El Laser de semiconductor

El Laser de semiconductor6.1 INTRODUCCION Los diodos lser constituyen el segundo gran grupo de fuentes de semiconductor empleadas en comunicaciones pticas. Estos dispositivos funcionan como osciladores pticos, donde el mecanismo de amplificacin es debido a la emisin estimulada y la realimentacin viene determinada por la propia estructura del dispositivo.Son en consecuencia fuentes emisoras de luz coherente.CARACTERISTICASPoseen valores de eficiencia cuntica interna muy prximos a la unidad.Permiten velocidades de modulacin muy superiores a la de los LEDs, siendo la nica fuente que puede emplearse a velocidades superiores al Gb/s.Su geometra y caractersticas permiten un acoplo de potencia muy eficiente a fibras monomodo ya que sus patrones de radiacin son mucho ms directivos.CARACTERISTICAS4) Su anchura de lnea en ausencia de modulacin es muy inferior a la de los LEDs y puede ir de algunos nm(3-5) para lseres Fabry-Perot multimodo hasta 100KHz para lseres de cavidad externa.5) Pueden modularse tanto en intensidad como en frecuencia.6.2 Ganancia ptica La ganancia ptica es una propiedad que adquieren los materiales semiconductores cuando en ellos se consigue la situacin de inversin de la poblacin, que permite que se produzca el fenmeno de emisin estimulada, y que ste predomine frente al de emisin espontnea. Para que un material tenga ganancia ptica la densidad de portadores inyectados en la zona activa ha de superar un valor determinado conocido como valor de transparencia. Esto se consigue, por ejemplo, inyectando electrones a una unin pn polarizada en directa.

A la hora de describir la propagacin a travs de un medio con ganancia ptica, es til emplear un ndice de refraccin complejo para caracterizar el medio: [6.4]El campo elctrico o magntico que se propaga a travs del medio: [6.5]

6.3 El lser Fabry-Perot: realimentacin y condicin umbralUn lser es un oscilador ptico formado por un medio amplificador y una estructura que proporciona realimentacin positiva.

El material comprendido entre ambos espejos es el medio amplificador y posee una constante de propagacin

El campo elctrico a la salida de la cavidad Fabry-Perot viene dado por:

[6.9]

La cavidad Fabry-Perot se forma al introducir la heteroestructura entre dos espejos formados al cortar de forma recta y limpia el material a lo largo de los planos de corte de semiconductor.

La reflexin se produce por la discontinuidad entre el medio semiconductor y el aire. La reflectividad de potencia de dicho espejo se puede calcular aplicando las frmulas de Fresnel para incidencia normal.

[6.10]

La direccin en la que se forma la cavidad es paralela al plano de la unin pn y est fsicamente localizada en la zona activa del semiconductor.La inversin de poblacin necesaria en la zona activa se consigue inyectando electrones a la zona activa en direccin perpendicular al plano de la unin pn.Las dimensiones tpicas de la zona activa son, en cuanto a longitud de 100-500 m, en anchura de 5 a 15 m y en grosor de 0.1 a 0.5 m. Por lo tanto, a todos los efectos, puede considerarse una gua de onda dielctrica plana. En concreto, dentro de la estructura existen tres tipos de modos:Modos laterales, que son ondas estacionarias formadas en la coordenadayde la zona activa, determinan la forma y el perfil del campo elctrico en dicha direccin.Modos transversales, que son ondas estacionarias formadas en la coordenadaxde la zona activa, determinan la forma y el perfil del campo elctrico en dicha direccin.Modos longitudinales, son ondas estacionarias formadas en la coordenadazde la zona activa y determinan el espectro de frecuencias emitido por el lser.

Lascondiciones de oscilacindel lser Fabry-Perot se consiguen al forzar el que haya salida en ausencia de seal de entrada a la cavidad, es decir, anulando el denominador de la expresin anterior, con lo que se consigue: [6.11]La parte real nos da la condicin de ganancia umbral requerida para conseguir radiacin lser: [6.12]Parte imaginaria nos da la condicin de fase: [6.13]

A partir de la condicin de fase pueden obtenerse las frecuencias propias de la cavidad Fabry-Perot o modos longitudinales, ya que depende de la frecuencia a travs de la expresin = 2npn/c. As pues las posibles frecuencias de oscilacin de la cavidad vienen dadas por: [6.14]Por lo tanto, las posibles frecuencias son infinitas, y estn separadas entre s una cantidad constante: [6.15]

Teniendo en cuenta [6.16] y [6.18] en [6.14] obtenemos: [6.19] Esta ecuacin nos indica que una modulacin en la corriente inyectada al dispositivo produce una modulacin de la frecuencia de emisin del laser.