Emisores
Láser
Emisión estimulada, resonador Fabry-Pérot y curva P-I
Idea clave. El láser cambia la emisión espontánea del LED por emisión estimulada: cada fotón provoca otro idéntico, así que la luz sale en fase, estrecha y en una sola dirección. Para conseguirlo hacen falta tres cosas: un medio activo con inversión de población, una fuente de energía y un resonador (dos espejos) que realimente la luz.
Emisión espontánea y estimulada
Cuando un electrón excitado baja de nivel, suelta un fotón con la diferencia de energía. Hay dos formas:
- Espontánea: el electrón baja cuando quiere. Cada fotón sale con su propia fase y en cualquier dirección: luz incoherente y difusa. Es la del LED.
- Estimulada: un fotón que pasa cerca de un electrón excitado lo hace bajar, y el fotón nuevo es una copia del que lo provocó: misma energía (λ), misma fase, misma polarización y misma dirección. Es el proceso contrario a la absorción. Solo la emisión estimulada produce luz coherente.
Inversión de población
En un material normal hay más electrones abajo que arriba, así que la absorción gana a la emisión estimulada. Para que gane la emisión hay que conseguir inversión de población: más electrones en el nivel excitado que en el fundamental.
Para eso hacen falta al menos tres niveles de energía. Se bombea energía para subir los electrones al nivel más alto; de ahí caen a un nivel intermedio metaestable, donde se quedan mucho tiempo (del orden de microsegundos o más). Así se acumulan muchos electrones en ese nivel y, cuando bajan a la vez estimulados, sueltan muchos fotones idénticos. Cuanto más dura el nivel metaestable, más monocromático y coherente es el láser.
En un láser de semiconductor no hay niveles sino bandas, y no hay nivel metaestable: los electrones se acumulan en la banda de conducción, bombeados con la corriente en polarización directa.
Las tres piezas de un láser
- Medio activo (con ganancia): amplifica la luz por emisión estimulada. En comunicaciones, un diodo semiconductor.
- Fuente de energía (bombeo): en comunicaciones, la corriente eléctrica.
- Resonador óptico: dos espejos que devuelven la luz al medio activo una y otra vez (realimentación), para que la emisión estimulada se mantenga.
Por eso se suele decir que un láser de semiconductor es un LED con espejos. Los espejos no son perfectos a propósito: uno refleja lo más cerca posible del 100 % y el otro en torno al 99 %, para que por él salga el haz.
El resonador Fabry-Pérot
Un Fabry-Pérot (FP) es una cavidad formada por dos espejos planoparalelos. Los espejos son dieléctricos (no metálicos), con reflectividades por encima del 99 %. En los láseres de comunicaciones las propias caras del semiconductor hacen de espejo (el GaAs tiene un índice ≈ 3,5, así que refleja una parte grande de la luz).
Tiene dos usos:
- Como interferómetro: la luz que entra rebota muchísimas veces e interfiere consigo misma. Solo sobreviven las longitudes de onda en fase (interferencia constructiva): funciona como un analizador espectral, que separa la luz en sus componentes.
- Como resonador de un láser: alrededor del medio activo, se queda con las componentes que resuenan y hace la luz más coherente. La λ del láser tiene que coincidir con una resonancia de la cavidad: los modos longitudinales. Los modos transversales se eliminan con los espejos.
¿Por qué aumenta la coherencia? Con tantos rebotes, el recorrido efectivo de la luz se multiplica enormemente, y en un recorrido tan largo solo sobreviven las ondas en fase. Pasa algo parecido con la luz de las estrellas: tras una distancia enorme, es muy coherente.
Un FP deja pasar varios modos longitudinales: es un láser multimodo, con una anchura espectral de unos 4 nm. Para DWDM hacen falta láseres monomodo (DFB, DBR), que se ven en el tema siguiente.
Q, fineza y rango espectral libre
La calidad del Fabry-Pérot se resume en su factor Q. Q es mayor cuanto mejores son:
- la reflectividad de los espejos;
- la calidad óptica de los espejos (lisos y bien pulidos);
- el alineamiento (que sean bien paralelos);
- la distancia entre los espejos.
Un Q alto implica una fineza alta. Los picos de transmisión se describen con:
- Rango espectral libre (FSR): la separación entre dos picos (dos anillos) consecutivos.
- Fineza: el rango espectral libre dividido entre la anchura de cada pico a media altura. Cuanto más finos los picos, más fineza.
Interesa maximizar los dos, lo que exige la máxima reflectividad, la mejor calidad óptica y el mejor alineamiento posibles. Con un FP malo los picos son anchos y caen despacio.
Como orden de magnitud: un resonador de alta calidad tiene un Q de unos 100 000; el Fabry-Pérot de un láser de comunicaciones, de unos 1000 (bajo).
La curva P-I
Práctica 5 (Caracterización espectral de fuentes) · conviene dominarlo
El funcionamiento de un láser se resume en su curva P-I: potencia óptica frente a corriente.
- Por debajo de la corriente umbral () domina la emisión espontánea: el láser se comporta como un LED, con poca luz y sin coherencia.
- Por encima del umbral domina la emisión estimulada: la potencia crece deprisa (casi linealmente con la corriente, hasta cierto punto). Ahí es un láser.
La temperatura
La temperatura es el gran enemigo del láser:
- La corriente umbral crece exponencialmente con la temperatura: más temperatura, más colisiones de los portadores y más energía perdida como calor.
- Por encima de ≈ 50 °C la emisión láser se degrada rápidamente.
- Al calentarse, la cavidad se dilata: el láser se hace «más grande», su λ aumenta (se va hacia el infrarrojo) y cambian sus modos.
Por eso los láseres de comunicaciones se refrigeran con enfriadores Peltier, que convierten una corriente eléctrica en una diferencia de temperatura, y se estabilizan para que su λ no se mueva.
La luz de un láser
Espectral: estrecha
Es luz muy monocromática: un láser monomodo como el DFB baja de 1 nm, unas 50 veces más estrecho que un LED. Eso permite usarlo en sistemas multiplexados y con fibras monomodo. Un FP multimodo, en cambio, ocupa unos 4 nm.
Espacial: un cono estrecho
El láser tiene coherencia espacial: su emisión se concentra en un cono estrecho, así que se acopla a la fibra mucho mejor que un LED. Aun así, como la región activa es muy delgada, el haz diverge más que en otros tipos de láser.
Temporal: coherente
La luz láser es coherente: todos los fotones van en fase. Por eso, ante cualquier defecto o alteración del medio produce interferencias que se ven como un moteado (speckle). Y como hay información de fase, resiste mejor el ruido shot: la señal se puede reconstruir con técnicas de detección coherente.
Se conecta con
- 11Amplificadores ópticosEl EDFA amplifica por emisión estimulada de los iones de erbio, excitados por el láser de bombeo.
- 06LEDEl LED emite de forma espontánea; el láser, estimulada: por eso el láser es mucho más estrecho y coherente.
- 08Láser monomodo, modulación y ruidoEl Fabry-Pérot oscila en varios modos (unos 4 nm); el DFB y el DBR filtran uno solo.
Preguntas de examen
Describe las características espectrales, espaciales y temporales de la luz emitida por un láser de semiconductor.
- Espectrales: muy monocromática, por debajo de 1 nm en un láser monomodo (unas 50 veces más que un LED). Sirve para sistemas multiplexados y fibras monomodo.
- Espaciales: coherencia espacial: la emisión se concentra en un cono estrecho y se acopla a la fibra mucho mejor que la de un LED. Como la región activa es muy delgada, el haz diverge más que en otros láseres.
- Temporales: luz coherente: todos los fotones en fase (solo la emisión estimulada la produce). Ante defectos del medio aparece el moteado (speckle). Al tener información de fase resiste mejor el ruido shot.
Explica el funcionamiento y las aplicaciones de los interferómetros (resonadores) Fabry-Pérot.
Un Fabry-Pérot es una cavidad resonante formada por dos espejos paralelos (dieléctricos, con reflectividades por encima del 99 %). Tiene dos usos:
- Como interferómetro: la luz que se introduce interfiere consigo misma tras muchas reflexiones: funciona como analizador espectral.
- Como resonador de un láser: rodeando el medio activo, se queda con las λ que resuenan (modos longitudinales) y hace la luz más coherente. Como deja pasar varios modos, para DWDM hacen falta láseres monomodo (DFB o DBR).
¿Por qué aumenta la coherencia? Con las múltiples reflexiones el recorrido efectivo se multiplica y solo sobreviven las interferencias constructivas: lo que está en fase.
Variables que lo definen. El factor Q, que crece con la reflectividad, la calidad óptica (pulido) y el alineamiento de los espejos, y depende de la distancia entre ellos. Un Q alto implica una fineza alta. La fineza es el rango espectral libre (separación entre picos) dividido entre la anchura de cada pico a media altura. Interesa maximizar los dos.
¿Qué hace falta para construir un láser y qué es la inversión de población?
Tres piezas: un medio activo con ganancia, una fuente de energía (bombeo; en comunicaciones, corriente eléctrica) y un resonador (dos espejos) que realimente la luz.
La inversión de población es tener más electrones en el nivel excitado que en el inferior, para que la emisión estimulada gane a la absorción. Exige al menos tres niveles de energía, con el intermedio metaestable (vida media larga) para que se acumulen electrones y se desexciten a la vez. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Dibuja la curva P-I de un láser y explica cómo le afecta la temperatura.
La potencia óptica es muy baja hasta la corriente umbral: ahí domina la emisión espontánea y el láser actúa como un LED. Por encima del umbral domina la emisión estimulada y la potencia sube deprisa, casi linealmente con la corriente.
Al subir la temperatura, el umbral crece exponencialmente (más colisiones, más pérdidas como calor), la cavidad se dilata (λ mayor) y por encima de ≈ 50 °C la emisión se degrada. Por eso los láseres de comunicaciones se refrigeran con enfriadores Peltier. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
¿Qué diferencia hay entre la emisión espontánea y la estimulada?
En la espontánea el electrón excitado baja cuando quiere y el fotón sale con fase y dirección al azar: luz incoherente (LED). En la estimulada un fotón provoca la bajada y el fotón nuevo es una copia exacta (misma energía, fase, polarización y dirección): luz coherente (láser). (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Material del curso usado: Apuntes de clase (Javier) · Apuntes de Miguel · Comunicaciones Ópticas (PDF de clase), §5.2 · T22 – Emisores ópticos láser.