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Universidad Antonio de Nebrija Tecnología electrónica II. Tema 5

5. Optoelectrónica

5.1. Introducción5.2. Naturaleza ondulatoria de la luz5.3. Elementos de la física de estado sólido5.4. Modulación de la luz5.5. Dispositivos de visualización5.6. Lasers5.7. Fotodetectores y fotoemisores5.8. Fibra óptica5.9. Sistemas de comunicación óptica5.10. Otras aplicaciones de la fibra óptica


Necesidades de la era de la información

• Detección y recepción de información. Dispositivos sensores detectores queconviertan la información que les llega externamente para poder ser procesadaposteriormente.• Amplificación de la información. Si la información recibida no dispone desuficiente señal deberemos amplificarla. Necesitaremos dispositivosamplificadores de una cierta ganancia.• Manipulación de la información. Para sacar la información que nos interesay desechar la que no. Operaciones aritméticas entre otras.• Memoria. Es esencial: proceso de aprender, comparar, seleccionar y volver ausar la información.• Transferencia de información. A un dispositivo de memoria, por ejemplo. Enmuchos casos será necesario codificar esa información.• Generación de información. Fundamental.• Visualización de la información. La técnica de visualización es una de lasque más han avanzado en los últimos años. (CCD, LED, TFT...)

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Dispositivos electrónicos vs fotónicos

• Limitaciones de los dispositivos electrónicos.• Necesidad de interconexión mediante cables o conexiones metálicas. Estolimita la capacidad de interconexión. Los dispositivos fotónicos no se debenconectar mediante conexiones metálicas.• Transmisión de información. La transmisión por cable es cara, no tienemucho ancho de banda y pierde la señal (es necesario amplificar). En elcaso de la fibra óptica, diodos láser y fotodetectores no ocurre.• Interferencias electromagnéticas. Los equipos electrónicos sufren losproblemas de EMI mientras que los fotónicos no.• Los electrones no se ven, es necesario utilizar visualizadores.

• Ventajas de los sistemas de información basados en la luz.• Inmunidad frente a interferencias electromagnéticas.• No interferencia entre señales luminosas que se cruzan• Posible alto paralelismo. Procesado en paralelo para tomar decisiones entiempo real.• Alta velocidad / Ancho de banda. Se han llegado a generar pulsos de unosfemtosegundos (1 fm = 10-15 s)


Dispositivos electrónicos vs fotónicos

• Ventajas de los sistemas de información basados en la luz (cont).• Los haces de luz se pueden dirigir fácilmente mediante lentes uhologramas. Se puede reconfigurar un interconexionado de forma activa ydar flexibilidad al sistema• Dispositivos de funciones especiales: con lentes se puede llegar a hacer latransformada de Fourier de una imagen (visión artificial)• Facilidad de acoplamiento con un sistema electrónico.

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5. Optoelectrónica



Un poco de historia

• S.XVII. Dos teorías sobre la naturaleza de la luz:• Huygens y Hooke: teoría de ondas• Newton: teoría corpuscular

•Young Malus y Euler hacen experimentos que demuestran la teoría de ondas.

•1864. Maxwell demuestra que existen campos electromagnéticos transversalesen la luz, que se mueve en el vacío: c=√(1/µ0ε0) = 3 ∙ 108 m s-1(µ0 y ε0 son lapermeabilidad y permitividad del vacío)•1887. Hertz genera ondas electromagnéticas no visibles

•Existen fenómenos explicados (difracción e interferencia) y otros no explicados(fotoeléctrico).

•1905. Einstein explica que la luz tiene naturaleza corpuscular (fotones). A partirde los trabajos de Plank (emisión de cuerpo negro) que dijo que la energía deemisión está “cuantizada”: E= hν, siendo h la constante de Plank.

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Las ecuaciones de Maxwell

Las ecuaciones de Maxwell explican el comportamiento eléctrico y magnéticode la materia.

∇ xE + δB/ δt = 0∇ xH - δD/ δt = J∇ ∙D = ρ∇ ∙B = 0

Siendo E y H los campos eléctrico y magnético, J y ρ son las densidades decorriente y de carga y D y B los vectores desplazamiento eléctrico e inducciónmagnética respectivamente.Existen relaciones entre los vectores anteriores a través de las propiedades delmedio en el que se encuentren los campos:

D = εE B = µH J = σE

Siendo ε, µ, σ, la permitividad eléctrica, permeabilidad magnética yconductividad eléctrica respectivamente


Las ecuaciones de Maxwell

∇ xH - δD/ δt = J ⇒⇒⇒⇒ Cuando en un punto del espacio de produce un campoeléctrico variable, este campo crea un campo magnético variable.

∇ xE + δB/ δt = 0 ⇒⇒⇒⇒ Un campo magnético variable produce un campoeléctrico variable.

Por tanto:

Estos campos eléctricos y magnético variables, sonconsecuencia el uno del otro, sin que pueda existir ninguno

de ellos aisladamente y se propagan por el espacioconstituyendo ondas electromagnéticas.

H x s = ε ν E

ν: frecuencia de la onda, s: vector unitario director de la onda

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Naturaleza ondulatoria de la luz

La luz está caracterizada por una combinación de campos eléctricos ymagnéticos que varían con el tiempo y se propagan a través del espacio a lavelocidad c (en el vacío).

c = ν λ0 , siendo ν la frecuencia de oscilación de los campos y λ0 lalongitud de onda en el vacío, en otro medio la velocidad de propagación esv=ν∙λ0/n, donde n = √(1/µrεr).

Las ondas más simples son ondas senoidales:

E(x,t) = E0 cos(ωt – kx + Φ) (campo eléctrico)

H(x,t) = H0 cos(ωt – kx + Φ) (campo magnético)

k = 2π / λ

El campo eléctrico y magnético son vectores perpendiculares entre sí yperpendiculares a su vez a la dirección de propagación de la luz.

E

H

Dir. propagación


Óptica clásica vs teoría de ondas

La óptica clásica u óptica geométrica, desarrollada por Newton, esperfectamente aplicable al comportamiento de la luz, pero deja de funcionarcuando el índice de refracción de un medio varía a lo largo de una distanciacomparable a la longitud de onda.

Cuando hablemos de distancias del orden de la longitud de onda, deberemosutilizar la teoría de ondas. En el resto de casos podremos aplicar la ópticaclásica.

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Campo magnético

Campo eléctrico

H x s = ε ν E

Los vectores E, H y s forman un triedro trirrectángulo directo


Espectro electromagnético

1,2 ∙ 1063 ∙ 10201,0 pm

1,2 ∙ 1043 ∙ 10180,1 nm

4010160,03 µm

3,17,5 ∙ 10140,4 µm

1,84,3 ∙ 10140,7 µm

4 ∙ 10-310120,3 mm

4 ∙ 10-6109300 mm

1,2 ∙ 10-113 ∙ 103100 km

Energía delcuanto (eV)

Frecuencia(Hz)

Long.Onda

Ondas de radio

Microondas

Infrarrojo

Visible

Ultravioleta

Rayos X

Rayos γγγγ

Optoelectrónica

700 nm

650 nm

600 nm

550 nm

500 nm

450 nm

400 nm

Rojo

Naranja

Amarillo

Verde

Azul

Violeta

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Fenómenos:

- Polarización

- Principio de superposición

- Ondas estacionarias

- Interferencia

- Difracción


Polarización

Si el campo eléctrico de una onda electromagnética propagándose en el vacíovibra en un plano específico se dice que está polarizada en un plano.

Cualquier haz real de luz comprende muchas ondas individuales y en general,los planos de vibración de sus campos eléctricos estarán orientadosaleatoriamente. Un haz como este no está polarizado y el vector de campoeléctrico resultante cambia de orientación aleatoriamente en el tiempo .

Es posible tener haces de luz con campo eléctrico altamente orientado, en estecaso el haz está polarizado, existen varios tipos de polarización que se verán másadelante.

La luz puede ser polarizada de diversas formas, entre ellas la polarización porreflexión y por absorción.

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Polarización

θ1 θ1

θ2

n1n2

θB θB

θ2

n1n2

Polarización completaPolarización parcial

n1 y n2 son los índices de refracción de los dos medios

Podemos considerar la luz no polarizada como la suma de dos componentespolarizadas en planos ortogonales.El ángulo θB es el ángulo de Brewster, ángulo de incidencia para el que lareflectancia de la componente paralela (al plano de incidencia) es cero.

tan θB =n2/n1


Polarización

Haz de luz polarizada

Polarización plana o lineal: el vector campo eléctrico resultante, estácontenido en un plano (por tanto el magnético también).

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Polarización

Polarización circular: El vector campo eléctrico resultante gira alrededor del ejede propagación a una velocidad constante.

E

H


Principio de superposición

La luz no se mueve como una única onda monocromática (de una únicafrecuencia) sino que se mueve en paquetes de ondas de distintas frecuencias, deforma que los campos resultantes serán la suma vectorial de los camposindependientes.

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Ondas estacionarias

Supongamos dos ondas de igual amplitud y frecuencia viajando en sentidosopuestos. Por el principio de superposición se forma una onda estacionaria.

Una onda estacionaria es aquella en la que no hay transferencia de energía enninguno de los sentidos, pero existe una densidad de energía en el centro quetoma valores desde 0 en los nodos a valores máximos en las crestas.

Una onda estacionaria se crean en dispositivos de resonancia, formados por dosespejos de alta reflexividad, y que forman parte integrante de los lasers.

N N N

ANANANAN

N: Nodos, AN: Antinodos


Interferencia

Incoherencia: Cuando dos ondas que provienen de distintas fuentes tienendiferencia de fase aleatoria, de forma que cuando impactan sobre una superficiela iluminan de forma uniforme.

Coherencia: en el caso que la diferencia de fase sea constante, se creará unpatrón de interferencia al iluminar una superficie.

Distribución de irradiancia

Patrón de interferencia

Creación de diferencia de fase

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Difracción

Fenómeno por el que un haz de luz, cuando pasa cerca de un cuerpo opaco, seve afectado en su trayectoria, de forma que parte del haz ilumina lo que deberíaser la sombra del objeto.

Este fenómeno es explicado por el principio de Huygens que, basándose en lanaturaleza ondulatoria de la luz, explica que cada punto del frente de onda, actúacomo una fuente emisora de ondas en todas las direcciones. La envolvente deestas ondas secundarias forman un nuevo frente de onda.


Componentes ópticos

La lente esférica

La lente esférica delgada

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Mecánica cuántica

Números cuánticos. Cada electrón dentro de un átomo tiene asociados cuatronúmeros:

- n, número cuántico principal. Indica la energía del electrón.- l, indica el orbital (momento angular del orbital).- ml, indica el suborbital (número cuántico magnético).- ms, indica el spin del electrón (+1/2, -1/2)

Según el principio de exclusión de Pauli, dentro de un mismo átomo, nopueden existir dos electrones con los mismos números cuánticos, al menosdeben diferenciarse en uno de ellos.

Constante de Plank h = 6,626 10-34 J sConstante de Stefan-Boltzmann σ = 5,67 10-8 W m-2 K-4

Permitividad del vacío ε0= 8,854 10-12 F m-1

Permeabilidad del vacío µ0 = 4 10-7 =1,258 10-6 H m-1


fotón (hν)Energía

Fuentes de luz

Emisión de un cuerpo negro. Ley de Stefan-Boltzmann.

W=εσAT4 (Potencia emitida por un cuerpo negro)Esta potencia es emitida en un rango continuo de frecuencias.

Espectro de emisión de un gas.La emisión se produce por “saltos” de electrones (previamente

excitados) entre niveles atómicos permitidos. Por lo que se emite sólo adeterminadas frecuencias. La energía perdida se libera en forma de fotones.

En = -mZ2e4/(8n2h2ε02); Energía del nivel n de energía de un átomo de número

atómico Z.La frecuencia emitida es proporcional a la energía del salto:∆E = hν = hc/λ; ν = ∆E/h = mZ2e4/(8h3ε0

2)(1/nf2-1/ni

2)

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Efecto fotoeléctricoFenómeno por el cuál, cuando un haz de luz incide en un metal, es capaz dearrancar electrones.

Explicado por la naturaleza corpuscular de la luz: cuando un fotón incide en unátomo y choca con un electrón le transmite una energía cinética y el electrón es“arrancado”.

- La energía de los electrones resultantes depende de la frecuencia de laluz incidente, no de la irradiancia.- Dada una determinada frecuencia, existe una energía cinémicamáxima de los electrones expulsados- Para cada metal existe una frecuencia umbral a partir de la que sepuede producir el efecto fotoeléctrico

Emax = hν - eφ

φ: valor dependiente del metal (work function) (Tungsteno φ = 4.5eV)e φ: energía necesaria para liberar un electrónh ν: energía del fotón incidente


5. Optoelectrónica


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El modelo de bandas de energía

Es un modelo que sirve para explicar las propiedades y comportamiento de losmateriales:

- Flujo de corriente en un sólido- Materiales conductores y aislantes- Variación de la conductividad con la temperatura, impurezas, luz.

Por tanto, este modelo es muy adecuado para explicar el comportamiento de los metales,semimetales.

Los niveles de energía concretos de átomos aislados, cuando se acercan unos átomosa otros se convierten en bandas de energía para no violar el principio de exclusiónde Pauli.

Esto es sólo un modelo, esto significa que es una representación de lo que ocurre en lamateria y que permite explicar su comportamiento, pero la realidad no tiene por qué serexactamente esta.



Niveles deenergía de unátomo aislado

Niveles deenergía de cuatroátomos cercanos

Bandas de energía de unsólido que contiene un

gran número de átomosmuy cercanos

Energías prohibidas

Energías prohibidas

Banda de energía permitida



Energía del electrón

Energías prohibidas: energy gap (Eg)

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Energía

(a)

a. Metal con capa de valencia parcialmente llena: metal monovalente:Al: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

Ag: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s1

b. Metal con bandas que se superponen: metal bivalente:Cu : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1

Au: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5d10 6s1

c. Aislante

d. Semiconductor intrínseco, tenemos un Eg relativamente pequeño, pero existe.

Eg ≈ 4eV

Eg ≈ 1eV

(b) (c) (d)


Dopado de semiconductores

Cuando introducimos un átomo de arsénico (As, 5 electrones en la capa de valencia) enun cristal de silicio (Si, 4 electrones en la capa de valencia), el As (impureza) se veforzado a adoptar la estructura de bandas de valencia impuesta por el cristal de Si, portanto le sobra un electrón que mantendrá un enlace débil con el átomo al que pertenece,es fácil arrancarlo y utilizarlo en la capa de conducción, por tanto obtenemos unsemiconductor tipo n.

En el caso contrario, por ejemplo con un átomo de galio (Ga, 3 electrones en la capa devalencia) ocurrirá lo mismo pero se generará un hueco en la estructura, y por tantoobtendremos un semiconductor tipo p.

NOTA: Un semiconductor intrínseco es un semiconductor sin impurezas.

Nivel de energía deportadores n

Portadores ionizados

Eg

Ev

Ec

Ed

ED

Nivel de energía deaceptores p

Aceptoresionizados Eg

Ev

Ec

Ea EA

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Dopado de semiconductores

Concentración de portadores en semiconductores:

Banda deconducción

Banda devalencia

Eg

a. Semiconductor intrínseco: misma concentración de portadores n y p.

b. Semiconductor dopado tipo n: mayor concentración de portadores n.

c. Semiconductor dopado tipo p: mayor concentración de portadores p.

(a) (b) (c)


Ecp

Evp

EFp

Ecn

Evn

EFn

Tipo p Tipo n

Nivel de Fermi

eV0

Ecp

Evp

EFpEcn

Evn

EFn

p n++++++++++++++++++++++++++++++++

- - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - - - - -

Donadores ionizadosAceptores ionizados

Potencial

V0

Región de deplexión (zonalibre de portadores)

Unión p-n

Difusión de portadoreshasta el equilibrio

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Unión p-n

Potencial

V0


Al polarizar directamente la unión p-n, es decir, al poner una tensión mayor en elsemiconductor tipo p, llega un momento que no existe zona libre de portadores porqueV=V0, en ese momento la unión empieza a conducir.

Al polarizar inversamente, lo que hacemos es aumentar la tensión entre el semiconductorp y el n, aumentando de la misma forma el ancho de la zona libre de portadores.

PotencialV0


V0 - V


Unión heterogénea

En el caso de uniones heterogéneas, se hace crecer un cristal de semiconductor en sobreotro semiconductor diferente. Este tipo de uniones se caracterizan porque el “Energy gap”de los dos elementos de la unión ya no es el mismo.

Se suele hablar de n-N, n-P, p-N, y p-P, siendo la letra mayúscula para el que tiene Egmayor

Este tipo de uniones se usa ampliamente en los LED así como en los láser desemiconductor

Ecp

Evp

EFp

EcN

EvN

EFN

pN

Nivel de vacío

Egp EgN

∆Ev

∆Ecχp

χN

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Unión heterogénea p - N

Ecp

Evp

EFpEcN

EvN

EFN

p

NEgp

EgN∆Ev

∆Ec

Ecp

Evp

EFp

EcN

EvN

EFN

pN

Nivel de vacío

Egp EgN

∆Ev

∆Ecχp

χN

Acumulación de electrones


Unión heterogénea n - P

Ecn

Evn

EFn

EcP

EvP

EFP

nP

Nivel de vacío

Egn EgP

∆Ev

∆Ecχn

χP

Ecn

Evn

EFn

EcP

EvP

n

P

Egn

EgP

∆Ev

∆Ec

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Unión heterogénea

Las barreras de potencial que se crean en las uniones heterogéneas son mucho mayoresque en las homogéneas, de forma que al inyectar electrones, tienden a acumularse.Característica que, es muy útil para los Láser.

Si hacemos una unión GaAlAs - GaAs - GaAlAs sin dopar, obtenemos un pozo cuántico,se denomina así, porque se genera un pozo de energía en el que tienden a acumularse loselectrones, provocado por los diferentes Eg.

Eg(GaAlAs) Eg(GaAs)

GaAs GaAlAsGaAlAs

Energía

Huecos (capa de valencia)

Electrones (capa de conducción)


5. Optoelectrónica


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Concepto

Un modulador es un dispositivo que cambia la irradiancia (Potencia por unidad desuperficie) o la dirección de la luz que pasa a través de él.

Existen varios tipos

- “Choppers” y “shutters” mecánicos.- Moduladores pasivos

- Moduladores electro-ópticos- Moduladores magneto-ópticos- Moduladores elasto-ópticos (acústico-ópticos)

En los últimos tres tipos, se aplica un campo (eléctrico, magnético o acústico) al mediopor el que pasa la luz, y se cambian las propiedades de polarización de ese medio.


Isotropía y anisotropía. Birrefringencia

Un medio es ópticamente isótropo, cuando la luz se transmite de la misma manera encualquier dirección. Si no ocurre esto, el medio es anisótropo y existen direccionescaracterísticas.

Birrefringencia.

Es la propiedad que tienen algunos medios materiales (CaCO3, SiO2, KDP) no isótropospor la que cuando una luz no polarizada incide sobre ellos, estos materiales la separan endos haces de luz con polarización distinta y velocidades distintas.

La causa de este comportamiento es la ordenación cristalina de estos materiales, que haceque existan diferentes índices de refracción dependiendo de la dirección

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Moduladores electro-ópticos

Existen ciertos materiales que cambian sus propiedades ópticas si se les aplica un campoeléctrico. Podemos:

- convertir un medio isótropo en anisótropo y viceversa- cambiar la transmitividad (disminuir la irradiancia)- cambiar la polarización de la luz

Modulador electro-óptico de Pockels:

V

Polarizador vertical Polarizador horizontal

Luz transmitidaLuz incidente

Luz polarizadaverticalmente

Luz polarizadaelípticamente

Luz polarizadahorizontalmente

Modulador electroóptico

x’ y’ Ex’ E y’


Modulador electro-óptico de Pockels.

Separa una luz polarizada verticalmente en dos componentes con diferente fase, de formaque obtenemos una polarización elíptica.

Con la tensión cambiamos el desplazamiento de fase entre las dos componentes.

Dado que tenemos un polarizador vertical a la entrada del modulador y otro horizontal ala salida, finalmente conseguimos también que la irradiancia pueda ser controlada pormedio de la tensión, existe una tensión para la que la transmisión es 0 y otra para la quees máxima (del orden de kV).

V

Transmisión (%) 100

50


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Los moduladores electroópticos pueden ser longitudinales o transversales, dependiendode cómo aplican el campo eléctrico al material.

V

Electrodos

Modulador transversal




Normalmente, la modulación de la luz debe realizarse a muy alta velocidad, y unmodulador como los que hemos visto se comportan como condensadores, por tantodebemos conectar el modulador a un circuito resonante.

V

RS

CL

RL

Los materiales más empleados para los moduladores son:

- KDP: dihidrogeno fosfato de potasio,- ADP: dihidrogeno fosfato de amonio.

NOTA: El objetivo de los moduladores en optoelectrónica es conmutar señales(switching).

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Moduladores magneto-ópticos

Al igual que al aplicar un campo eléctrico, podemos modificar las propiedadesópticas de un material al aplicar un campo magnético. Como son más difíciles demanejar se suelen preferir los dispositivos electro-ópticos.

Efecto Faraday.

Una luz con polarización plana que atraviesa una sustancia sometida a un campomagnético, rota en su polarización un ángulo proporcional a la magnitud del campomagnético aplicado.

Al contrario que en el efecto electroóptico, la rotación es independiente del sentidode propagación de la luz, por lo que el efecto puede doblarse haciendo volver a laluz.

Un rotador de Faraday se comporta como aislante de la luz, permite circular a la luzen una dirección pero no en la opuesta. Puede ser usado en láser amplificadores.


Moduladores magneto-ópticos

Polarizadorvertical

Polarizadora 45º

Espejo

Luz polarizadaverticalmente

45º

P2P1

Luzincidente

Rotador de Faraday

Medio de Faraday

Bobina

Aislante óptico basado en el efecto de Faraday

Estos dispositivos magneto-ópticos son usados para memorias. En función de laorientación de las moléculas del material ferromagnético, el láser (luz polarizada) serefleja o atraviesa, esto es utilizable para almacenar información digital.

Para grabar la información, se aumenta la irradiancia del láser, se sobrepasa el puntode Curie del material y se orientan las moléculas ferromagnéticas.

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Moduladores de pozo cuántico

Basado en el efecto de acumulación provocado en la unión heterogénea desemiconductores dopados.En función del campo aplicado la luz se transmite o no

- Campo eléctrico nulo: la luz se transmite íntegramente- Al aumentar el campo eléctrico, disminuye la energía del pozo cuántico,

por lo que es necesaria más energía para transmitir, hasta que deja de hacerlo.

Luz entrante

Luz saliente+

-

P+ - GaAs

P+ - AlGaAs

i - GaAs/AlGaAs

n+ - AlGaAs

n+ - GaAs

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