades y el estudio ha recibido financiación conjunta de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados para Defensa (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA). Asimismo, Numonyx, fabricante líder de NOR, NAND, RAM y de tecnologías de memoria no volátil y cambio de fase, ha ofrecido su experiencia en procesamiento y fabricación. “Este hito representa un buen ejemplo de las relaciones efectivas existentes entre Intel y Numonyx”, ha afirmado Yonathan Wand, vicepresidente de fabricación en Numonyx y director de planta en Fab1. “Nos comprometemos a mejorar esta relación, potenciando más innovaciones en Fotónica de Silicio”. Por otra parte, Joe Campbell, catedrático de la Universidad de Virginia y John Bowers, catedrático de la Universidad de California en Santa Barbara, ambos expertos en APD, ofrecieron asesoría y ayuda en las pruebas realizadas. “Este APD utiliza las características inherentemente superiores del silicio para la amplificación de la alta velocidad, creando de esta forma una tecnología óptica de primera clase”, ha comentado Bowers. “Estamos muy contentos de haber podido desarrollar las características especiales de estos dispositivos y vamos a seguir colaborando con Intel para obtener el máximo potencial de los dispositivos basados en fotónica de silicio”. 6.5 Información de la Empresa Intel Intel, el líder mundial en innovación de silicio, desarrolla tecnologías, productos e iniciativas para mejorar continuamente la forma de trabajo y de vida de las personas. Para más información, visite www.intel.com/pressroom y http://blogs.intel.com. Intel y el logotipo de Intel son marcas registradas por Intel Corporation o sus subsidiarias en los Estados Unidos y en otros países

http://www.intel.es/pressroom

http://blogs.intel.com/



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EL DESARROLLO DE INTEL El 18 de septiembre de 2006, Intel y la Universidad de California, Santa Barbara (UCSB), anunciaron la demostración del primer láser de silicio híbrido eléctrico del mundo. Este dispositivo integra satisfactoriamente las capacidades de emisión de luz del fosfuro de indio con las propiedades de direccionamiento de la luz del silicio y sus ventajas en cuanto a costos se refiere. Los investigadores consideran que, gracias a este desarrollo, los chips fotónicos de silicio que contienen decenas o incluso cientos de láseres de silicio híbridos algún día podrán fabricarse mediante técnicas de producción de silicio a gran escala y bajo costo. Con este desarrollo se afronta uno de los últimos obstáculos a la producción de chips fotónicos de silicio sumamente integrados de bajo costo para su uso en equipos personales, servidores y centros de datos. Este nuevo láser se denomina "híbrido" debido a que combina dos materiales: silicio y un material a base de fosfuro de indio. Este último es un semiconductor compuesto de uso generalizado en la producción de láseres para comunicaciones de carácter comercial. El silicio es el principal material que se utiliza en la fabricación de semiconductores hoy en día debido a que posee numerosas propiedades ventajosas. Por ejemplo, el silicio es abundante, económico y maleable, y la industria de los semiconductores. 6.6 Estudio de la fotónica en otros Países

Grupo de Materiales Fotónicos y Biofuncionales Avanzados Presentación El grupo de Materiales Fotónicos y Biofuncionales Avanzados está formado por investigadores del Departamento de Física Aplicada (enlace) de la Universidad Autónoma de Madrid (enlace). Objetivos 6.7 Líneas de Investigación Nanoestructuras basadas en silicio: Crecimiento y caracterización. El silicio poroso nanoestructurado (PS) se puede obtener mediante el ataque electroquímico de silicio, resultando en estructuras esponjiformes con tamaños típicos en el rango de unos pocos nanómetros. Su particular estructura y reactividad superficial ha estimulado muchas investigaciones y diversas aplicaciones en diferentes campos, incluyendo la fotónica y biosensores. En este sentido, la estructura, contenido de impurezas y morfología de la superficie del nanoPS, así como las propiedades de la interfaz nanoPS/Si, determina el comportamiento físico-químico de este material. En



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consecuencia, el análisis preciso de la composición y la morfología del nanoPS es de gran importancia para controlar con precisión su comportamiento. 6.8 Películas delgadas y multicapas para sistemas ópticos El silicio poroso nanoestructurado (nanoPS) tiene un gran potencial en diversas aplicaciones ópticas, debido a la controlabilidad de su índice de refracción. De hecho, los parámetros electroquímicos de formación del nanoPS tienen una decisiva influencia tanto en la porosidad como en la morfología de los poros y, por tanto, en las propiedades ópticas de las capas de nanoPS. 6.9 Biosensores El desarrollo de un biosensor por lo general requiere dos pasos: (a) la funcionalización de la superficie para permitir la unión covalente de biomoléculas en la superficie y (b) la inmovilización de las biomoléculas (por lo general una enzima o un anticuerpo) que permite el reconocimiento de las entidades biológicas. La adecuación del silicio poroso nanoestructurado en este campo ha sido demostrada. 6.10 Patrones micrométricos de superficie Además de la fabricación de estructuras en profundidad (capas delgadas y multicapas), la fabricación de patrones laterales micrométricos es una característica interesante a explorar para el desarrollo de biochips ópticos basados en silicio poroso nanoestructurado (nanoPS). La fabricación de micropatrones de películas funcionales es de hecho una parte fundamental para el desarrollo de aplicaciones biomédicas. La implantación de iones ha demostrado ser una herramienta eficaz para la formación localizada de nanoPS en el rango micrométrico. 6.11 Aplicaciones fotónicas de silicio basados en nanoestructuras La posibilidad de producir diversos dispositivos fotónicos ha atraído gran atención hacia el silicio poroso nanoestructurado (nanoPS). En particular, es posible utilizar eficazmente el nanoPS en el desarrollo de fotodetectores y células solares. En este sentido, los dispositivos avanzados de detección óptica utilizan el texturizado de la superficie para reducir la reflexión óptica, aumentando de este modo la absorción. Este objetivo se puede lograr mediante la utilización de capas de nanoPS crecidas sobre sustratos de silicio (mono y policristalino), ya que la estructura del nanoPS puede



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modular la absorción óptica y las propiedades de reflexión. Dependiendo de las dimensiones características de los poros, una capa de nanoPS puede ser empleada para mejorar el confinamiento óptico, o como recubrimiento antirreflectante en fotodiodos o células solares de silicio. Otras ventajas importantes asociadas al uso de nanoPS en los dispositivos de detección ópticos es la posibilidad de desarrollar filtros interferenciales basados en nanoPS, evitando de esta forma el uso de recubrimiento antireflectantes adicionales. En el caso del desarrollo de sensores y células solares, otra ventaja importante del uso de nanoPS es que la banda prohibida de este material puede ser ajustada para una óptima absorción de la luz solar. 6.12 Biofuncionalización y biofabricación. Técnicas de modificación superficial para la explotación de las propiedades eléctricas, ópticas o mecánicas de diversos materiales en contextos biomoleculares y celulares. Una de las actividades destacadas de nuestro grupo consiste en adaptar la superficie de distintos materiales (tanto cerámicos, metales, semiconductores y polímeros) para explotar sus propiedades básicas controlando su interacción con un sistema biológico, ya sea celular o biomolecular. Las líneas de investigación en Biofuncionalización y biofabricación son: Preparación y funcionalización de superficies de biomateriales mediante derivados híbridos sol gel. Activación química de Biopolímeros mediante polimerización plasma (PE-CVD). Micro y nanoestructuración de biopolímeros mediante técnicas de auto-ensamblado. Biofuncionalización de estructuras transductoras para validación de sistemas de reconocimiento específico (Iggs, ADN). Estudio de la diferenciación de células mesenquimáticas (MSCs) sobre distintos materiales micro y nanoestructurados. Recientemente el grupo ha iniciado una serie de investigaciones en las que los objetos biológicos se convierten en los elementos actuadores en la modificación de un material (Biofabricación). Estudios de microestructuración de superficies mediante capas protéicas generadoras de tensiones compresivas.



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6.13 Recubrimientos de baja emisividad Recubrimientos transparentes y a la vez reflectores de calor se depositan en ventanas para ser empleados en edificios comerciales y residenciales con el fin de ahorrar energía en el acondicionamiento térmico. Estos, llamados recubrimientos de baja emisividad, muestran una alta selectividad espectral, proporcionando al mismo tiempo alta transmitancia visible y alta reflectancia en el infrarrojo lejano. 6.14 Infraestructura Equipos de fabricación Evaporadora por cañón de electrones. Sputtering reactivo DC/AC Sputtering reactivo de doble fuente DC/AC Plasma-CVD asistido por microondas Plasma-CVD con espectroscopía óptica de descarga (GDS) Procesamiento electroquímico Procesamiento térmico rápido (RTP) Tratamiento de superficies mediante plasma de Argon Cañón de iones Argon Técnicas húmedas: Spin coating, dip coating y sol-gel 6.15 Equipos de caracterización El grupo dispone de diversos equipos experimentales para la caracterización de superfícies, láminas delgadas y materiales nanoestructurados: Espectrofotometría visible-UV



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Caracterización eléctrica I-V y C-V a bajas temperaturas Equipo de 4 puntas para determinación de resistividad y resistencia de hoja mediante técnica de Van der Pauw Fotoluminiscencia a bajas temperaturas. Fotocorriente visible-UV, medidas de fotocatálisis Microindentación Microscopía de fluorescencia Goniómetro de ángulo de contacto Espectroscopía de impedancia, determinación de potencial Z Microbalanza TEORIA Y APLICACIONES DE LA INFORMATICA

INICIO La fotonica es la ciencia de la generación, control y detección de fotones, donde en particular en el espectro visible e infrarrojo, que pueden extenderse a otras zonas del espectro como el ultravioleta, el infrarrojo de onda larga, el infrarrojo lejano. Es en la creación de semiconductores emisores de luz donde adquiere importancia para la fabricación de ordenadores fotonicos, esto data posiblemente hacia la década del 60 del siglo pasado donde se ven involucrados General Electric, MIT Lincoln laboratory, IBM, RCA.



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el espectro electromagnético.

Desde la aparición del primer transistor electrónico en 1948, las aplicaciones de la electrónica se han ampliado ampliamente en los procesadores en particular. Con el paso del tiempo hace que se vaya presentando en la necesidad de evolucionar a otra forma física de tratar el proceso de la información en las computadoras, en todo caso de mejorar la velocidad de esta, y alcanzar niveles de desempeño, hasta ahora no disponibles. PORQUE UN PROCESADOR FOTONICO? A pesar de la extraordinaria rapidez de los procesadores actuales para realizar cálculos, las tareas encomendadas a los procesadores a través de los programas de software son cada vez más complejas, de manera que la demanda por procesadores más rápidos y de arquitectura más complejas va en aumento continuamente. A medida que evoluciona la tecnología, aumenta la escala de integración y caben más transistores en un espacio, así se fabrican microchips cada vez más pequeños. En cuanto más pequeño, mayor velocidad de proceso alcanza el chip. Sin embargo, no se pueden hacer los chips infinitamente pequeños, hay un límite en el cual dejan de funcionar correctamente, esto se da cuando llegan a escala de nanometros. En consecuencia, la computación digital como la conocemos hoy en día, no tardaría en llegar a un límite, debido a la escala de integración que se tiene hoy en día. Por esta razón, desde hace un par de años los fabricantes de procesadores están optando por modificar la arquitectura de diseño de los mismos para trabajar con grupos de ellos llamados clusters. Es por ello que recientemente empezaron a aparecer comercialmente disponibles los procesadores múltiples con los adjetivos duo (dos) o quad (cuatro) cores. Surge la necesidad de descubrir nuevas tecnologías, y es ahí donde entra a tallar el uso de corrientes de fotones (luz) en vez de electrones. A partir de esta idea, también



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nace la necesidad de la creación de dispositivos fotonicos, para la construcción de un PROCESADOR FOTONICO. En base a lo anterior, una tecnología que presenta buenas expectativas y a la cual los países del primer mundo le están dedicando gran cantidad de recursos, es la de los cristales fotónicos. Evolución de los procesadores durante los últimos años y su correlación entre frecuencia (diamantes) y numero de transistores (cuadrados). La escala para este número va multiplicado por 1000. (Fuentes: Intel).

UNA IDEA, CRISTALES FOTONICOS Un cristal fotónico, se constituye de un arreglo periódico de diferentes materiales en una, dos o tres dimensiones. Si nos referimos a una dimensión en realidad estamos hablando de sistemas de capas delgadas, en dos dimensiones tenemos barras de cierta sección transversal y en el caso tridimensional tenemos cubos. En general los bloques o celdas de que se constituye un cristal fotónico pueden tener formas variadas. Lo interesante de estos sistemas es que si el tamaño de las celdas es del orden de la longitud de onda de la luz, entonces se pueden diseñar de tal manera que un haz de luz láser por ejemplo al iluminar al cristal sea completamente reflejado. Los espejos metálicos aunque no lo notamos, absorben parte de la luz que incide sobre su superficie y la convierten en calor. Los cristales fotónicos se pueden diseñar de tal manera que las perdidas sean despreciablemente pequeñas.

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Otra propiedad de los cristales fotónicos, es que podemos abrir canales que en términos ópticos se llaman guías de onda, a través de los cuales la luz puede viajar.

Guía de onda en un cristal bidimensional. Se incide un haz de láser que al no

poder propagarse al interior del cristal sigue precisamente el camino de la guía de onda sin sufrir pérdida de energía.

Las dimensiones del cristal mostrado en la última figura son del orden de una milésima de milímetro o más precisamente tiene un área de una micra cuadrada, entonces podemos tener algo así como un millón de estas guías de onda en un centímetro cuadrado. Se ha demostrado teórica y experimentalmente (en desarrollo) que es posible construir sistemas como estos que incluyan elementos ópticos análogos a los elementos de la electrónica (transistores, capacitares, etc.) para lograr conmutar, amplificar, dividir, mezclar, etc., diminutos haces de luz con la finalidad de fabricar circuitos fotónicos. Entonces en una o dos décadas tal vez cuando se quiera adquirir computadoras podremos se podrá elegir una máquina con un procesador de 3000 Ghz o equivalentemente a 3 Terahertz (Thz). UN POCO DE HISTORIA SOBRE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES FOTONICOS El primer transistor fotonico fue creado en el Rocky Mountain Research Center en 1989, creando componentes ópticos utilizando la interferencia de la luz. La interferencia de la luz es muy sensible a la frecuencia, lo que se podría utilizar una banda estrecha de frecuencias para representar un bit. El espectro de luz visible podría permitir hasta 123 millones de posiciones de bits.



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la idea de un dispositivo optico(Prof. Hayt, RMRC).

Imagen3. transistor fotonico del RMRC.

Las investigaciones recientes de almacenamiento óptico muestran una gran promesa en la captura temporal de la luz en cristales.

Imagen. Diseño de un flipflop óptico



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6.16 Investigaciones recientes de dispositivos Fotónicos. La investigación de científicos del Instituto “Niels Bohr” de la universidad de Copenhague y la Universidad de Harvard. Han explicado un método constructivo para la elaboración de transistores fotonicos. "Para trabajar, los fotones tienen que encontrarse y "hablar", y los fotones muy raramente interactúan entre sí", explica Anders Sondberg Sorensen, físico cuántico en el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague. Un haz de luz normalmente no interactúa con otro: cuando dos rayos de luz se encuentran y se cruzan, pasan uno a través del otro. Lo que Anders Sorensen y su equipo investiga es como lograr que los fotones de dos haces de luz choquen entre sí y se puedan afectar mutuamente. Esto es muy difícil de lograr en la práctica, ya que los fotones sumamente pequeños y una colisión entre dos de ellos casi imposible, a menos que se logre controlarlos muy precisamente. Y eso es lo que Sorensen ha conseguido.

Imagen. lógica del pulso de luz.

Imagen. dos fotones pasan por un nanohilo hacia un átomo y chocan De

tal manera que uno en rojo transfiere su información al otro.

El láser de silicio híbrido La figura1 es un corte transversal del láser de silicio híbrido; en ella se muestra el material de ganancia a base de fosfuro de indio (naranja) que genera la luz del láser unido por encima de una guía de onda de silicio (gris). El sustrato de silicio, que está marcado en gris en la parte inferior de la figura1, es la base en la que se colocan los demás elementos. En este sustrato se apoya la guía de onda de silicio. El sustrato y la guía de onda se fabrican mediante procesos estándar de fabricación de silicio.



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Figura1. Diagrama transversal de un láser de silicio híbrido.

La oblea de silicio y la de fosfuro de indio se exponen a un plasma de oxígeno, que deja una delgada capa de óxido en cada de una de las dos superficies que actúa como pegamento. La capa de óxido tiene un espesor de tan solo 25 átomos; no obstante, es lo suficientemente fuerte como para unir los dos materiales en un solo componente. El plasma de oxígeno que se utiliza para esta capa se asemeja, desde un punto de vista conceptual, al plasma que se utiliza en los tubos fluorescentes y las modernas pantallas de TV de plasma de alta definición. El plasma es un gas con carga eléctrica. Si bien en los tubos fluorescentes se utiliza el plasma que deriva de los gases de neón o argón, en el láser híbrido se usa el plasma de oxígeno para revestir los componentes y unirlos. Cuando el silicio y el material a base de fosfuro de indio se calientan y se comprimen, las dos capas de óxido los fusionan. Los contactos eléctricos, que se ilustran en amarillo en la figura 1, se modelan en el dispositivo. Cuando se aplica tensión a estos contactos, según se ilustra en la figura 2, los electrones fluyen de los contactos negativos hacia el contacto positivo. Cuando estos electrones encuentran orificios en la red del semiconductor, emiten un fotón (una partícula de luz). La capacidad de generar luz de esta manera es una propiedad del fosfuro de indio y de otros compuestos (denominados "semiconductores de bandgap directo"). El silicio emite poca luz ya que genera calor en lugar de luz cuando se aplica electricidad; por ello, es necesario el material a base de fosfuro de indio. Según se ilustra en la figura 2, la luz generada en el material a base de fosfuro de indio pasa directamente a través de la capa de pegamento hacia la guía de onda de silicio, que actúa como la cavidad del láser a fin de crear el láser de silicio híbrido.



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Figura 2. Cuando se aplica tensión a los contactos, la corriente fluye y los electrones (-) y orificios (+) se recombinan en el centro y generan luz.

El diseño de las guías de onda de silicio es fundamental para determinar

el desempeño del láser de silicio híbrido y permitirá construir futuras versiones que generarán longitudes de onda determinadas.

Ventajas y posibles aplicaciones * La principal ventaja del láser de silicio híbrido es que en los componentes fotónicos de silicio ya no es necesario alinear y colocar láseres discretos para generar luz en un chip fotónico de silicio. Además, pueden crearse decenas o hasta cientos de láseres en un solo paso de unión, lo que se traduce en varias ventajas: * El láser es compacto por lo que pueden integrarse numerosos láseres en un solo chip. El primer láser de silicio híbrido que se demostró tiene una longitud de tan solo 800 micrones y las futuras generaciones serán mucho más pequeñas. * Cada uno de estos láseres puede tener una longitud de onda de salida diferente mediante la modificación de las propiedades de la guía de onda de silicio sin tener que cambiar el material a base de fosfuro de indio. * Los materiales se unen sin alineación y se fabrican mediante procesos de producción a gran escala y bajo costo. * El láser es fácil de integrar con otros dispositivos fotónicos de silicio a fin de producir chips fotónicos de silicio sumamente integrados. La figura 3 muestra el aspecto de un futuro transceptor óptico integrado a escala terabit. Consta de una hilera de pequeños láseres compactos de silicio híbridos y cada uno ellos generan una luz a una longitud de onda diferente (color). Estas distintas longitudes de onda se dirigen hacia una hilera de moduladores de silicio de alta velocidad que codifican los datos en cada una de las longitudes de onda de los láseres. Un multiplexor óptico combinaría estos flujos de datos en una sola fibra de salida. Una de



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las ventajas de las comunicaciones ópticas es que todas estas señales pueden enviarse simultáneamente por una fibra sin interferir entre sí. Si se integraran 25 láseres de silicio híbridos con 25 moduladores de silicio que se ejecutan a 40 Gbps, el resultado sería la transmisión de 1 terabit por segundo de datos ópticos desde un solo chip de silicio integrado.

Figura 3. Concepto de un futuro transmisor óptico de silicio integrado a escala terabit que contiene 25 láseres de silicio híbridos, que emiten a una longitud de onda diferente, con 25 moduladores de silicio, todos multiplexados en una sola

fibra de salida.

Mediante este transceptor fotónico de silicio sumamente integrado, es posible imaginar un mundo futuro en el que la mayoría de los dispositivos de computación contarán con conectividad óptica de alto ancho de banda. Ya sea que se trate de servidores, equipos de escritorio o dispositivos clientes más pequeños, todos ellos tendrán acceso a un ancho de banda considerablemente superior a un costo menor. Se anticipa que un chip fotónico integrado, como el que se ilustra en la figura 3, desempeñará una función importante en el Programa de investigación de informática a escala tera de Intel, cuyo objetivo es potenciar el procesamiento multi-core al mantener todos los núcleos de los procesadores con el máximo nivel de actividad posible. Considerando la alta capacidad de estos núcleos y los planes de colocar de decenas a cientos de núcleos en un solo chip en el futuro, las demandas de datos serán considerables. En consecuencia, los servidores a escala tera, algún día, deberán contar con comunicaciones ópticas para proporcionar el ancho de banda y los grandes volúmenes de datos necesarios para el procesamiento con varios núcleos. Una tecnología clave para habilitar las comunicaciones ópticas será la fotónica de silicio y en ella el láser de silicio híbrido desempeñará un papel de capital importancia. EL PROYECTO DE LA NTC El Centro de Tecnología Nanofotónica (NTC) de la Universidad Politécnica de Valencia participa en HELIOS, un ambicioso proyecto integrado de investigación europeo, coordinado por la Comisión de Energía Atómica de Francia (CEA-LETI), cuyo objetivo es desarrollar dispositivos nanofotónicos con Silicio para su implementación en equipos y redes de comunicación. Entre sus ventajas, esta tecnología destaca por sus altas



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prestaciones y, fundamentalmente, su bajo consumo, contribuyendo significativamente a la lucha contra el cambio climático. LA INVESTIGACION DE IBM Los investigadores de IBM anuncian la creación de un dispositivo que transfiere datos con luz. Ahora IBM ha mostrado una manera de almacenar datos enviando señales luminosas a través de una línea óptica, forzando a cada fotón a viajar a través de más de 100 anillos en lugar de hacerlo en línea recta hacia el otro lado del chip. Según los investigadores de IBM, esto significa que pueden fabricar dispositivos a un precio más reducido desde que crearon los nuevos resonadores de micro-anillos utilizando el estándar CMOS. El actual modelo puede almacenar 10 bits de datos ópticos en un área de 0,03 milímetros cuadrados. Según IBM, esto es mejor que cualquier otro modelo previo, pero a los investigadores de la compañía les gustaría integrar cientos de dispositivos en un solo chip con la mirada puesta en crear un procesador fotónico.

Imagen7. dispositivo de IBM.

TIPOS DE MEMORIAS A SER UTLIZADAS EL DISCO HOLOGRAFICO VERSATIL HVD Es una moderna tecnología de discos ópticos que, por ahora, (2008) aún está en fase de investigación. Esta tecnología aumentaría la capacidad de almacenamiento por encima de los sistemas ópticos Blu-ray y HD DVD. Se emplea una técnica conocida como holografía colinear en la cual dos lásers, uno rojo y otro verde-azul se coliman en un único haz. El láser verde-azul lee los datos codificados como crestas de interferencias en una capa holográfica cerca de la superficie del disco, mientras que el láser rojo se utiliza para leer información para el



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servomecanismo de una capa tradicional de CD de aluminio situada debajo, la cual se usa para controlar la posición de la cabeza de lectura sobre el disco, de forma similar a la información de cabeza, pista y sector utilizada en un disco duro convencional (en un CD o DVD esta información está intercalada entre los datos). Se emplea una capa de espejo dicroico entre las dos capas anteriores para permitir el paso del láser rojo y reflejar el láser verde-azul, lo cual impide que se produzcan interferencias debidas a la refracción de este haz en los huecos de la capa inferior, técnica que supone un avance con otras técnicas de almacenamiento holográfico que o bien sufrían de demasiadas interferencias o simplemente carecían por completo de información servomecánica lo cual las hacía incompatibles con la tecnología actual de CD y DVD. Los discos HVD tienen una capacidad de hasta 3,9 terabytes (TB) de información (aproximadamente ochenta veces la capacidad de un disco Blu-ray) con una tasa de transferencia de 1 Gbit/s.

IMAGEN DE UN MODELO DE HVD

Estructura del Disco versátil holográfico

1. Láser de escritura/lectura verde (532nm)

2. Láser de posicionamiento y direccionamiento rojo (650nm)

3. Holograma (datos)

4. Capa de policarbonato

5. Capa fotopolimérica (la capa que contiene los datos)

6. Capas de distancia

7. Capa dicroica (luz verde reflectante)



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8. Capa reflectiva de aluminio (luz roja reflectante)

9. Base transparente P. PIT MEMORIA UNIVERSAL Una oblea circular de silicio, de la medida de un disco compacto, encerrado en un contenedor de acrílico. Es una pieza de software que almacena 10 mil millones de bits de información digital, pero lo que es asombroso es la forma en que lo hace. Cada bit es codificado no por su carga eléctrica en un elemento de circuito como sucede en la memoria electrónica convencional, ni por la dirección de un campo magnético como en los discos rígidos sino por la orientación física de las estructuras a nanoescala. Esta tecnología eventualmente permitiría que grandes cantidades de datos sean almacenados en PCs, aparatos moviles, etc.. Esta tecnologia que está desarrollando “Nantero”, tiene por objetivo desarrollar una memoria universal, que consisten en sistemas de memoria de la próxima generación que son ultradensos, de bajo consumo, que reemplazarían desde la memoria flash de las camaras digitales, hasta los discos rigidos. La investigacion fue realizada por Thomas Rueckes , graduado en la Universidad de Harvard, hoy jefe de la compañía , en Woburn, Massachusetts.

La óptica y el fotón, después de haber conquistado las telecomunicaciones, van

a invadir progresivamente nuestras computadoras y a ampliar sus características.

La sustitución del electrón por el fotón en nuestras PC representa todavía un gigantesco desafío tecnológico, ya que hay que concebir y realizar nuevos tipos de transistores, componentes de memoria y circuitos capaces de utilizar en toda la potencia de esta partícula elemental, elemento básico de la luz, que se comporta como una partícula "puntual" y también como una onda.

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Entre particularidades de los ordenadores fotonicos se puede decir que estos emitirán luz en vez de calor, el aumento considerable de la velocidad del procesamiento, conexiones más complejas, un gran ahorro de energía. La comunicación entre chips es frecuentemente un cuello de botella en los procesadores actuales, y esta tecnología permitiría evitar ese tipo de problemas. Los analistas estiman que la tecnología óptica de silicio, como el nuevo método de IBM o un diseño similar de Intel, no alcanzará la madurez hasta dentro de 5 ó 10 años. Según el analista de Gartner, Peter Middleton, “esto es sólo una tecnología para construir bloques que tendrá que combinarse con técnicas para inyectar una fuente de luz en el chip, distribuirla y convertirla en una señal eléctrica”.

Imagen8. Tecnología fotonica.

COMPUTACION CUANTICA COMPUTACION BASADA EN ADN INTRODUCCIÓN A LA COMPUTACIÓN CUANTICA Representa otro estilo de computación empleando Qubits en sustitución a los bits, lo que producirá el diseño de nuevas compuertas lógicas y la posibilidad de obtener nuevos algoritmos. Un mismo proceso puede tener una complejidad diferente en la computación cuantica y en la que disponemos actualmente. La idea de computación cuántica surge en 1981 cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto. En la computación digital, un bit sólo puede tomar dos valores: 0 ó 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser un 0 y un 1 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica). Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de qubits.



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El número de qubits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits convencionales, si teníamos un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro sólo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si tenemos un vector de tres qubits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica.

Imagen9. la esfera de bloch, la representación de un qubit.

Imagen10. Modelo de un hardware cuántico, modelo de dos tipos de células alternativa

hacia nuevos tipos de transistores.

LOS PROBLEMAS DEL COMPUTADOR CUANTICO El problema se crea con la computación cuántica radica en la interacción que tenga con su entorno, es decir en el choque de un átomo con otro o contra un fotón errante, implica una medición. La llamada superposición de estados cuánticos se supera teniendo un solo estado bien definido y esto es lo que el observador detectara. A este fenómeno se lo llama “descoherencia” que va a imposibilitar cualquier calculo cuántico. Al objeto de mantener la coherencia, las operaciones internas de este tipo de ordenador deberán separarse de su entorno y también deberán ser accesibles para que puedan cargarse, ejecutarse y leerse los cálculos.

http://imagen9.la/



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Imagen11. Superposición coherente de qubits, permite que pueda tener dos valores a la vez 0 o 1.

EL DESARROLLO DE UN PROCESADOR CUANTICO No será tan fácil de construir un ordenador cuántico, para que pueda competir con los actuales. Pero de ser posible su construcción se convertiría en potentes laboratorios donde se pueda estudiar la mecánica cuántica, donde se abordarían a sistemas cuánticos que revisten interés fundamental. Los computadores cuánticos podrían ayudar a los científicos en la resolución de problemas que se plantean en la construcción de microcircuitos ínfimos, con transistores mínimos; estos ya muestran un comportamiento cuántico cuando la reducción de su tamaño llega a ciertos niveles.

Imagen12. La integración a escala durante el paso del tiempo, cada vez Se reduce el tamaño del

dispositivo.



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Imagen12. Transición de la microtecnologia – nanotecnología según la física

clásica no hay manera de que los electrones puedan llegar desde el “source” al “drain” debido a las dos barreras que se encuentran en el “island” pero la

estructura es tan pequeña que los cuánticos ocurren y en ciertas circunstancias estos pasan y rompen la barrera del túnel.

COMPUTACION BASADA EN ADN La Computación Basada en ADN consiste en usar moléculas de ADN en vez de procesadores basados en silicio. Las ventajas de la computación por ADN se basan en dos características fundamentales:

El gran paralelismo de las hebras de ADN. Muchos de los problemas considerados intratables, pueden ser resueltos haciendo un búsquda exhaustiva sobre todas las soluciones posibles. Sin embargo, a la fecha (2008), la dificultad consiste en el hecho que tal búsqueda es demasiado grande como para poder ser realizada usando la tecnología actual. Por otro lado, la densidad de información almacenada en hebras de ADN y la facilidad de construir muchas copias de ellas puede convertir esas búsquedas en una posibilidad real. •

La complementariedad de Watson-Crick. La complementariedad es algo que viene gratis en la naturaleza. Cuando se unen dos hebras (en condiciones ideales) se sabe el opuesto a cada miembro, no hay necesidad de verificarlo.



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La computación mediante ADN es una tecnología aún en pañales. Los cientificos buscan capitalizar la enorme capacidad de almacenamiento de información de estas moléculas biológicas, las cuales pueden efectuar operaciones similares a las de una computadora a través del uso de enzimas, catalizadores biológicos que actúan como el software que ejecuta las operaciones deseadas. La colocación del ADN sobre una superficie sólida, alejándolo del tubo de ensayo, es un paso importante porque simplifica su manipulación y acceso. Demuestra también que será posible aumentar su complejidad para resolver mayores problemas. En los experimentos de Wisconsin, un grupo de moléculas de ADN fueron aplicadas sobre una pequeña placa de cristal recubierta por oro. En cada experimento, el ADN fue adaptado de manera que se incluyeran todas las posibles respuestas a un problema determinado. Exponiendo las moléculas a ciertos enzimas, las moléculas con las respuestas incorrectas fueron eliminadas, dejando sólo las que poseían las contestaciones correctas. Los chips que se emplean en las computadoras normales representan la información en series de impulsos eléctricos que emplean unos y ceros. Se usan fórmulas matemáticas para manipular el código binario y alcanzar la respuesta. La computación por ADN, por su parte, depende de información representada como un patrón de moléculas organizadas en un hilo de ADN. Ciertos enzimas son capaces de leer este código, copiarlo y manipularlo en formas que se pueden predecir. Las moléculas de ADN pueden almacenar mucha más información que un chip convencional de computadora. Se ha estimado que un gramo de ADN secado puede contener tanta información como un billón de CDs. Además, en una reacción bioquímica que ocurriese sobre una pequeñísima área, cientos de billones de



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moléculas de ADN podrían operar en concierto, creando un sistema de procesamiento en paralelo que imitaría la habilidad de la más poderosa supercomputadora. GLOSARIO Semiconductor: cuerpo eléctrico con características intermedias entre conductores y aislantes cuya resistencia disminuye al aumentar la temperatura o en presencia de cuerpos extraños. Transistor: amplificador electrónico utilizado en radiotecnia, reemplaza a las válvulas electrónicas. Foton: es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la portadora de todas las formas de radiación electromagnética, tiene una masa muy pequeña cercana a cero, viaja en el vacio a una velocidad “c”. Silicio: metaloide que se extrae del sílice, duro y poco soluble, de propiedades semiconductoras. Su símbolo SI. Integracion a escala: miniaturización de los componentes dentro de un area diminuta, especialmente de los transistores.



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CONCLUSIONES

Para concluir, la fotónica es otra rama de la ciencia que ha ayudado mucho a la tecnología avanzar, ya que tiene muchas aplicaciones, como la que mencionamos anteriormente, por lo que podemos decir que aún no estamos muy acostumbrados a usar en la vida diaria aparatos fotónicos, aunque cada vez las aplicaciones fotónicas están más presentes a nuestro alrededor. Cada día que pasa aparecen nuevas aplicaciones de la fotónica, que estan cada vez más presente en nuestras casas. En el campo de la salud también avanzan rápidamente las aplicaciones fotónicas. El uso de la fotonica como posible solución válida a la gran demanda de velocidad en el procesamiento de datos que se tiene en la actualidad. El hecho que los fotones al ser “menos pesados” que los electrones, hace que disipe menos calor y no están sujetos a las restricciones causadas por las capacitancias, inductancias y resistencias que se puedan crear. . *La computación cuántica como alternativa a la computación clásica, utilizando la mecánica cuántica en cuanto a la solución de problemas, como la factorización de números enteros, logaritmos discretos entre otros. Asi como la alternativa de la computación basada en ADN*. Se formuló un modelo aproximado para la estimación de eficiencias fotónicas no-intrínsecas en sistemas de reacción fotocatalítica heterogénea, basado en un parámetro de eficiencia fotónica intrínseca independiente del tipo de reactor; y el producto de dos funciones, una de energía de absorción de fotones y otra de corrección de absorción por efecto de la carga de catalizador, la geometría del sistema y la concentración inicial de substrato. Los postulados fueron validados utilizando ácido dicloroacético como sustancia patrón. Se encontró que el modelo es altamente predictivo para eficiencias fotónicas de procesos de fotodegradación de este componente con errores relativos menores al 1.8%. Para concluir, la fotónica es otra rama de la ciencia que ha ayudado mucho a la tecnología avanzar, ya que tiene muchas aplicaciones, como la que mencionamos anteriormente, por lo que podemos decir que aún no estamos muy acostumbrados a usar en la vida diaria aparatos fotónicos, aunque cada vez las aplicaciones fotónicas están más presentes a nuestro alrededor. Cada día que pasa aparecen nuevas aplicaciones de la fotónica, que estan cada vez más presente en nuestras casas. En el campo de la salud también avanzan rápidamente las aplicaciones fotónicas.



128

Bibliografía web. [1] Liliana Merodio Reza, Cultura, ¿Que es la Fotónica?,Universal.com.mx (17 de

agosto del 2006)

[2] http://www.eluniversal.com.mx/cultura/49647.html , Documento extraído el 13 de agosto de 2007

[3] [2] Cuauhtemoc Valdiosera R., Fotónica: La revolución luminosa, La Jornada (4 mayo 2006),http://www.jornada.unam.mx/2006/05/04/038n1tec.php , Documento extraído el 13 de agosto de 2007

[4] http://www.jornada.unam.mx/2006/05/04/038n1tec.php

[5] http://www.intel.com/cd/corporate/pressroom/emea/spa/archive/2006/3227 83.htm

[6] http://www.neoteo.com/transistores-fotonicos.neo

[7] http://www.intel.com/espanol/technology/magazine/research/hybrid-laser1006.htm

[8] w.jornada.unam.mx/2006/05/04/038n1tec.php

[9] http://www.clarin.com/diario/1998/03/21/e-07201d.htm

[10] Libro: “Fisica Universitaria” tomo II Raymond Serway RMRC\photonics\inventions.htm

[11] http://www.google.com.mx/search?hl=es&q=fotonica&meta=

[12] http://www.jornada.unam.mx/2006/05/04/038n1tec.php

[13] http://www.google.com.mx/search?q=fotonica&hl=es&start=20&sa=N

[14] http://www.google.com.mx/search?q=fotonica&hl=es&start=10&sa=N

[15] http://www.eluniversal.com.mx/cultura/49647.html

[16] http://ortizjulio7.blogspot.mx/2007/08/fotonica.html

[17] Arizmendi, L. (2007). Fotónica. Extraído el 12 de agosto de 2007 de http://www.fisicahoy.com/fisicaHoy/fotonica/fotonica.html

[18] Trégouët, R. (2004, 28 de julio). La fotónica sera la próxima revolución tecnológica.

Extraído el 12 de agosto de 2007 de9 http://www.laflecha.net/canales/ciencia/noticias/200407281

http://www.eluniversal.com.mx/cultura/49647.html

http://www.jornada.unam.mx/2006/05/04/038n1tec.php


http://www.intel.com/cd/corporate/pressroom/emea/spa/archive/2006/3227

http://www.neoteo.com/transistores-fotonicos.neo

http://www.intel.com/espanol/technology/magazine/research/hybrid-laser-1006.htm


http://www.clarin.com/diario/1998/03/21/e-07201d.htm

http://www.google.com.mx/search?hl=es&q=fotonica&meta


http://www.google.com.mx/search?q=fotonica&hl=es&start=20&sa=N

http://www.google.com.mx/search?q=fotonica&hl=es&start=10&sa=N

http://www.eluniversal.com.mx/cultura/49647.html

http://ortizjulio7.blogspot.mx/2007/08/fotonica.html

http://www.laflecha.net/canales/ciencia/noticias/200407281



129

[19] Valdiosera, R. C. (2006, 4 de mayo). Fotónica la revolución luminosa. Extraído el 12 de agosto de 2007 de http://www.jornada.unam.mx/2006/05/04/038n1tec.php Publicado por Carlos Humberto Cerón Márquez en 19:49

[20] http://ing-denisse.blogspot.mx/2007/08/fotonica.html

[21] M. Busl, G. Granger, L. Gaudreau, R. Sánchez, A. Kam, M. Pioro-Ladrière, S. A. Studenikin, P. Zawadzki, Z. R. Wasilewski, A. S. Sachrajda y G. Platero. Bipolar spin blockade and coherent state superpositions in a triple quantum dot. Nature nanotechnology. DOI: 10.1038/NNANO.2013.7.

[22] S. Auyang, How is Quantum Field Theory Possible, Oxford University Press, 1995.

[23] G. Mackey, Mathematical Foundations of Quantum Mechanics, W. A. Benjamin, 1963.

[24] V. Varadarajan, The Geometry of Quantum Mechanics vols 1 and 2, Springer-Verlag 1985. Hamiltoniano (mecánica cuántica)

[25] Juan Sancho, Jerome Bourderionnet, Juan Lloret, Sylvain Combrié, Ivana Gasulla, Stephane Xavier, Salvador Sales, Pierre Colman, Gaelle Lehoucq, Daniel Dolfi, José Capmany, Alfredo De Rossi. “Integrable microwave filter based on a photonic crystal delay line”. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms2092.

[26] Baoshun, L., Z. Xiujian, A Kinetic Model for Evaluating the Dependence of the Quantum Yield of Nano-TiO2 Based Photocatalysis, Electrochemica Acta: 55, 4062-4070 (2010).

[27] Brandi, R. J., M. Citroni, O. Alfano y A. Cassano, Absolute Quantum Yields in Photocatalytic Slurry Reactor, Chemical Engineering Science: 58, 979-985 (2003).

[28] Cassano, A. y O. Alfano, Reaction Engineering of Suspended Solid Heterogeneous Photocatalytic Reactors, Catalysis Today: 58, 167-197 (2000]

[29] Cernigoj, U., U. Lavrencic, P. Trebse y M. Sarakha, Determination of Catalytic Properties of TiO2 Coatings Using Aqueous Solutions, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry: 201 (2-3), 142-150 (2009)]

[30] Colina J., F. Machuca, y G. Li Puma, Photocatalytic Mineralization of Commercial Herbicides in a Pilot-Scale Solar CPC Reactor: Photoreactor Modeling and Reaction Kinetics Constants Independent of Radiation Field, Environmental Science of Technology: 43, 8953-8960 (2009)

[31] Colina J., F. Machuca y G. Li Puma, Radiation Absorption and Optimization of Solar Photocatalytic Reactors for Environmental Applications, Environmental Science of Technology: 44, 5112-5120 (2010\) ]

http://www.blogger.com/profile/03571648598544950811

http://cceron.blogspot.mx/2007/08/fotonica.html

http://ing-denisse.blogspot.mx/2007/08/fotonica.html

http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2013.7.html

http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2013.7.html



130

[32] Dijkstra, M., E. Koerts, A. Beenackers y J. Wesselingh, Performance of Immobilized Photocatalytic Reactors in Continuous Mode, AIChE Journal: 49 (3), 734-744 (2003]

[33] Gaya, I. y H. Abdul, Heterogeneous Photocatalytic Degradation of Organic Contaminants Over TiO2, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews: 9, 1-12 (2008).

[34] Lana, T., R. Gómez, M. González y P. Salvador, A Kinetic Model for Distinguishing between Direct and Indirect Hole Transfer in the Heterogeneous Photooxidation of Dissolved Organics on TiO2 Nanoparticle Suspensions, Journal of Physical Chemistry B: 108, 20278-20290 (2004).

[35] Li Puma, G., V. Puddu, K. Tsang y A. Gora, Photocatalytic Oxidation of Multicomponent Mixtures of Estrogens (Estrone (E1), 17-Estradiol (E2), 17-Ethynylestradiol (EE2) and Estriol (E3) Under UVA and UVC Radiation, Applied Catalysis B: Environmental: 99, 388-397 (2010).

[36] Monllor-Satoca, D., R. Gómez, M. González y P. Salvador, The Direct-Indirect Model: An Alternative Kinetic Approach in Heterogeneous Photocatalysis Based on the Degree of Interaction of Dissolved Pollutant Species with the Semiconductor Surface, Catalysis Today: 129, 247-255 (2007).

[37] Mora-Sero, I., T. Lana, J. Bisquert, A. Pitarch, R. Gómez y P. Salvador, Photoelectrochemical Behavior of Nanostructured TiO2 Thin-Film Electrodes in Contact with Aqueous Electrolytes Containing Dissolved Pollutants, Journal of Physical Chemistry B: 109, 3371-3380 (2005).

[38] Machuca, F., J. Colina y M. Mueses, Determination of Quantum Yield in a Heterogeneous Photocatalytic System Using a Fitting-Parameters Model", Journal of Advanced Oxidation Technologies: 11 (1), 42-48 (2008).

[39] Mueses, M., A. Arce, J. Colina y F. Machuca, Effect of Reactor Size on the TiO2-Based Photodegradation of Dichloroacetic Acid with Solar CPCs", in "The 15th International Conference on TiO2 Photocatalysis: Fundamentals and Applications", San Diego, CA, USA (2010).

[40] Mueses, M., J. Colina, F. Machuca-Martínez, Degradación Fotocatalítica de Ácido Dicloroacético al Aplicar un Campo de Radiación de Baja Energía, Ingeniería & Desarrollo: 24, 34-47 (2008)]

[41] Mueses M. y F. Machuca, Una Solución de Rachford-Rice para Sistemas Multifases Aplicando el Método de Newton-Raphson, Un Parámetro de Broyden y el Flash Negativo, Información Tecnológica: 21 (4), 3-10 (2010)

[42] Sagawe, G., M. Satuf, R. Brandi, J. Muschner, C. Federer, O. Alfano, D. Bahnemann y A. Cassano, Analysis of Photocatalytic Reactors Employing the Photonic Efficiency and the Removal Efficiency Parameters:



131

[43] Serpone, N., "Relative Photonic Efficiencies and Quantum Yields in Heterogeneous Photocatalysis, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry: 104, 1-12 (1997)

[44] Trujillo, T., T. Safinski y A. Adesina, Oxidative Photomineralization of Dichloroacetic Acid in an Externally-Irradiated Rectangular Bubble Tank Reactor: Computational Fluid Dynamics Modeling and Experimental Verification Studies, Industrial & Engineering Chemistry Research: 49 (15), 6722-6734 (2010)

[45] Zalazar, C., R. Romero, C. Martin y A. Cassano, Photocatalytic Intrinsic Reaction Kinetics I: Mineralization of Dichloroacetic Acid, Chemical Engineering Science, 60 5240 5254 (2005).50

[46] http://cceron.blogspot.mx/2007/08/fotonica.html

[47] Libro: “Fisica Universitaria” tomo II Raymond Serway RMRC\photonics\inventions.htm

[48] w.jornada.unam.mx/2006/05/04/038n1tec.php

[49] http://www.clarin.com/diario/1998/03/21/e-07201d.htm

[50] Degradation of Radiation Absorbing and Nonabsorbing Pollutants, Industrial & Engineering Chemistry Research: 49 (15), 6898-6908 (2010)

http://cceron.blogspot.mx/2007/08/fotonica.html


http://www.clarin.com/diario/1998/03/21/e-07201d.htm

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