Electrónica Diodos en informática

Los sistemas de telecomunicaciones, los sistemas informáticos y los sistemas de radiodifusión se pudieron implementar, tras su concepción, gracias a los dispositivos electrónicos. En sus inicios estos dispositivos estaban basados en válvulas de vacio o de gas que proporcionaban biestabilidad, es decir, podian adoptar dos estados estables, o lo que es to mismo, dos estados lógicos; algo que constituye el fundamento conceptual para el almacenamiento y procesamiento de la información, es decir, la conmutación entre dos estados de un dispositivo.

Las válvulas eran los dispositivos que, gracias a su modo de operación, permitían el almacenamiento y procesamiento de la información en el caso de la informática, y la emisión desde un punto (emisora) a un elevado número de usuarios en el caso de la radiodifusión. Los cables de cobre transmitian la información de voz, lo único posible en esos momentos. Las válvulas funcionaban en modo analógico fundamentalmente, es decir, la señal que se utilizaba como soporte de la información que se debe procesar, almacenar y transmitir era analógica. Eran los tiempos de los primeros ordenadores, ENIAC y UNIVAC, posibles gracias a las investigaciones realizadas por científicos como Turing o Von Neumann.

Durante el tiempo en que el esquema analógico para representar la señal ha permanecido vigente, las telecomunicaciones, la informática y la radiodifusión han constituido departamentos estancos. El área de informática fue la primera en adoptar el esquema basado en electrónica digital para representar la señal. Posteriormente, la digitalización se introdujo en el ámbito de las telecomunicaciones, iniciando su proceso de convergencia con la informática: la señal que era procesada y almacenada en el ordenador era la misma que viajaba por la red. Esta digitalización permitió introducir en las redes potentes sistemas informáticos que las dotaban de inteligencia. No obstante, la electrónica analógica siguió y sigue utilizándose en la circuitería y funciones complementarias como, por ejemplo, la amplificación de las señales.

El paso al estadio digital conllevó la desaparición de las válvulas como elemento de conmutación para dar paso, en la década de los 40, al transistor, basado en material semiconductor; un material cuyas propiedades en lo que a conducción se refiere se sitúan entre el aislante y el conductor, lo que lo hate idóneo para construir dispositivos de conmutación.

La digitalización ha constituido una primera vía de acceso a la interactividad o servicios bidireccionales o two-way, que permiten que el usuario interactúe con el sistema. La segunda via de acceso viene dada por el aumento del ancho de banda.

Por to que se refiere a la radiodifusión, el último área en integrar la tecnología digital y gracias a ells, se incorpora hoy día al ya integrado grupo de telecomunicaciones a informática. En la actualidad, es un hecho habitual la entrada en el negocio de las telecomunicaciones de los operadores tradicionales de radiodifusión que ya tienen capacidad tecnológica para proporcionar servicios interactivos a través de la TV, además de la multiplicidad de canales de TV asociados al propio negocio de la radiodifusión. Se time así la convergencia entre las telecomunicaciones, la informática y la radiodifusión, algo asumido ya, a nivel politico, como se muestra en el Libro Verde de la Comisión Europea sobre Convergencia entre Telecomunicaciones, Informática y Radiodifusión publicado en 1997.

AVANCES ELECTRONICOS

Pero, aunque la digitalización supone una primers condición necesaria para conseguir esta convergencia, no es suficiente, ya que se precisa además conseguir una gran capacidad de transmisión o ancho de banda que permita enviar por las redes información de voz, datos y video indistintamente y de una manera fiable (con calidad de servicio). Sólo de esta forma se puede hablar en realidad de servicios multimedia susceptibles de ser proporcionado tanto a través del cable como del espacio libre

Esta evolución del sistema global ha sido posible debido a los avances en la electrónica subyacente al sistema debido a que la electrónica constituye el primer nivel de abstracción del sistema: se precisan medios para la transmisión que ofrezcan un gran anchode banda por sus propias características físicas, algo que viene dado por la fibra óptica, y componentes que puedan conmutar a gran velocidad y que además se puedan miniaturizar al máximo.

Paralelamente, se han producido los avances en los niveles de abstracción superiores donde se contemplan, entre otros aspectos, la arquitectura, las técnicas le transmisión o los servicios; avances que complementan el potential generado por la evolución experimentada por la infraestructura física. Es este nivel de abstracción donde se inscribe la electrónica del sistema, en base al continuo proceso de miniaturización, el que generó el concepto de microelectrónica, cuyo núcleo es el circuito integrado, inventado por Noyce y Kilby. Basada en tecnología CMOS (y consecuentemente en el ya clásico semiconductor de silicio), la microelectrónica ya está dando paso a la nanotecnología como la siguiente etapa en el proceso de miniaturiación y velocidad de conmutación, una etapa que todavia se encuentra en fase de laboratorio.

Dentro de esta área de microelectrónica, el primer nivel de abstracción aparece en lo que se refiere al material: el semiconductor o material en base al cual se fabrican los dispositivos y componentes que constituyen el circuito integrado. Este material semiconductor, que históricamente ha sido el silicio, ha evolucionado hoy hacia los semiconductores compuestos, semiconductores formados por dos o más elementos de los grupos III-V así como II-VI de la tabla periódica.

El más extendido de estos semiconductores es el arseniuro de galio. Hace solamente unos años, cuando este semiconductor iniciaba el paso del estadio experimental al escenario comercial, el mercado potential se estimaba en el orden de los cientos de millones de dólares. Hoy día, sin embargo, se habla ya del orden de los miles de millones de dólares. Estos semiconductores, por sus excelentes propiedades ópticas y sus capacidades en velocidad de conmutación y para trabajar en el margen de las frecuencias ópticas y de microondas, constituyen el elemento crttico para conseguir las aplicaciones avanzadas que se están observando a nivel de servicio. Para soponar estas aplicaciones se precisan circuitos digitales de alta velocidad, así como láseres de semiconductor y fotodiodos avanzados como elementos de emisión y recepción respectivamente de las señales ópticas que viajan por la fibra óptica, por citar los ejemplos más conocidos.

Por otra parte, en lo que se refiere a las comunicaciones por radio, y en particular las comunicaciones por satélite, su desarrollo es especialmente sensible a la disponibilidad y desarrollo de estos componentes basados en semiconductores compuestos. No obstante, la popular tecnología CMOS basada en un solo semiconductor, el histórico silicio, coexiste actualmente con la tecnología de semiconductores compuestos, ya que representa una solución claramente más madura y con una significativa base instalada. Esto, unido a los grandes esfuerzos que se precisan en el campo de los semiconductores compuestos para mejorar los procesos de fabricación y la calidad del producto final, hace que la tecnología CMOS continúe siendo dominante.

Sin emabrgo desde un punto de vsiat de predicción tecnplógica, el futuro aparece claramente dominado por los semiconductores compuestos, no solo por los factores señalados anteriormente, sino por constituir el semiconductor subyacente a una tecnología emergente de impacto potencial extremadamente elevado: la nanotecnología. Cabe citar las investigaciones que se están realizando en torno a la utilización de compuestos basados en semiconductores históricos, como el propio silicio y el germanio (otro semiconductor histórico), con el fin de obtener un menor consumo de potencia, to que equivale a una mayor integración y a una mayor velocidad de conmutación.





































En este campo están trabajando, entre otras firmas, IBM, que ha anunciado componentes basados en silicio/germanio para aplicaciones de comunicaciones por radio, y en concreto para GSM en sus tres bandas de frecuencia (900, 1800 y 1900 MHz). El precio de estos chips oscila entre 2,25 y 2 dólares. También Alcatel, desde su sede en París, ha anunciado un transmisor óptico y un módulo receptor basado en silicio/germanio.

NANOTECNOLOGIA

La aparición del circuito integrado constituye la primera etapa del proceso de miniaturización de los elementos de circuito electrónico. Cada vez es mayor el número de transistores que se pueden introducir en un microchip; de hecho, en estos momentos, las cifras se están aproximando a 1000 millones de transistores por chip. Además, el tamaño del propio chip sigue disminuyendo, siguiendo la famosa observación de Moore, según la cual el tamaño del chip decrece exponencialmente con el tiempo.

Pero dentro de esta clara tendencia hacia la miniaturización, para poder seguir reduciendo el tamaño es necesario utilizar estructuras cuánticas; es en este momento cuando aparece la nanotecnología como solución. La nanotecnología, que se puede describir como una tecnología genérica basada en emplear dimensiones por debajo de los 1000 nanómetros, ha generado una nueva etapa de la microelectrónica en la que se siguen reduciendo los tamaños del chip mediante la utilización en los componentes de estructuras cuánticas (pozos, hilos, dots) y moléculas.

Dentro de la nanotecnología se ha generado una nueva área conocida como electrónica molecular, que se basa en la utilización de moléculas con capacidad para actuar como componentes electrónicos con muy elevadas velocidades de conmutación y una inherente alta capacidad en lo que se refiere a densidad de componentes (miniaturización). Los dispositivos consisten en macromoléculas conjugadas con una longitud y composición específica.

Las actuaciones en I+D de la Comisión Europea en el ámbito de la nanotecnología se han inscrito, a to largo del pasado IV Programa Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico, en el programa ESPRIT, y concretamente en la iniciativa MEL-ARI (MicroELectronics Advanced Research Initiative) Nanoscale Integrated Circuits. Actualmente, en el contexto del V Programa Marco, la nanotecnología se encuadra en el programa IST (Information Society Technologies)

En la actualidad, las comunicaciones ópticas y la tecnología fotónica en general, fuertemente basadas en componen,es formados por semiconductores compuestos, constituyen la tecnología por excelencia, cuyo futuro se basa en la incorporación de la nanotecnología a sus componentes. En el sistema de comunicaciones ópticas actual se tiene el emisor de luz o radiación óptica, que puede ser un LED (diodo electroluminiscente que emite radiación óptica como respuesta a una excitación mediante señales eléctricas) o un diodo láser. Los LED basados en semiconductores compuestos III-V de la tabla periódica de los elementos presentan una longitud de onda típica de la radiación óptica emitida de 900 nm para arseniuro de galio (AsGa) puro. Pero si se considera una aleación de AsGaAl, esto es, arseniuro de galio aleado con aluminio, la longitud de onda se puede reducir hasta 780 nm. Para longitudes de onda más baja, en la región visible, se suelen utilizar arseniuro de galio con fósforo y fosfuro de galio. Para longitudes de onda mayores, se emplea la aleación indio-arseniuro de galio-fósforo como material típico.

El diodo láser, también conocido como láser de semiconductor, es un dispositivo emisor de radiación láser cuando se le inyectan señales eléctricas. El proceso generador de luz es parecido al del LED y to mismo sucede con los materiales implicados. En el diodo láser se consigue una ganancia óptica elevada y un espectro sumamente estrecho que origina radiación óptica coherente.

A diferencia de los LED, los diodos láser emiten luz parcialmente polarizada y la máxima potencia óptica disponible depende del llamado ciclo de trabajo, es decir, de que el dispositivo trabaje con modulación o sin modulación. Los diodos láser pueden ser de homoestructura (un solo compuesto, como, por ejemplo, arseniuro de galio) o de heteroestructura (más de un compuesto). A su vez, los diodos láser de heteroestructura pueden ser de simple heteroestructura o de doble heteroestructura. En particular, cabe citar los diodos láser de arsenofosfuro de galio-indio por su eficacia en las aplicaciones de transmisión de datos a alta velocidad. Las heteroestructuras constituyen el medio donde se crean las estructuras cuánticas cicadas anteriormente, como pozos, hilos y dots, mediante las cuales se construyen los nanodispositivos.

VCSEL

En el contexto de los sistemas de comunicaciones de datos que incorporan redes ópticas y dispositivos optoelectrónicos, la fuente ideal de radiación óptica debe cumplir los siguientes requisitos: pequeño tamaño, eficiencia elevada y capacidad de modulación de alta velocidad. Un diodo láser que cumple estas condiciones es el VCSEL (Vertical-Cavity-Surface-Emitting Laser). Este tipo de diodo láser avanzado está revolucionando las comunicaciones de datos debido a su eficiencia en las interconexiones ópticas. EN esnecia VCSEL es un diodo laser basado en la recirculación de luz dentro de una cavidad óptica, recirculación se consigue al girar la cavidad 90 grados, con lo cual la luz emitida es perpendicular a la superficie del chip. En VCSEL, la región activa (la región de la hetetructura que emite la radiación) tiene una longitud típica entre 0,01 micras y 0,02 micras y está situada entre dos espejos. Esta relativamente corta longitud requiere la utilización de muchos más espejos reflectores, de forma que estos se comporten como reflectores distribuidos de Bragg. En definitiva, Los VCSEL presentan una estructura compacta y una emisión de superficie eficiente, así como buenas características en cuanto a flexibilidad de diseño se refieren en lo relativo a apertura de salida.

Una de las variantes de VCSEL con más nivel de prestaciones es, por el momento, el VCSEL de óxido confinado, en el que hay una capa de semiconductor susceptible de convertirse en óxido cerca de la región activa, con lo cual se genera una guiaonda óptica.

En lo que se refiere a los dispositivos fotodetectores Dispositivos que detectan radiación óptica y la convierten en señal eléctrica), existen Los dispositivos fotodiodos y fototransistores. Entre Los primeros, Los típicos son los PIN y los fotodiodos de avalancha 'D (avalanche photodiode). Al igual que sucede con los dispositivos optoelectrónicos, los PIN y APD pueden ser de homoestructura y de heteroestructura..

El fototransistor es el conjunto integrado formado por fotodiodo y un transistor bipolar o de efecto de campo. En este componente integrado el fotodiodo tiene por mision captar la luz proveniente de la fibra óptíca, mientras el transistor actúa como amplificador de las señales eléctricas que se hen generado a la salida del fotodiodo. Como ejemplos de este tipo de componentes podemos citar Los PIN-FET (Field Effect Transistor) y los componentes integrados constituidos por un fotodiodo y un HBT (Heterojunction Bipolar Transistor). Un HBT es un transistor bipolar en el que la región de base es de un material distinto de la región de emisor o de la región de colector. ejemplo típico de HBT es un transistor con el emisor de arseniuro de galio-aluminio, la base de arseniuro de galio y el colector también de arseniuro de g;alio, con lo que está claro que este HBT es de simple heteroestructura.



SOLITONES OPTICOS



Los solitones se inscriben en el estadio más avanzado estado del arte en comunicaciones ópticas. Se pueden describir como ondas luminosas solitarias asociadas al concepto de no-linealidad. Se dice que sistema presenta un comportamiento no lineal cuando produce un efecto que no sigue una variación lineal con la potencia de entrada. Esto se puede aplicar por ejemplo, a la fibra óptica. Grosso modo, podemos afirmar que el comportamiento de un sistema es al cuando la potencia de entrada es relativamente baja. Si esta potencia aumenta, es posible alcanzar un umbral de forma que el comportamiento del sistema se convierte en no lineal. SI el umbral es sufucientemente bajo, de forma que resulta suficientemente sensible a Las potencies ópticas, se puede considerar el sistema como no lineal.

Un solitón óptico es un pulso óptico que se propaga sin cambiar su forma, ya que se frets de una onda estable, a través de una fibre óptica monomodo en la llamada región de dispersión anómala, que corresponde a longitudes de onda menores que 1,3 micras pare fibres de sílice.

Los solitones constituyen el resultado de la interacción entre el efecto Kerr y la dispersión negativa de la velocidad de grupo de las ondas (dispersiónanómala), que es un efecto no lineal, es decir, el solitón se genera gracias a las propiedades no lineales de la fibra. A medida que el solitón recorre la fibra, debido a las pérdidas de de la propia fibra se va debilitando ya que la intensidad de Los pulsos decrece, lo que hace que el efecto Kerr quede también debilitado y el solitón pierda sus características (se va deformando). Pare resolver este problems se emplean técnicas de compensación basadas en la dispersión Raman estimulada y que consisten esencialmente en la excitación periódica de la fibre mediante pulsos de bombeo de onda continua en ambas direcciones a través de acopladores direccionales dependientes de la longitud de onda. De esta forma se consigue que Los pulsos debilitados se amplifiquen y recuperen su forma original. La tecnología relacionada con la propagación de solitones a través de la fibra óptica se puede combinar ventajosamente con la técnica de multiplexación por división de longitud de onda óptica en su variante llamada dense, o sea, DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).

En este campo trabaja Pirelli Cables, que, en su sede de Milán, ha desarrollado recientemente un sistema DWDM de 128 canales cada uno de ellos capaz de transporter hasta 10 gigabits de información por segundo y que utilice solitones como elemento de propagación: la capacidad del sistema es lo que permite proporcionar 16,5 millones de llamadas telefónicas simultáneas.

Se puede demostrar matemáticamente que la propagación de luz a base de solitones conlleva altas velocidades de transmisión a to largo de distancias considerables. E1 objetivo principal de cara a un desarrollo pleno de Los sistemas basados en solitones es el aumento de la distancia de propagación. Los esfuerzo en I+D se dirigen principalmente en esta línea y de tratar de mejorar las características de propagación.

Fuente: Comunicaciones World. Núm. 143

http://www.um.es/docencia/b arzana/DIVULGACION/ELECTRONICA/Diodos.html