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 (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 en lugar de solo por la banda prohibida de los materiales a partir de los cuales 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 que utilizan 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 escalonada 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 profunda intuición. Se dio cuenta de que una doble heteroestructura no es sólo una guía de ondas para las ondas de luz, sino también para las ondas de electrones. Henry se basó en los principios de la mecánica cuántica, según los cuales los electrones se comportan tanto como partículas como como ondas. Percibió una analogía completa 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 cálculo 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 milielectronvoltios. Esta cantidad de división de niveles de energía es observable. La estructura que analizó Henry se llama hoy " pozo cuántico ".
Henry procedió a calcular cómo esta "cuantificación" (es decir, la existencia de funciones de onda electrónicas discretas y niveles de energía electrónica 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 gráficamente en función de 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 un 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 haz molecular . El efecto dramático de los pasos se observó en el experimento subsiguiente, publicado en 1974. [6]
Después de que este experimento demostrara la realidad de los niveles de energía previstos en el pozo cuántico, Henry trató de 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 huecos de electrones para alcanzar el umbral láser. Además, se dio cuenta de que la longitud de onda del láser se podía cambiar simplemente modificando el espesor de las capas delgadas del pozo cuántico , mientras que en el láser convencional un cambio en la longitud de onda requiere un cambio en la composición de las capas. Un láser de este tipo, razonó, tendría características de rendimiento superiores en comparación con los láseres de doble heteroestructura estándar que se fabricaban en ese momento.
Dingle y Henry recibieron una patente para este nuevo tipo de láser semiconductor que comprende un par de capas de banda ancha que tienen una región activa intercalada entre ellas, en la que "las capas activas son lo suficientemente delgadas (por ejemplo, aproximadamente de 1 a 50 nanómetros) para separar los niveles cuánticos de electrones confinados en ellas. Estos láseres exhiben capacidad de ajuste 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 estados de electrones". La patente se emitió el 21 de septiembre de 1976, titulada "Efectos cuánticos en láseres de heteroestructura", patente estadounidense n.° 3.982.207. [7]
Los láseres de pozo cuántico requieren menos electrones y huecos para alcanzar el umbral que los láseres de doble heteroestructura convencionales . Un láser de pozo cuántico bien diseñado puede tener una corriente de umbral extremadamente baja.
Además, dado que la eficiencia cuántica (fotones salientes por electrones entrantes) está limitada en gran medida por la absorción óptica 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, se suele utilizar un pequeño número de pozos cuánticos idénticos, lo que se denomina láser de pozos cuánticos múltiples.
Aunque el término "láser de pozo cuántico" fue acuñado a finales de los años 1970 por Nick Holonyak y sus estudiantes de la Universidad de Illinois en Urbana Champaign , la primera observación del funcionamiento de un 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 en fase de vapor metalorgánico MOVPE (también conocida como OMCVD, OMVPE y MOCVD) para fabricar capas de semiconductores. La técnica MOVPE, en ese momento, proporcionaba una eficiencia radiativa superior en comparación con la epitaxia de haz molecular (MBE) utilizada por los Laboratorios Bell. Sin embargo, más tarde, Won T. Tsang, de los Laboratorios Bell, logró utilizar técnicas MBE a finales de los años 70 y principios de los 80 para demostrar mejoras espectaculares en el rendimiento de los láseres de pozo cuántico. Tsang demostró que, cuando se optimizan los pozos cuánticos, tienen una corriente de umbral extremadamente baja y una eficiencia muy alta en la conversión de corriente de entrada en luz de salida, 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 la densidad de corriente umbral práctica más baja en cualquier láser de pozo cuántico es de 40 amperios/cm 2 , una reducción de aproximadamente 1000x. [10] [ cita completa requerida ]
Se ha realizado un trabajo extenso sobre láseres de pozo cuántico basados en obleas de arseniuro de galio y fosfuro de indio . Sin embargo, hoy en día, los láseres que utilizan pozos cuánticos y los modos electrónicos 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 que van desde el ultravioleta hasta el régimen de THz. Los láseres de longitud de onda más corta se basan en materiales basados en nitruro de galio . Los láseres de longitud de onda más larga se basan en el diseño de láser de cascada cuántica .
La historia del origen del concepto de pozo cuántico, su verificación experimental y la invención del láser de pozo cuántico la cuenta Henry con más detalle en el prólogo de "Quantum Well Lasers", editado 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 red troncal de comunicaciones de fibra óptica de Internet . [ cita requerida ] Los primeros trabajos sobre estos láseres se centraron en pozos basados en arseniuro de galio y GaAs delimitados por paredes de Al-GaAs, pero las longitudes de onda transmitidas por fibras ópticas se consiguen mejor con paredes de fosfuro de indio con pozos basados en fosfuro de arseniuro de galio e indio . La cuestión práctica central de las fuentes de luz enterradas en cables es su vida útil hasta que se queman. El tiempo medio de quemado de los primeros láseres de pozo cuántico era inferior a un segundo, de modo que muchos de los primeros éxitos científicos se consiguieron utilizando láseres poco comunes con tiempos de quemado de días o semanas. [ cita requerida ] Lucent (una empresa derivada de Bell Laboratories ) logró un éxito comercial a principios de los años 1990 con el control de calidad de la producción de láseres de pozo cuántico mediante epitaxia en fase de vapor metalorgánica MOVPE, como lo hizo Joanna (Joka) Maria Vandenberg utilizando rayos X de alta resolución . Su control de calidad produjo diodos láser de comunicaciones con tiempos de combustión promedio superiores a 25 años. [ cita requerida ]
Los diodos de nitruro de pozo cuántico III múltiples 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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