Diodo Laser

Los Diodos láser, emiten luz por el principio de emisión estimulada, la cual surge cuando un fotón induce a un electrón que se encuentra en un estado excitado a pasar al estado de reposo, este proceso esta acompañado con la emisión de un fotón, con la misma frecuencia y fase del fotón estimulante. Para que el numero de fotones estimulados sea mayor que el de los emitidos de forma espontánea, para que se compensen las perdidas, y para que se incremente la pureza espectral, es necesario por un lado tener una fuerte inversión de portadores, la que se logra con una polarización directa de la unión, y por el otro una cavidad resonante, la cual posibilita tener una trayectoria de retroalimentación positiva facilitando que se emitan mas fotones de forma estimulada y se seleccione ciertas longitudes de onda haciendo mas angosto al espectro emitido.

La presencia de una inversión grande de portadores y las propiedades de la cavidad resonante hacen que las características de salida (potencia óptica como función de la corriente de polarización) tenga un umbral a partir del cual se obtiene emisión estimulada, el cual es función de la temperatura.

Un diodo láser es diferente en este aspecto, ya que produce luz coherente lo que significa que todas las ondas luminosas están en fase entre sí. La idea básica de un diodo láser consiste en usar una cámara resonante con espejos que refuerza la emisión de ondas luminosas a la misma frecuencia y fase. A causa de esta resonancia, un diodo láser produce un haz de luz estrecho que es muy intenso, enfocado y puro.

El diodo láser también se conoce como láser semiconductor o también conocidos como láseres de inyección, Estos diodos pueden producir luz visible (roja, verde o azul) y luz invisible (infrarroja).

Se usan en productos de consumo y comunicaciones de banda ancha.

APLICACIÒN BÀSICA

La aplicación básica que se le ha dado al diodo LASER es como fuente de alimentación lumínica para sistemas de telecomunicaciones vía fibra óptica. El diodo láser es capaz de proporcionar potencia óptica entre 0.005-25mW, suficiente para transmitir señales a varios kilómetros de distancia y cubren un intervalo de longitud de onda entre 920 y 1650 nm. Sin embargo para utilizar un diodo láser como fuente lumínica, es necesario diseñar un sistema de control que mantenga el punto de operación del sistema fijo, debido a que un corrimiento de este punto puede sacar al diodo fuera de operación o incluso dañarlo.

CARACTERISTICAS BASICAS

Característica de salida de los diodos láser Dependencia de la característica de salida como Función de la temperatura

Los diodos láser son más recomendables como fuentes ópticas para sistemas de comunicación con grandes separaciones entre repetidores y altas velocidades de transmisión. Se puede lograr distancias de 100Km sin repetidores con velocidades de 1 GHz.

Diferencias del diodo láser con un diodo LED.

Ventajas del diodo láser con un diodo LED

• La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.
  
• La emisión de luz láser es monocromática: Los fotones emitidos por un láser poseen longitudes de onda muy cercanas entre sí. En cambio, en la luz emitida por diodos LED, existen fotones con mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda.
  

Con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.

Un diodo láser requiere de una fuente de alimentación de 100 a 200 mW. Se les hizo funcionar primero en el modo de pulsos en 1962. Luego se usaron en operación en onda continua (OC) en los años setentas.
Los diodos láser han tenido uso extenso como emisores en comunicación por fibras ópticas de alcance corto y largo, y como sensores en los reproductores de discos de compactos (DC). Los diodos láser se modulan con facilidad, conmutando la corriente de entrada a conectado y desconectado

Los diodos láser de un solo modo, capaces de emitir de 20 a 50 mW, tienen demanda para grabación óptica, impresión a alta velocidad, sistemas de distribución de datos, transmisión de datos y comunicaciones espaciales entre satélites en órbita.

COMPOSICION QUIMICA DE UN DIODO LASER DE ESTADO SÓLIDO

El funcionamiento del diodo láser lo determinan su composición química y su geometría.

Todos los diodos son, en esencia, estructuras de varias capas, formadas por varios tipos diferentes de material semiconductor. Los materiales son contaminados con impurezas por medio de químicos, para darles ya sea un exceso de electrones (Tipo N) o un exceso de vacantes de electrones (Tipo P).

Los diodos láser que emiten en la región 0.78 a 0.9 micrón, están formados por capas de arseniuro de galio (GaAs) y arseniuro de aluminio y galio (ALGaAs) desarrollado sobre un subestrato de GaAs. Los dispositivos para longitud de onda mayor, que emiten a 1.3 a 1.67 micrones, se fabrican con capas de arseniuro fosfuro de indio y galio (InGaASP) y fosfuro de indio (InP), desarrollado sobre un subestrato de InP.

La ilustración muestra las características estructurales comunes a todos los diodos láser de onda continua (OC). La base del diodo es un subestrato formado por GaAs o InP, tipo N, con alta impurificación. Sobre la parte superior del subestrato, y a manera de descubrimiento, se desarrolla una capa plana más ligera del mismo material, Tipo N y con impurificación. Sobre la capa de recubrimiento tipo N se desarrolla una capa activa de semiconductor (AlGaAs o InGaAsP) sin impurificaciones. Después, sobre la capa activa de tipo P, con alto grado de impurificación.

Cuando pasa la corriente por los contactos metálicos los electrones inyectados desde la capa tipo N y los huecos inyectados desde la capa tipo P se recombinan en el área activa delgada, y emiten luz. La luz viaja hacia atrás y hacia delante entre las facetas parcialmente reflectantes de los extremos del diodo. La acción lasérica comienza al incrementarse la corriente. La ganancia óptica en viaje redondo debe superar las pérdidas debidas a absorción y dispersión que se dan en la capa activa, para sostener dicha acción.

Muchos diodos láser tienen una capa delgada de oxido, depositada sobre la parte superior de la capa de cubierta final tipo P. En esta capa de oxido se hace un ataque químico de manera que pueda formarse una cinta metálica de contacto en receso de poca profundidad, longitudinalmente a lo largo de la superficie superior del diodo. El índice de refracción de la capa activa es mayor que el del material tipo P y del material tipo N (las capas de recubrimiento) que están arriba y abajo de ésta. Como resultado, la luz es atrapada en una guía dieléctrica de ondas formada por las dos capas de recubrimiento y la capa activa, y se propaga en ambas, la capa activa y las de recubrimiento.

El haz de luz que emerge del diodo láser forma una elipse vertical (en sección transversal), aunque la región lasérica es una elipse horizontal. La luz que se propaga dentro del diodo, se extiende hacia afuera en forma transversal (verticalmente) desde las capas de recubrimiento superior e inferior.
Cuando el diodo está funcionando en el modo fundamental, el perfil de intensidad de su haz emitido en el plano transversal, es una curva de Gauss de forma acampanada.

En el láser se amplifica la luz al viajar hacia atrás y hacia adelante en la dirección longitudinal, entre las facetas de cristal de cada extremo del diodo. Los modos resonantes que se extienden en dirección perpendicular a la unión PN, se llaman modos transversales. La inyección de electrones y huecos en la capa activa situada abajo de la cinta metálica de contacto, altera el índice de refracción de la capa activa, y confina la luz lateralmente para que no se disperse hacia afuera, hacia ambos lados del centro de la capa activa.

ALGO MÁS ACERCA DE LOS DIODOS LASER

En un láser semiconductor, la ganancia es aportada por una corriente de inyección. De esta manera, los pares electrón-hueco dan la inversión de población necesaria para la emisión láser. La recombinación estimulada lleva a la amplificación de la luz, generando fotones con la misma dirección de propagación, polarización, frecuencia y fase que el fotón que ha inducido la recombinación.
Los pares electrón-agujero deben estar confinados en una zona estrecha para mantener la inversión de población a un nivel elevado. Si no es así, hay que suministrar inyecciones de corriente demasiado grandes al diodo para obtener emisión láser. Por simplicidad, los pares electrón-hueco se llaman portadores, y la vida media de los portadores es el tiempo medio que tardan los portadores en recombinar.

La sencilla unión p-n, resultado del crecimiento en el mismo sustrato, pero con diferentes niveles de dopaje, no es capaz de conseguir el confinamiento necesario, porque la anchura de la región en que los portadores están confinados aumenta debido a la difusión de los portadores. El problema de la difusión de los portadores puede resolverse parcialmente usando heterostructuras.
Dos tipos diferentes de estructuras pueden analizarse dependiendo del mecanismo de confinamiento lateral de los portadores. En láseres semiconductores guiados por la ganancia, no se incorpora ningún confinamiento añadido, y el perfil de la ganancia viene determinado esencialmente por la región con corriente de inyección y efectos difusivos.

En los láseres guiados por el índice, la región activa está rodeada lateralmente por material con un índice de refracción menor. En estos dispositivos, se consigue un nivel de confinamiento bastante elevado. Aparte de dar un buen confinamiento a los portadores, los láseres de doble heterostructura guiados por el índice también incorporan un confinamiento adecuado para la luz. El mecanismo de guía es debido a un mayor índice de refracción en la región activa que en el resto de capas que la rodean. De esta manera, la luz viaja hacia adelante y hacia atrás como lo haría en el interior de una fibra óptica.
Una cavidad óptica adecuada es necesaria para conseguir la emisión láser. En otros tipos de láser, la cavidad está limitada por dos espejos con curvaturas que dependen de la distancia entre ellos y de la geometría del medio activo. Mientras uno de los espejos puede diseñarse totalmente reflectante, el otro debe permitir que haya luz de salida.

Los láseres de cavidad vertical (VCSELs) tienen una longitud de cavidad muy corta, y necesitan reflectividades del 99 %. El espejo normalmente está incorporado en la estructura láser a partir del mismo sustrato, y está formado de muchas capas alternadas de diferentes materiales. El reflector de Bragg que así resulta permite una característica casi plana de la reflectividad para un rango considerable de longitudes de onda.

Láseres más convencionales (EELs) no necesitan espejos para operar. La longitud de su cavidad, de unas 300 micras, es suficientemente grande para permitir la emisión láser sin espejos adicionales. De hecho, la reflectividad en la separación láser-aire es cercana al 32 %. El valor grande del índice de refracción en la zona activa confina la luz a la región con ganancia material.

EJEMPLO DE APLICACIÓNEL LECTOR DE DISCOS COMPACTOS

Una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de información digital de soportes de datos tipo CD-ROM o la reproducción de discos compactos musicales. El principio de operación de uno y otro es idéntico.

Esquema del funcionamiento del CD-ROM

Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos prácticos, se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas absorbentes de luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada hasta un detector de luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es reflejado, al detector no le llega ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital.
Un conjunto de unos y ceros es una información digital, que puede ser convertida en información analógica en un convertidor digital-analógico. Pero esa es otra historia que debe de ser contada en otra ocasión.

BIBLIOGRAFIA

• Principios de electrónica, Malvino-Mc Graw Hill. Sexta edición.
• Trabajo del semestre pasado realizado por Rossybell Martinez y Juan Fernando torres.