láser
por Rami Arieli: "The Laser Adventure" Chapter 6.3 Diode lasers Page 1-18 
traducción de José Mª Iglesias


Todos los láseres de diodo están construídos con materiales semiconductores , y tienen las propiedades características de los diodos eléctricos. Por esta razón reciben nombres como : >

La utilización tanto en I+D como comercial de los láseres de diodo ha cambiado dramáticamente en los últimos 20 años. Hoy en día el número de láseres de diodo vendidos en un años se mide en millones , mientras que todos los demás tipos de láser juntos se miden en millares.  

De hecho , la familia actual de láseres de diodo es utilizada en productos de alto consumo como : CD -Compact Discs, Impresoras Láser , Escáners y comunicaciones ópticas. 

El diodo láser fue inventado en tres laboratorios de investigación en USA de modo independiente . Los investigadores consiguieron radiación electromagnética coherente de un diodo de unión p-n en base al material semiconductor GaAs - Arsenuro de Galio. 

Haremos ahora una pequeña introducción básica : 

Los Semiconductores 

En general , los sólidos pueden dividirse entres grupos :

Aislantes - Materiales que no son conductores de la electricidad como cuarzo , diamante , goma o plástico
Conductores- Materiales que son conductores de la electricidad como oro , plata , cobre
Semiconductores- Materiales con una conductividad eléctrica intermedia entre materiales conductores y no conductores

Ejemplos : Ge, Si, GaAs, InP, GaAlAs.  

La conductividad de un semiconductor aumenta con la temperatura ( explicado más tarde ) , contrariamente a lo que sucede con los materiales metálicos , cuya conductividad disminuye con la temperatura debido al aumento del nivel vibracional de los átomos.

Niveles energéticos 

En un gas , cada átomo ó molécula está ( bajo el punto de vista energético ) a gran distancia de sus vecinos , con lo que puede considerarse aislado.

Podemos considerar del mismo modo a unos pocos átomos de un material ( que actúan como átomos de impurezas ) que son añadidos a un medio homogéneo sólido de otro material.

En contraste con los niveles energéticos separados existentes en un gas o en un pequeño número de átomos de impurezas en un sólido homogéneo , los electrones en un semiconductor están en bandas energéticas , que , efectuando una simulación , se componen de agrupaciones de un gran número de niveles energéticos por efectos cuánticos. Estas bandas de energía corresponden a todo el material , no estando asociadas a un sólo átomo. La anchura de la banda aumenta a medida que decrece la distancia entre los átomos y aumenta la interacción entre ellos.

Las bandas energéticas en un semiconductor pueden ser de dos tipos :

    Banda de Valencia - Los electrones en una banda de valencia están ligados a los átomos del semiconductor.
    Banda de Conducción - Los electrones en una banda de conducción pueden moverse por el semiconductor.

La separación entre la banda de valencia y la de conducción se denomina la Brecha de Energía , no existiendo ningún nivel energético posible dentro de ésta zona. Si un electrón de la banda de valencia consigue suficiente energía , puede " saltar " la brecha de energía para introducirse en la banda conductora. ( ver figura 6.19a)

Las bandas de energía llenas son aquellos niveles energéticos de los electrones internos , ligados al átomo , que no participan en los enlaces entre los átomos del sólido . Para que un sólido conduzca la electricidad , los electrones necesitan moverse en el sólido.

En un aislante - la banda de valencia está llena de electrones , con lo que los electrones no pueden moverse dentro de la banda . Para que exista una conducción de electricidad , los electrones de la banda de valencia deben pasar a la banda de conducción . En consecuencia , debe suministrarse una energía superior a la brecha de energía a los electrones de la banda de valencia , a fin de conseguir su transferencia a la banda de conducción . Como la brecha de energía es grande , ésta evita el paso , y en consecuencia , los aislantes son poco conductores
La estructura de los niveles energéticos de un aislante pueden verse en la figura 6.19a.


Figura 6.19a: Niveles energéticos de un aislante

En un conductor - ( metal ) Las bandas de valencia y de conducción se sobreponen , por lo que en la práctica la brecha de energía es nula . En consecuencia , los electrones necesitan muy poca energía para pasar a la banda de conducción y conducir la electricidad .

La estructura de los niveles energéticos de un conductor pueden verse en la figura 6.19b


Figura 6.19b: Niveles energéticos de un conductor

En un semiconductor - la brecha de energía es muy pequeña , por lo que se requiere muy poca energía para transferir los electrones de la banda de valencia a la de conducción . Hasta la temperatura ambiente proporciona la energía suficiente . Aumentando la temperatura , más y más electrones serán transferidos a la banda de conducción . En consecuencia aumenta la conductividad con la temperatura .  
La estructura de los niveles energéticos de un semiconductor pueden verse en la figura 6.20.


fig. 6.20

Figura 6.20: Niveles energéticos de un semiconductor>

Cuando se transfiere un electrón de la banda de valencia a la de conducción , se crea un " agujero " en la banda de valencia . Estos " agujeros " se comportan como cargas positivas que se mueven por la banda de valencia como consecuencia de aplicar un voltaje . En el proceso de la conducción eléctrica participan tanto los electrones que están en la banda de conducción como los " agujeros positivos " que permanecen en la banda de valencia originados por el " salto " de electrones a la banda de conduucción .

A fin de controlar el tipo y densidad de los " portadores " de carga en un semiconductor , se añaden impurezas con un número extra de " portadores " de carga al semiconductor . Los átomos de éstas impurezas son eléctricamente neutros .
 

Las Impurezas  

En un material semiconductor " puro " , la estructura de las bandas y la brecha de energía están determinadas por el propio material. Añadiendo otro material con portadores de carga , aparecen niveles de energía adicionales dentro de la brecha ( ver figura 6.21).

Si la impureza contiene más electrones que el propio material semiconductor puro , los portadores de carga añadidos son negativos ( electrones ) , y el material se denomina " semiconductor de tipo n " . En este tipo de materiales aparecen niveles energéticos adicionales muy cercanos a la banda de conducción , con lo que es suficiente con un aporte pequeño de energía para hacerlos saltar a la banda de conducción , de modo que tenemos más portadores de carga libres para conducir la electricidad.

 

Si la impureza contiene menos electrones que el material semiconductor , los niveles energéticos extras aparecen cerca de la banda de valencia . Los electrones de la banda de valencia pueden saltar a estos niveles fácilmente , dejando atrás " agujeros positivos " . Este tipo de material se denomina " semiconductor de tipo p "

En la figura 6.21 se describe la influencia de la adición de impurezas en la anchura de las bandas de energía


Niveles energéticos

Figura 6.21: Niveles energéticos de un semiconductor

El proceso Laser en un Laser de Semiconductor  

Cuando unimos un semiconductor tipo "p" a otro tipo "n" , obtenemos una " unión p-n "

Esta unión p-n conduce la electricidad en una dirección preferente ( hacia adelante ) . Este aumento direccional de la conductividad es un mecanismo común en todos los diodos y transistores utilizados en la electrónica. Y es la base del proceso láser que tiene lugar entre las bandas de energía de la unión.

La Figura 6.22 muestra las bandas de energía ideales de una unión p-n , sin aplicar un voltaje externo.


Niveles de energía de una unión p-n

Figura 6.22: Niveles de energía de una unión p-n sin voltaje aplicado

El nivel máximo de energía ocupado por electrones se denomina Nivel de Fermi . 

Cuando se conecta el polo positivo de un voltaje a la cara p de la unión p-n , y el negativo a la cara n , se establece un flujo de corriente a través de la unión p-n . Esta conexión se denomina Voltaje dirigido hacia adelante o positivo . Si se conecta con la polaridad inversa ( polo + a la cara "n" y polo - a la cara "p" ) se denomina Voltaje dirigido hacia atrás o negativo ; éste causa un aumento de la barrera de potencial existente entre las partes p y n , con lo que evita el paso de la corriente a través de la unión .
 

Aplicando un voltaje en una unión p-n 

Cuando se aplica un voltaje a través de una unión p-n , la población de las bandas de energía cambia.
El voltaje puede ser aplicado de dos formas o configuraciones posibles :

1.Voltaje positivo o hacia adelante - significa que el polo negativo del voltaje es aplicado a la cara "n" de la unión , y el polo positivo a la cara "p" , como se muestra en la figura  6.23:


Bandas de energía

Figura 6.23: Bandas de energía de una unión p-n cuando se le aplica un voltaje positivo

El voltaje hacia adelante o positivo crea portadores extra en la unión , reduciendo la barrera de potencial , y origina la inyección de portadores de carga , a través de la unión , al otro lado .

Cuando un electrón de la banda de conducción en el lado "n" es inyectado a través de la unión a un " agujero " vacío en la banda de valencia del lado "p" , tiene lugar un proceso de recombinación ( electrón + agujero ) , y se libera energía

En los diodos láser , nuestro interés se concentra en los casos específicos en que la energía es liberada en forma de radiación láser . Se produce un fuerte aumento de la conductividad cuando el voltaje positivo es aproximadamente igual a la brecha de energía del semiconductor.

.Voltaje negativo o hacia atrás - causa un aumento de la barrera de potencial , disminuyendo la posibilidad de que los electrones salten al otro lado . Aumentando el voltaje negativo a valores altos ( décimas de voltio ) , se puede obtener un colapso del voltaje de la unión ( avalancha )
 

La construcción de un Diodo Láser 

Se enseña la estructura básica en capas de un láser de diodo simple en la figura 6.24.

Las capas de los materiales semiconductores están dispuestas de modo que se crea una región activa en la unión  p-n , y en la que aparecen fotones como consecuencia del proceso de recombinación . Una capa metálica superpuesta a las caras superior e inferior permite aplicar un voltaje externo al láser . Las caras del semiconductor cristalino están cortadas de forma que se comportan como espejos de la cavidad óptica resonante.


Estructura Básica

Figura 6.24: Estructura básica de un láser de diodo

 

La Figura 6.25 describe la forma en que la radiación láser electromagnética es emitida para un láser simple de diodo. La radiación láser tiene forma rectangular y se difunde a diferentes ángulos en dos direcciones.


Perfil de la radiación emitida

Figura 6.25: Perfil de la radiación láser emitida por un diodo láser simple

Más tarde describiremos unas estructuras y diseños especiales que permiten confinar la zonas activa en una región más pequeña , y controlar así el perfil del haz láser conseguido.
 

Sumario de los Láseres de Diodo hasta éste punto:

Curva I-V de un Diodo Láser 

Si la condición requerida para la acción láser de inversión de población  no existe , los fotones serán emitidos por emisión espontánea. Los fotones serán emitidos aleatoriamente en todas las direcciones , siendo ésta la base de los LED - diodo emisor de luz .

La inversión de población sólo se consigue con un bombeo externo. Aumentando la intensidad de la corriente aplicada a la unión p-n , se alcanza el umbral de corriente necesario para conseguir la inversión de población .

En la figura 6.26 se muestra un ejemplo de la potencia emitida por un diodo láser en función de la corriente aplicada. Se aprecia enseguida que la pendiente correspondiente a la acción láser es mucho mayor que la correspondiente a un led.


Potencia versus corriente

Figura 6.26: Potencia de emisión de un diodo láser en función de la corriente aplicada.

El umbral e corriente para el efecto láser viene determinado por la intersección de la tangente de la curva con el eje X que indica la corriente ( esta es una buena aproximación ) Cuando el umbral de corriente es bajo , se disipa menos energía en forma de calor , con lo que la eficiencia del láser aumenta. En la práctica , el parámetro importante es la densidad de corriente , medida en A/cm2 , de la sección transversal de la unión p-n .

Dependencia de los parámetros del diodo láser de la temperatura

Uno de los problemas básicos de los diodos láser es el aumento del umbral de corriente con la temperatura . Los operativos a bajas temperaturas requieren bajas corrientes . A medida que la corriente fluye por el diodo , se genera calor . Si la disipación no es la adecuada , ta temperatura aumenta , con lo que aumenta también el umbral de corriente .

Además , los cambios en temperatura afectan a la longitud de onda emitida por el diodo láser . Este cambio se ilustra en la figura 6.27. , y se compone de dos partes :

     1. Un aumento gradual de la longitud de onda emitida proporcional al aumento de temperatura , hasta que :  
     2. Se produce un salto a otro modo longitudinal de emisión


.o. versus temperatura

Figura 6.27: cambio de la longitud de onda emitida en función de la temperatura

Debido a estas variaciones con la temperatura , se necesitan diseños especiales para poder conseguir una emisión continua de alta potencia.

Confinamiento de la luz dentro de la zona activa

Un factor importante en la construcción de un diodo láser es el confinamiento de la luz dentro del área activa . Dicho confinamiento se acompaña por la deposición de distintos materiales cerca de la zona activa . En consecuencia , la primera clasificación de los láseres de diodo considera los tipos de estructura cercanos a la zona activa (ver fig. 6.28)

El nombre de cada grupo o familia viene dado por el tipo de materiales existentes cerca de la capa activa :

Homojunction laser - Láser de unión homogénea - Todo el láser está constituido por un mismo material , normalmente  GaAs - Arsenuro de Galio . En este tipo de estructura simple , los fotones emitidos no están confinados en direcciones perpendiculares al eje del láser , con lo que su eficiencia es muy baja .

Single Heterostructure - Estructura heterogénea simple - En un lado de la capa activa existe otro material con una brecha de energía diferente . Esta diversidad de brechas de energía motiva un cambio en el índice de refracción de los materiales , de modo que se pueden construir estructuras en guía de ondas que confinan a los fotones en un área determinada . Normalmente , la segunda capa es de un material similar al de la primera , solo que con un índice de refracción menor .

Ejemplo: El GaAs - Arsenuro de Galio - y el GaAlAs - Arsenuro de Galio Aluminio - son materiales próximos utilizados habitualmente .

Double Heterostructure - Estructura heterogénea doble - Un material distinto se coloca a ambos lados de la capa activa , con un índice de refracción menor (mayor brecha de energía) . Este tipo de estructuras confinan la luz dentro de la capa activa , por lo que son más eficientes .

Ejemplo: Capa activa de GaAs confinada entre dos capas de GaAlAs. 

Distintas Estructuras de los Diodos Láser 

Hoy en día una estructura habitual es una tira estrecha de la capa activa ( Stripe Geometry - Geometría en tiras ), confinada por todos los lados ( tanto por los lados como por arriba y abajo ) con otro material . Esta familia de láseres se denomina Index Guided Lasers - Láseres orientados al índice

En la figura 6.28 se detallan distintas estructuras de confinamiento utilizadas . Ejemplos de distintas estructuras

Figura 6.28: Ejemplos de distintos tipos de estructura de confinamiento

Diodos Láser orientado a Ganancia - Gain Guided 

Aislando los electrodos metálicos en las partes superior e inferior , se limita la zona por donde pasa la corriente . Como resultado , la inversión de población sólo tiene lugar en la zona específica por donde pasa la corriente .

Un ejemplo está en la figura 6-28 (última figura) , en donde un electrodo de tira delgada se sobrepone al material láser . La corriente limita el área en la zona activa en donde puede existir el efecto de amplificación , y ésta sólo podrá existir en ésta zona .

Las ventajas de este tipo de láseres de diodo son :
  1.Fáciles de producir
2.Es relativamente fácil conseguir una potencia alta , ya que al aumentar la corriente aumenta la zona activa

Las desventajas son :
  1.La calidad del haz obtenido es menor que con los orientados al índice . 
  2.Es más difícil conseguir una emisión estable en frecuencia simple .
 

Monturas de los Láser de Diodo

 

Se requieren monturas especiales para los láseres de diodo , debido a su tamaño miniaturizado , para poder ser operativos y cómodos. Existen muchos tipos de monturas , pero quizás el más estándar es similar a un transistor , e incluye en la montura las ópticas necesarias para colimar el haz (ver figura 6.29)

 

 Laser de diodo comercial

Figura 6.29a: Montura de un láser de diodo comercial

 Sección

Figura 6.29b: Sección perpendicular

Para poder obtener más potencia de los láseres de diodo , se han desarrollado matrices de diodos láser , que emiten sincronizadamente , y que están ópticamente acoplados , de modo que se alcanzan las décimas de vatio .
 

Ventajas de los diodos láser
 

    • Son muy eficientes ( más del 20% de la energía suministrada se consigue en forma de radiación láser )
    • Son muy fiables
    • Tienen vidas medias muy largas ( ¡ estimadas en más de 100 años de operación continuada ! ). 
    • Son muy baratos ( se construyen con técnicas de producción en masa utilizadas en la industria electrónica )

    • Permiten la modulación directa de la radiación emitida , simplemente controlando la corriente eléctrica a través de la unión p-n . La radiación emitida es función lineal de la corriente , pudiéndose modular a décimas de GHz.

La cavidad óptica más simple es la creada al pulir los extremos del cristal de semiconductor del que se compone el láser. El pulido crea un plano perpendicular al plano del medio activo , de modo que es perpendicular al eje del láser.

Debido al alto índice de refracción (n» 3.6) de los materiales utilizados , la reflexión de la cara pulida es de aproximadamente el 30%. Es posible cambiar esta reflexión utilizando técnicas de metalizado en capas . Un tipo de capa es el 100% reflectante en uno de los lados del diodo láser .

En algún tipo de láser , las pérdidas que atraviesan la capa trasera son utilizadas para controlar la potencia emitida por la parte delantera , obteniéndose una retro-alimentación en tiempo real .

Un tipo distinto y más complicado puede fabricarse integrando una red de difracción cerca de la capa activa del láser. Existen dos tipos de estructura que utilizan redes de difracción en vez de capa espejada en un extremo de la cavidad ( ver figura 6.30 ) :

1.DFB = Distributed FeedBack Laser - - Retroalimentación distribuida - la red de difracción se distribuye a lo largo de todo el medio activo . La longitud de onda de la red determina la longitud de onda emitida por el láser , en una línea muy fina del espectro.

2.DBR = Distributed Bragg Reflector - Reflector de Bragg distribuido - la red de difracción está fuera de la zona activa , en donde no circula corriente ( parte pasiva de la cavidad )

Cavidades ópticas especiales

Figura 6.30: Cavidades ópticas especiales utilizadas para obtener líneas de emisión estrechas

Diodos láser Acoplados

Existen también estructuras especiales en donde dos láseres se acoplan ópticamente . La radiación emitida por el primer láser es transferida al segundo , que es controlado por otra fuente de alimentación . Un ejemplo puede verse en la figura 6.31

Acoplamiento óptico

Figura 6.31: Láser de diodo con acoplamiento óptico

Artículo original de D. José M. Iglesias Guía Laser En Línea
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