TIPOS DE LÁSER
DIGRESION. Fue Einstein-1905 quien determinó la teoría de los cuantos de luz. Se combinaba de esta forma las teorías de partículas de Newton y las ondas de Huygens. Compton-1923 llamó a las partículas fotones. El mismo año De Broglie determinó teóricamente que toda partícula tiene asociada una onda. Se trata de la dualidad onda-partícula de la teoría cuántica, completada por Schrödinger y Heisenberg-1926. C.Townes y A.Prójorov-1953 independientemente propusieron el Máser (amplificador de micro-ondas) trabajando sobre una molécula de Amoníaco a 24 GHz. Los emisores Láser fueron sugeridos por Schawlow y Townes-1958 como una extensión del Máser y aplicado por Maiman-1960 con el Láser de Ruby. No fue hasta una década después que los Láser semiconductores estuvieron listos.
1-Láser de franja aislado por óxido. Consiste en una estructura múltiple de capas donde el contacto metálico superior se encuentra aislado por SiO2 o Al2O3. Este contacto con el semiconductor ocupa una franja de 3 a 20 µm de ancho y se extiende a lo largo de la cavidad. La corriente circula desde esta franja hacia el contacto de la base, dispersándose. Se requiere un alto confinamiento para producir una elevada concentración de fotones y lograr la emisión estimulada. El alto índice de refracción del semiconductor asegura una reflexión del 30% en los extremos lo que es suficiente para asegurar la realimentación interna y mantener la emisión estimulada. La emisión de luz es a lo largo de la juntura (emisión axial).
2-Láser de franja aislado por protón. Para lograr un efecto de circulación de corriente similar al caso anterior se bombardea con protones de alta energía la superficie del material, protegiendo la franja activa con una máscara. Los protones incrementan la resistividad del semiconductor. Esta técnica es más precisa y mejora el resultado respecto a la anterior.
3-Láser con sustrato en canal. En este caso se crea un canal en el sustrato que por el salto de índice de refracción confina la zona de emisión.
4-Láser con ranura de Bragg. En esta técnica la realimentación se provee por la perturbación periódica geométrica a lo largo de la cavidad, perdiendo importancia la reflectividad en las caras. El período de las ranuras es T=λ/2.n. La longitud de onda λ se toma en el vacío y n es el índice de refracción. Con n=3,6 y λ=800 nm se tiene un valor de T=111 nm. Estas ranuras actúan como espejos para la longitud de onda calculada y son transparentes para las demás. Puede pensarse en dos tipos de estructuras: DFB (Distributed Feed Back) con ranuras en la zona activa y DBR (Distributed Bragg Reflector) con ranuras fuera de ella. El DFB es usado actualmente en sistemas de alta velocidad.
5-Láser con barrera heteroestructura. Aquí se crean dos barreras con salto de índice: una para el confinamiento transverso horizontal (estructura enterrada) y otra para un confinamiento transverso vertical.
CARACTERÍSTICAS DE LOS EMISORES
La característica más interesante de los emisores es la transferencia entre la corriente eléctrica de alimentación y la potencia óptica de salida. Popt vs I se muestra en la Fig 04 y se distinguen diferencias para los Led y Láser. Mientras en el Led la característica es casi lineal desde el origen, en los Láser se tiene una quebradura de la curva.
La Popt es reducida mientras la I no es suficiente para lograr la densidad de portadores necesarios para la emisión estimulada. Más allá de un valor de I denominado corriente umbral Ith se logra la emisión estimulada y la Popt aumenta rápidamente. La Ith se define como la I obtenida por la prolongación de una recta imaginaria proveniente de la linealización de la curva hasta el eje. Cuando la I es inferior a la Ith no existe emisión estimulada sólo hay la emisión espontánea como en el Led; cuando I es superior a Ith existe emisión estimulada.
Para valores muy elevados de corriente I se produce una oscilación regenerativa que aplana la curva. El Láser se usará con I mayores a Ith y antes de la zona de oscilación, es decir en la zona recta. En los Láser se produce un corrimiento de la curva con el incremento de la temperatura y con el envejecimiento del componente. El incremento es exponencial:
Ith2 = Ith1.exp(T2-T1/T0)
El valor de T0 para los Láser de AsGaAl está comprendido entre 150 y 250 °C y para los de PAsInGa entre 50 y 70 °C. El valor de T es la temperatura de juntura. Esto corresponde a un incremento de la corriente umbral de 0,6 a 1%/°C y de 1,2 a 2 %/°C respectivamente. La elevada sensibilidad a la temperatura se debe al incremento de las recombinaciones no radiactivas entre bandas del semiconductor. Este corrimiento de las curvas implica que con variaciones de temperatura se produce, a corriente constante, una variación de la potencia de salida, lo cual debe evitarse. Este aspecto será ampliado al estudiar la polarización de los emisores.
PROPIEDADES MODALES DE EMISIÓN.
La cavidad emisora tiene modos de resonancia que actúan sobre la salida de la radiación. Hay modos longitudinales (modo de resonancia a lo largo de la cavidad) y transversales (modo de resonancia vertical u horizontal de una cara de la cavidad). Los primeros dan lugar al espectro de emisión, es decir a la densidad de potencia Popt en función de la longitud de onda. Los segundos dan lugar al patrón del campo emitido. El campo de emisión se descompone en un campo cercano y uno lejano, éste se forma por la difracción de aquél. El campo lejano se aproxima a una función lambertiana:
Popt = Pop max . (cos(|>)M donde Popt max es el valor máximo de la potencia óptica emitida y ty es el ángulo respecto del valor de máxima emisión. El campo cercano y lejano sufren astigmatismo, por lo que son elípticos y perpendiculares entre sí.
El espectro de emisión está relacionado con los modos longitudinales. Como se ve en la Fig 04 los modos longitudinales están separados por un valor AA,. El ancho espectral de emisión de AX se mide a la mitad de potencia óptica máxima (RMS) para emisores multimodo y a -20 dB para monomodo. Este valor entiende en el problema de la dispersión cromática de las fibras ópticas monomodo. En general los emisores Led tienen ancho espectral elevado frente al Láser. Por otro lado, la segunda ventaja tiene ancho espectral mayor que la primera. Los valores están cercanos a 50 y 100 nm para Led de 0,85 y 1,3 µm y entre 0,1 y 5 nm para el Láser.
FABRICACIÓN DE LOS EMISORES
Los emisores se fabrican por métodos físicos o químicos. Entre los métodos químicos se distinguen la epitaxis en fase sólida, líquida o gaseosa. El crecimiento del semiconductor debe ser controlado para que las diferentes capas estén libres de defectos y dislocaciones, manteniendo la red cristalina constante. Es importante que el parámetro de la red y el coeficiente de dilatación térmica sean lo más parecido posibles entre capas.
Los métodos más interesantes son el crecimiento epitaxial en fase líquida y de vapor, LPE y VPE respectivamente. En el crecimiento en fase líquida los semiconductores se colocan en recipientes deslizables a una temperatura cercana a 800°C. Debajo se coloca el sustrato de forma que el recipiente que esté en contacto con el sustrato crea una capa de material dejándose para ello reaccionar hasta el equilibrio superficial. Al disminuir la temperatura se deposita la capa de material. La temperatura y el tiempo de reacción controlan la profundidad de la capa.
En la epitaxis en fase de vapor (algunas veces llamada metal-orgánico MOCVD) se transporta al semiconductor en una corriente de H 2 . Para alcanzar la temperatura de reacción se usa un calefactor de radiofrecuencia. Este método es más delicado y peligroso pero obtiene un mejor control sobre la zona de deposición.
Los factores que evitan defectos cristalinos y minimizan las emisiones mecánicas que producen absorción son:
-la elección del sustrato con pocas dislocaciones,
-el cuidado para evitar fracturas durante el crecimiento,
-evitar la contaminación con oxígeno y
-emplear un metal blando (In) para soldadura al disipador.
MECANISMOS DE DEGRADACIÓN
Las características de los emisores son: ópticas, eléctricas, térmicas, dinámicas y de ruido. Dichas características sufren una degradación con el paso del tiempo. Las degradaciones pueden clasificarse en:
-Estáticas: degradación de la características I vs V y de la características ópticas: modal (Popt vs X) y de salida (Popt vs I) -Dinámicas: degradación Químicas (gradual por absorción y oxidación) y Metalúrgicas (abruptas por dislocación y fractura)
Una causa se debe a la degradación del contacto metal-semiconductor. Para mejorar la performance se difunde Zn en el contacto. La degradación de la cara óptica de emisión se debe a la oxidación parcial y al deterioro. La misma se incrementa con la potencia de salida. La degradación gradual se manifiesta como una reducción de la eficiencia cuántica externa. Se suelen producir centros de absorción y recombinación no radiactiva en la región activa del Láser. Aparece con las dislocaciones e impurezas en la juntura.
La degradación catastrófica ocurre cuando la cara del Láser queda sometida a campos ópticos intensos, lo cual produce 62 deformaciones permanentes en la red cristalina mediante dislocaciones. En general ocurre cuando se superan los 10 w/cm .
Depende del producto entre la potencia óptica y el tiempo de aplicación. Un Láser usado en potencia pulsante soporta una
mayor potencia pico. A la cara emisora se la cuida con una capa de alúmina de espesor de un cuarto de la longitud de onda
que impide la degradación catastrófica, aumentando la potencia de pico en 1,5 a 2 veces.
El tiempo de vida del emisor se define como: a) tiempo hasta que la potencia cae a la mitad conservando la corriente constante o b) tiempo hasta que el aumento de la corriente no puede mantener el nivel de salida constante. El caso a) determina valores superiores al b) ya que en éste se acelera la degradación.
Para los Láser los test de vida acelerados (ciclo térmico) muestran una degradación de la forma:
P = Po . exp (-ßt)
donde Po es la potencia de emisión inicial y P el valor luego de un tiempo t en horas. El valor de ß es cercano a 10-5/hs para 150 °C y 10-7/hs para 50 °C, indicados para una temperatura de juntura en °C.
Como la temperatura de juntura de los semiconductores para la segunda ventana (longitudes de onda larga) es inferior a la primer ventana se espera un tiempo de vida superior en aquélla. Por ejemplo: un Láser en 0,85 µm tiene un tiempo de vida medio de 104 hs con T=100 °C y 102 hs con T=200 °C. Estos valores se incrementan en la segunda ventana en 1,3 µm. Los emisores Led tienen un tiempo de vida superior al Láser: 106 hs para T=100 °C y 104 hs con T=200 °C.
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