Un láser de pozo cuántico es un diodo láser en el que la región activa del dispositivo es tan estrecha que se produce un confinamiento cuántico . Los diodos láser se forman en materiales semiconductores compuestos que (muy a diferencia del silicio ) pueden emitir luz de manera eficiente. La longitud de onda de la luz emitida por un láser de pozo cuántico está determinada por el ancho de la región activa y no solo por la banda prohibida de los materiales con los que está construido. [1] Esto significa que se pueden obtener longitudes de onda mucho más cortas a partir de láseres de pozo cuántico que a partir de diodos láser convencionales utilizando un material semiconductor particular. La eficiencia de un láser de pozo cuántico también es mayor que la de un diodo láser convencional debido a la forma gradual de su función de densidad de estados .
En 1972, Charles H. Henry , físico y recién nombrado Jefe del Departamento de Investigación de Electrónica de Semiconductores de los Laboratorios Bell , tenía un gran interés en el tema de la óptica integrada, la fabricación de circuitos ópticos en los que la luz viaja en guías de ondas.
Más tarde ese año, mientras reflexionaba sobre la física de las guías de ondas, Henry tuvo una idea profunda. Se dio cuenta de que una doble heteroestructura no sólo es una guía de ondas para las ondas de luz, sino también para las ondas de electrones. Henry se basaba en los principios de la mecánica cuántica, según los cuales los electrones se comportan como partículas y como ondas. Percibió una completa analogía entre el confinamiento de la luz por una guía de ondas y el confinamiento de los electrones por el pozo de potencial que se forma a partir de la diferencia de bandas prohibidas en una doble heteroestructura .
CH Henry se dio cuenta de que, así como existen modos discretos en los que la luz viaja dentro de una guía de ondas, debería haber modos discretos de función de onda de electrones en el pozo de potencial, cada uno con un nivel de energía único. Su estimación mostró que si la capa activa de la heteroestructura es tan delgada como varias decenas de nanómetros, los niveles de energía de los electrones se dividirían en decenas de milielectrones voltios. Esta cantidad de división del nivel de energía es observable. La estructura que analizó Henry se llama hoy " pozo cuántico ".
Henry procedió a calcular cómo esta "cuantización" (es decir, la existencia de funciones de onda de electrones discretos y niveles de energía de electrones discretos) alteraría las propiedades de absorción óptica (el "borde" de absorción) de estos semiconductores. Se dio cuenta de que, en lugar de que la absorción óptica aumentara suavemente como ocurre en los semiconductores ordinarios, la absorción de una heteroestructura delgada (cuando se representa frente a la energía del fotón) aparecería como una serie de pasos.
Además de las contribuciones de Henry, el pozo cuántico (que es un tipo de láser de doble heteroestructura) fue propuesto por primera vez en 1963 por Herbert Kroemer en Proceedings of the IEEE [2] y simultáneamente (en 1963) en la URSS por Zh. I. Alferov y RF Kazarinov. [3] Alferov y Kroemer compartieron el Premio Nobel en 2000 por su trabajo en heteroestructuras de semiconductores. [4]
A principios de 1973, Henry propuso a Raymond Dingle, [5] un físico de su departamento, que buscara estos pasos predichos. Las heteroestructuras muy delgadas fueron creadas por W. Wiegmann utilizando epitaxia de haces moleculares . El espectacular efecto de los pasos se observó en el experimento siguiente, publicado en 1974. [6]
Después de que este experimento mostrara la realidad de los niveles de energía predichos para los pozos cuánticos, Henry intentó pensar en una aplicación. Se dio cuenta de que la estructura del pozo cuántico alteraría la densidad de estados del semiconductor y daría como resultado un láser semiconductor mejorado que requeriría menos electrones y agujeros de electrones para alcanzar el umbral del láser. Además, se dio cuenta de que la longitud de onda del láser se podía cambiar simplemente cambiando el espesor de las delgadas capas del pozo cuántico , mientras que en el láser convencional un cambio en la longitud de onda requiere un cambio en la composición de la capa. Un láser así, razonó, tendría características de rendimiento superiores en comparación con los láseres estándar de doble heteroestructura que se fabricaban en ese momento.
Dingle y Henry recibieron una patente sobre este nuevo tipo de láser semiconductor que comprende un par de capas de banda prohibida ancha que tienen una región activa intercalada entre ellas, en la que "las capas activas son lo suficientemente delgadas (por ejemplo, alrededor de 1 a 50 nanómetros) para separar la energía cuántica". niveles de electrones confinados en ellos. Estos láseres exhiben sintonizabilidad de longitud de onda al cambiar el espesor de las capas activas. También se describe la posibilidad de reducciones de umbral resultantes de la modificación de la densidad de los estados de los electrones. La patente se emitió el 21 de septiembre de 1976 y se titula "Efectos cuánticos en láseres de heteroestructura", patente estadounidense nº 3.982.207. [7]
Los láseres de pozo cuántico requieren menos electrones y huecos para alcanzar el umbral que los láseres convencionales de doble heteroestructura . Un láser de pozo cuántico bien diseñado puede tener un umbral de corriente extremadamente bajo.
Además, dado que la eficiencia cuántica (fotones que salen por electrones que entran) está limitada en gran medida por la absorción óptica por parte de los electrones y los huecos, se pueden lograr eficiencias cuánticas muy altas con el láser de pozo cuántico.
Para compensar la reducción del espesor de la capa activa, a menudo se utiliza un pequeño número de pozos cuánticos idénticos. Esto se llama láser de pozos múltiples cuánticos.
Si bien el término "láser de pozo cuántico" fue acuñado a finales de la década de 1970 por Nick Holonyak y sus estudiantes de la Universidad de Illinois en Urbana Champaign , la primera observación del funcionamiento del láser de pozo cuántico se realizó [8] en 1975 en los Laboratorios Bell . [1] El primer láser de pozo cuántico de "inyección" bombeado eléctricamente fue observado [9] por P. Daniel Dapkus y Russell D. Dupuis de Rockwell International , en colaboración con el grupo de la Universidad de Illinois en Urbana Champaign (Holonyak) en 1977. Para entonces, Dapkus y Dupuis habían sido pioneros en la técnica de epitaxia metalorgánica en fase de vapor MOVPE (también conocida como OMCVD, OMVPE y MOCVD) para fabricar capas semiconductoras. La técnica MOVPE, en ese momento, proporcionó una eficiencia radiativa superior en comparación con la epitaxia de haz molecular (MBE) utilizada por Bell Labs. Sin embargo, más tarde, Won T. Tsang, de los Laboratorios Bell, logró utilizar técnicas MBE a finales de los años 1970 y principios de los 1980 para demostrar mejoras espectaculares en el rendimiento de los láseres de pozos cuánticos. Tsang demostró que, cuando se optimizan los pozos cuánticos, tienen un umbral de corriente extremadamente bajo y una eficiencia muy alta para convertir la entrada de corriente en salida de luz, lo que los hace ideales para un uso generalizado.
La demostración original de 1975 de láseres de pozo cuántico bombeados ópticamente tenía una densidad de potencia umbral de 35 kW/cm 2 . Finalmente, se descubrió que el umbral práctico más bajo de densidad de corriente en cualquier láser de pozo cuántico es de 40 amperios/cm 2 , una reducción de aproximadamente 1.000x. [10] [ se necesita cita completa ]
Se ha realizado un extenso trabajo con láseres de pozos cuánticos basados en obleas de arseniuro de galio y fosfuro de indio . Hoy, sin embargo, los láseres que utilizan pozos cuánticos y los modos de electrones discretos investigados por CH Henry a principios de la década de 1970, fabricados mediante técnicas MOVPE y MBE, se producen en una variedad de longitudes de onda desde el ultravioleta hasta el régimen THz. Los láseres de longitud de onda más corta se basan en materiales a base de nitruro de galio . Los láseres de longitud de onda más larga se basan en el diseño de láser de cascada cuántica .
Henry cuenta con más detalle la historia del origen del concepto de pozo cuántico, su verificación experimental y la invención del láser de pozo cuántico en el prólogo de "Quantum Well Lasers", ed. por Peter S. Zory, Jr. [1]
Los láseres de pozo cuántico son importantes porque son el elemento activo básico (fuente de luz láser) de la columna vertebral de comunicación de fibra óptica de Internet . [ cita necesaria ] Los primeros trabajos sobre estos láseres se centraron en pozos a base de arseniuro de galio GaAs delimitados por paredes de Al-GaAs, pero las longitudes de onda transmitidas por fibras ópticas se logran mejor con paredes de fosfuro de indio con pozos a base de fosfuro de arseniuro de indio y galio . La cuestión práctica central de las fuentes de luz enterradas en cables es su vida útil hasta que se queman. El tiempo medio de agotamiento de los primeros láseres de pozos cuánticos era inferior a un segundo, por lo que muchos de los primeros éxitos científicos se lograron utilizando láseres raros con tiempos de agotamiento de días o semanas. [ cita necesaria ] Lucent (una empresa derivada de Bell Laboratories ) logró el éxito comercial a principios de la década de 1990 con el control de calidad de la producción de láser de pozo cuántico mediante epitaxia metalorgánica en fase de vapor MOVPE , como lo hizo Joanna ( Joka) María Vandenberg . Su control de calidad produjo diodos láser de comunicaciones con tiempos de agotamiento promedio superiores a 25 años. [ cita necesaria ]
Múltiples diodos de nitruro Quantum Well III presentan una región superpuesta entre las longitudes de onda que emiten y detectan. Esto les permite usarse simultáneamente como transmisor y receptor para crear un enlace de comunicación multicanal por aire a través de una única ruta óptica. [11]
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