¿Qué es la Optoelectrónica?
La optoelectrónica es una rama de la electrónica que se ocupa de convertir la energía eléctrica en luz y de convertir la luz en energía eléctrica mediante unos materiales llamados semiconductores. Los semiconductores son materiales sólidos cristalinos con conductividades eléctricas inferiores a las de los metales pero superiores a las de los aislantes. Sus propiedades físicas pueden modificarse por exposición a distintos tipos de luz o a la electricidad. Además de la luz visible, otras formas de radiación, como la ultravioleta y la infrarroja, que no son visibles para el ojo humano, pueden afectar a las propiedades de estos materiales.
Diferencia entre Optoelectrónica, Electroóptica y Fotónica
El estudio de la luz es un campo increíblemente complejo e interseccional que concierne a varias escuelas de pensamiento.
La fotónica y la óptica, por ejemplo, son dos campos de la ciencia indudablemente interrelacionados pero distintos. Del mismo modo, la optoelectrónica y la electroóptica son entidades totalmente separadas pero relacionadas.
Al considerar estos campos desde una perspectiva tan amplia, es fácil perder el hilo de la jerga. Además, estos términos se utilizan a menudo indistintamente cuando tienen significados distintos que merece la pena destacar. Se definen como sigue:
- Optoelectrónica: descrita como «un dispositivo que responde a la potencia óptica, emite o modifica la radiación óptica o utiliza la radiación óptica para su funcionamiento interno» o «cualquier dispositivo que funcione como transductor de eléctrico a óptico o de óptico a eléctrico».
- Electro-óptica: se conoce como «uso de campos eléctricos aplicados para generar y controlar radiación óptica». También hay que señalar que se advierte de este término porque electroóptico (E-O) se utiliza a menudo como sinónimo de optoelectrónico, lo cual es incorrecto.
- Fotónica: La fotónica se conoce como «tecnología para generar y aprovechar la luz, cuya unidad cuántica es el fotón». Esta definición es la más amplia de los tres términos enumerados.
Desglosémoslo un poco más…
Una forma sencilla de distinguir entre óptica y fotónica es que ambas se ocupan de manipular la luz. Sin embargo, la electro-óptica se ocupa de manipular eléctricamente dispositivos y sistemas para producir las propiedades deseadas de la luz, mientras que la fotónica se ocupa de manipular la luz para producir una señal eléctrica requerida.
Antes de explorar los tipos de dispositivos optoelectrónicos disponibles en la actualidad, conviene distinguir qué se entiende por electroóptica y qué por optoelectrónica. Como ya se ha dicho, existe cierto desacuerdo sobre el uso de la palabra.
Algunos sostienen que ambos son sinónimos, pero esto no es del todo exacto.
Como su nombre indica, la electroóptica está más estrechamente relacionada con la óptica. Profundizando, la electroóptica suele referirse a los métodos y dispositivos utilizados para moderar las características de la luz mediante un efecto eléctrico, como el ajuste electrónico de los índices de refracción de los dispositivos ópticos.
La optoelectrónica es mucho más variada.
Ahora que ya hemos cubierto la terminología básica, vamos a sumergirnos en los distintos tipos de dispositivos optoelectrónicos que existen en el mercado.
Dispositivos Optoelectrónicos y sus Aplicaciones
Hoy en día, los dispositivos optoelectrónicos se basan principalmente en semiconductores como el silicio (Si), que presenta propiedades electrónicas entre las de un conductor y un aislante basadas en la estructura de la banda de energía del material.
Aunque la relación entre optoelectrónica y semiconductores no es mutuamente excluyente, ambos constituyen la base de la mayoría de los sistemas optoelectrónicos utilizados en productos de consumo, industriales y militares.
Algunos ejemplos de dispositivos optoelectrónicos son:
- Fotodiodos
- Fotovoltaica (o células solares)
- Fotoresistores
- Diodos emisores de luz (LED)
- Circuitos integrados (CI) de sensores codificadores
- Diodos láser
- Fibras ópticas
Uno de los primeros descubrimientos físicos que condujeron al desarrollo de la optoelectrónica moderna se conoce como efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones por un material cuando se expone a ciertos tipos de luz. Cuando el material absorbe suficiente energía en forma de luz, los electrones pueden desprenderse de la superficie del material, generando así una corriente eléctrica y dejando tras de sí huecos de electrones. Un fenómeno relacionado es el efecto fotovoltaico, en el que la luz absorbida hace que los electrones de un material cambien de estado energético, creando así una tensión que puede generar corriente eléctrica.
La generación de energía solar mediante células solares que absorben la luz del sol es una aplicación común que aprovecha estos efectos. La electricidad así generada puede utilizarse directamente o almacenarse en baterías para su uso posterior. Las aplicaciones prácticas de las células solares incluyen la generación de energía tanto en la Tierra, por ejemplo para viviendas aisladas en lugares remotos, como en el espacio, por ejemplo para satélites.
La electroluminiscencia es otro efecto importante que se aprovecha en optoelectrónica. Cuando se aplica electricidad a ciertos materiales, los electrones que se encuentran en estados de alta energía se combinan con huecos de electrones y pasan a estados más estables de menor energía, liberando así energía en forma de luz. Los diodos emisores de luz (LED) son un ejemplo común del uso de la electroluminiscencia. Los LED de distintos colores se utilizan como indicadores de encendido, en pantallas digitales de calculadoras y electrodomésticos, para iluminar señales y semáforos, como faros y señales de los coches, etc. Los cuadros de instrumentos de los vehículos también suelen utilizar la electroluminiscencia para su iluminación.
La fotoconductividad es el fenómeno de aumento de la conductividad de un material bajo iluminación. Este efecto varía con la mayor intensidad de luz que genera más electrones y huecos de electrones en ciertos materiales, aumentando así las conductividades eléctricas de estos materiales. Las fotocopiadoras fueron posibles gracias a la aplicación de este fenómeno particular de la optoelectrónica. Cuando una superficie fotoconductora de una fotocopiadora se expone a una imagen, se crea una diferencia de conductividad entre las zonas iluminadas que no contienen la imagen y las secciones no iluminadas que sí la contienen. Como resultado, el polvo de la máquina se distribuye en forma de imagen, tras lo cual se fusiona con un trozo de papel para completar el proceso de copia.
Estos y otros efectos optoelectrónicos se integran en una amplia gama de dispositivos y aplicaciones en numerosas combinaciones, y aún hay más en desarrollo. La aplicación de la optoelectrónica ha revolucionado muchas industrias. Los dispositivos optoelectrónicos desempeñan un papel fundamental en aplicaciones y productos que van desde la informática a las comunicaciones, pasando por la tecnología médica, los equipos militares, la fotografía y otras técnicas de imagen, entre otros.
Propiedades de los dispositivos optoelectrónicos
- Estos dispositivos tienen una mayor longitud de onda.
- Son fáciles de fabricar.
- Son económicos.
- Tienen el tamaño de un manómetro.
- Estos dispositivos utilizan fuentes de luz de alta potencia.
- Los dispositivos de unión optoelectrónica son dispositivos de unión p-n en los que los portadores son generados por los fotones.
El Futuro de la Industria Optoelectrónica
Según Market Insight Reports, se espera que el mercado de la optoelectrónica crezca a una CAGR del 10,25% durante el período de previsión de 2019 a 2024.
Los dispositivos optoelectrónicos constituyen una parte significativa del mercado mundial de semiconductores, y se está observando un crecimiento en algunas áreas, concretamente…
- La gran demanda de LED se ha convertido en un estándar industrial para la tecnología de visualización en dispositivos electrónicos. Esta norma se debe al aumento de la demanda de mejores prestaciones y mayor resolución entre los consumidores.
- Hay un crecimiento de la demanda en la industria del automóvil gracias a la adopción de vehículos eléctricos y autónomos, lo que se espera que impulse el uso de dispositivos optoelectrónicos, impulsando así el mercado.
- Las tecnologías avanzadas de fabricación y manufactura registran un consumo creciente, lo que impulsa el uso de componentes optoelectrónicos en el sector industrial.
Además, la optoelectrónica ofrece importantes oportunidades para la I+D, y su efecto puede apreciarse en áreas de mejora del rendimiento, reducción de costes y fabricación de grandes volúmenes.