Fotónica y electrónica física

Dispositivos basados en luz, electrones, semiconductores, detectores, sensores, laser y optoelectrónica.

Idea general del tema

La fotónica y la optoelectrónica estudian la generación, modulación, guiado, amplificación y detección de la luz utilizando las propiedades cuánticas y electromagnéticas de los semiconductores y materiales dieléctricos. Constituyen el corazón de las telecomunicaciones por fibra óptica de alta velocidad, la iluminación eficiente de estado sólido (LEDs) y la computación fotónica.

Este nodo agrupa la física de semiconductores (uniones p-n, pozos cuánticos), láseres de diodo y DFB, guías de onda dieléctricas y fibra óptica monomodo/multimodo, fotodetectores PIN y de avalancha (APD) y moduladores electro-ópticos (efecto Pockels).

Que vas a comprender de verdad

Comprenderás cómo la condición de inversión de población en un semiconductor de banda prohibida directa (como GaAs o InP) produce emisión estimulada coherente dentro de una cavidad resonante Fabry-Pérot.

Aprenderás a calcular la dispersión cromática y la atenuación espectral en fibras ópticas de sílice (mínimo de atenuación a $1550\text{ nm}$, $\approx 0.2\text{ dB/km}$) y a resolver la ecuación de onda modal para guías dieléctricas planas.

Ruta didáctica recomendada

1. Física de semiconductores optoelectrónicos: recombinación radiativa vs no radiativa, diodos LED, heteroestructuras y pozos cuánticos.
2. Láseres de semiconductor: ganancia óptica, corriente umbral, emisión espontánea vs estimulada y láseres DFB/VCSEL.
3. Propagación y guías de onda: reflexión interna total, modos transversales TE/TM, perfiles de índice en fibra óptica y dispersión modal y cromática.
4. Detección y modulación óptica: fotodiodos PIN, fotodiodos de avalancha, eficiencia cuántica y moduladores electro-ópticos Mach-Zehnder.

Criterio físico que debes adquirir

Reconocer por qué el silicio puro (gap indirecto) es un pésimo emisor de luz pero un excelente fotodetector visible, mientras que los semiconductores III-V de gap directo son indispensables para construir láseres eficientes.

Conexión con problemas reales

• Redes globales de telecomunicaciones por fibra óptica y multiplexación por longitud de onda (DWDM).
• Sensores LiDAR para conducción autónoma y telemetría óptica espacial.
• Circuitos integrados fotónicos de silicio (Silicon Photonics) para interconexión óptica en centros de datos.

Meta final del tema

Dominar la física electromagnética y cuántica de los dispositivos fotónicos y optoelectrónicos para diseñar sistemas de transmisión, amplificación y detección de luz.