Energía
Revolucionando los láseres: tecnología de anillos semiconductores sintonizables
Un equipo de científicos de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) acaba de presentar un nuevo método para fabricar láseres de anillo semiconductores sintonizables. Estos láseres avanzados tienen el potencial de proporcionar comunicaciones de alta potencia, sistemas de seguridad más avanzados y mucho más. Aquí tiene lo que necesita saber.
Tipos de láseres sintonizables y sus ventajas
Tan solo 6 años después de que Theodore H. Maiman demostrara el primer láser con una varilla de rubí sintético, los investigadores comenzaron a trabajar en láseres sintonizables. A diferencia de sus predecesores de longitud de onda fija, estos pueden configurarse para emitir luz en diversas longitudes de onda, lo que los hace ideales para aplicaciones de precisión como las comunicaciones ópticas y la microscopía. Por ello, los láseres sintonizables se han convertido en un componente crucial de los campos de la alta tecnología y la medicina actuales.
Categorías de láseres sintonizables: gas, fibra, OPO y semiconductores
Hoy en día, existen muchos tipos de láseres sintonizables, como láseres de gas, láseres de fibra, osciladores paramétricos ópticos (OPO) y láseres semiconductores. Muchos consideran que los láseres semiconductores sintonizables son la opción más avanzada. Ofrecen un formato compacto, admiten una amplia longitud de onda y proporcionan la potencia adecuada.
Desventajas de los láseres sintonizables
La tecnología láser sintonizable ha experimentado avances significativos en sus capacidades. Sin embargo, aún existen numerosas limitaciones que le han impedido alcanzar su máximo potencial. Por ejemplo, los láseres sintonizables con amplios rangos de onda suelen ofrecer menor precisión. Además, los costos de fabricación de estos dispositivos y su fragilidad general se han considerado obstáculos para su avance.
Cómo sintonizar láseres semiconductores
Existen dos métodos principales para crear y ajustar láseres semiconductores. El primer método requería añadir una rejilla precisa a la cresta del láser. Esta rejilla se corta en ángulos exactos a escala nanométrica para crear retroalimentación óptica selectiva en frecuencia. Esta configuración permite a los ingenieros amplificar una longitud de onda específica y reducir la interferencia de otras modificando la corriente del láser.
Fuente - Aeroespacial militar
El segundo método para sintonizar láseres semiconductores utiliza una cavidad externa. En esta configuración, una rejilla de difracción giratoria refleja la longitud de onda exacta en la cavidad. La cavidad, que excita la longitud de onda en un láser, se puede ajustar girándola.
Problemas con los láseres semiconductores actuales
El campo de los láseres semiconductores presenta algunas desventajas que los ingenieros han dedicado años a superar. Por un lado, persiste la dificultad de encontrar un equilibrio entre precisión y alcance. Hasta ahora, se podía contar con un dispositivo muy preciso o con una cobertura adecuada de varias longitudes de onda.
Otro problema con los láseres semiconductores es que su rendimiento disminuye significativamente con el aumento de la temperatura. Cuando un láser semiconductor se calienta, pierde potencia y eficiencia, e incluso puede dañarse. Por ello, ha sido imposible lograr una sintonización continua, a largo plazo y sin saltos en un amplio espectro.
Estudio de láseres de anillo semiconductor
Reconociendo estas limitaciones, ingenieros de Harvard y científicos de otras instituciones prestigiosas se propusieron crear el primer láser semiconductor de amplio espectro y alta precisión. Documentaron su experiencia en el estudio «Láseres de anillo semiconductores ajustables de forma continua y amplia” publicado en la revista científica Optica.
El artículo revela su trabajo sobre un nuevo tipo de láser semiconductor sintonizable que utiliza una arquitectura de láser de cascada cuántica (QCL) de matriz en anillo para proporcionar una sintonizabilidad uniforme y, al mismo tiempo, un rango espectral extendido. Cabe destacar que los láseres de cascada cuántica son láseres semiconductores que generan haces en el espectro infrarrojo lejano.
Diseño de QCL en anillo: matrices independientes y direccionables
El equipo comenzó su trabajo creando múltiples láseres de anillo QCL pequeños y direccionables independientemente. Cabe destacar que los láseres de anillo presentan dos haces de luz con la misma polarización. Estos haces se dirigen en direcciones opuestas alrededor de un bucle cerrado creado por espejos. Este enfoque permite mediciones precisas del más mínimo movimiento. Por ello, los láseres de anillo se utilizan comúnmente en sistemas de navegación como giroscopios.
En este caso, el científico creó los láseres de anillo utilizando material activo de láser de cascada cuántica y un proceso de grabado en seco. Además, se añadieron contactos eléctricos a cada anillo y una guía de ondas de bus. Los ingenieros observaron que este enfoque mejoró el rendimiento, reduciendo la pérdida óptica de la guía de ondas de bus.
Cada anillo se desarrolló con un radio distinto. El uso de anillos de diferentes tamaños generó frecuencias láser distintas para cada espacio. Este enfoque permitió a los ingenieros ajustar cada anillo por separado sin experimentar caídas en la emisión láser.
Consecución de emisiones monomodo mediante acopladores de anillo
Este enfoque único permitió a los ingenieros utilizar múltiples anillos para crear potencias y longitudes de onda específicas. El sistema permitió combinar los haces de cada anillo en una única guía de ondas mediante acopladores direccionales evanescentes a lo largo de las secciones rectas de los láseres. Los acopladores direccionales evitaron la rejilla de ganancia al garantizar que la luz viajara en una sola dirección.
Emisión de guía de ondas mediante diseño basado en facetas
El equipo observó que su láser utiliza un método único de emisión de luz. Este sistema se basa en un método de emisión por facetas que pasa a través de una guía de ondas de bus. Esta guía de ondas permite sintonizar y amplificar las frecuencias del láser según sea necesario a temperatura ambiente.
El diseño modular del láser de anillo permite la escalabilidad
El diseño modular de esta configuración láser permite a los ingenieros adaptarla a cualquier necesidad. Además, los láseres de anillo pueden operar simultáneamente o en modo de anillo único. Por lo tanto, la combinación de láseres produce un haz más potente e intenso, ideal para ciertas aplicaciones de alta tecnología.
Prueba de láseres de anillo semiconductor
Los ingenieros se dispusieron a probar sus teorías en las salas blancas del Centro de Micro y Nanoestructuras de la Universidad Técnica de Viena. Allí crearon un dispositivo láser con cinco anillos, cada uno con un radio distinto. En concreto, los tamaños de los anillos variaban de 5 a 220 µm.
Una vez creados, el equipo probó diferentes configuraciones de láser y longitudes de onda. En una ocasión, combinaron el rango de sintonización de tres anillos diferentes para probar la sintonización sin saltos de modo en amplios anchos de banda.
Resultados de pruebas de láseres de anillo semiconductor
Los resultados de la prueba corroboraron los modelos de los ingenieros. El equipo observó que el QCL de anillo único podía emitir un haz de hasta 0.5 mW en funcionamiento de onda continua a temperatura ambiente. La prueba también reveló que el chip láser mantenía una salida de longitud de onda estable, a pesar de la intensa inyección óptica en la faceta láser. Estas pruebas demostraron la resiliencia del nuevo diseño del láser bajo altos niveles de retroalimentación óptica.
Además, los ingenieros observaron que el rendimiento era comparable al de los láseres DFB multisección. Este descubrimiento representó un gran hito, ya que significa que estos láseres pueden fabricarse sin necesidad de fabricar una rejilla única a lo largo de la región activa de cada láser.
En concreto, el equipo logró utilizar los tres anillos láser para barrer suavemente los anchos de banda ópticos de 266 GHz a 395 GHz. El barrido fue uniforme y la superposición espectral entre cada anillo fue mínima. Cabe destacar que el dispositivo generó una producción de haz notablemente estable bajo altas dosis de inyección óptica.
Beneficios de los láseres de anillo semiconductor
| Característica | Láseres sintonizables tradicionales | Láseres semiconductores de matriz en anillo |
|---|---|---|
| Sintonización de longitud de onda | Una sola longitud de onda a la vez | Sintonización simultánea de múltiples longitudes de onda |
| Factor de forma | Voluminoso con piezas externas | Diseño modular compacto a escala de chip |
| Complejidad de manufactura | Requiere rejillas intrincadas | No se necesitan rejillas de región activa |
| Estabilidad térmica | Sensible al calor; el rendimiento disminuye. | Emisión de onda continua estable a temperatura ambiente |
Este estudio aportará numerosos beneficios al mercado láser. Por un lado, este diseño no tiene piezas móviles y es mucho más sencillo y económico de fabricar. Al reducir los costes de creación de láseres de alta gama, abre la puerta a más casos de uso y a nuevas adopciones.
Talla pequeña
El dispositivo tiene un formato compacto que utiliza láseres de anillo, cuya escala puede ampliarse o reducirse para satisfacer necesidades específicas. Esta estrategia permite un ajuste preciso de la longitud de onda y una emisión estable. Los láseres más pequeños impulsarán las tecnologías y los dispositivos portátiles del futuro.
Cabe destacar que los láseres sintonizables tradicionales emiten una sola longitud de onda a la vez. En contraste, la modularidad de los láseres de matriz en anillo permite que varios anillos operen simultáneamente y apunten a longitudes de onda individuales utilizando un radio de anillo diferente.
Reducción de la retroalimentación y mejora de la estabilidad del haz
El uso de múltiples láseres de anillo y acopladores unidireccionales ayuda a reducir la retrorreflexión, que había afectado a los diseños láser anteriores. Por lo tanto, esta estructura puede soportar láseres potentes que manejan más energía para crear haces más potentes que los de su predecesor.
Aplicaciones reales de los láseres de anillo semiconductor
Esta tecnología tiene varias aplicaciones prácticas. Por ejemplo, los láseres son una competencia crucial en muchos de los campos de alta tecnología actuales. La creación de dispositivos más potentes y útiles ayudará a reducir el coste de las tecnologías actuales, a la vez que impulsará la introducción de productos innovadores. A continuación, se presentan otros casos de uso de esta tecnología.
Comunicaciones
La industria de las telecomunicaciones busca constantemente láseres más potentes. Este último desarrollo podría contribuir a la creación de superredes capaces de transmitir datos a alta velocidad a un nivel inimaginable. Estos dispositivos podrían utilizarse algún día para transmitir datos a través del universo, manteniendo a los viajeros espaciales en contacto con la Tierra a millones de kilómetros de distancia.
Médico
El campo médico utiliza el láser por diversas razones. Desde la detección de enfermedades hasta la corrección de la visión, existen numerosas maneras en que estos láseres contribuirán a mejorar la salud de millones de personas en el futuro. Su menor tamaño y su mayor flexibilidad y precisión impulsarán una nueva generación de servicios y procedimientos médicos automatizados.
Seguridad
Los escáneres láser de alta potencia son un componente esencial en diversas industrias, incluyendo los sectores gasístico y químico. Estos dispositivos detectan los problemas más leves para prevenir fallos catastróficos. Esta tecnología podría ayudar a detectar fugas en gasoductos, deterioro de infraestructuras y otras tareas cruciales para la seguridad de la población.
Cronología de los láseres de anillo semiconductor
Los láseres de anillo semiconductor podrían llegar al mercado en los próximos 5 a 7 años. Existe una demanda inmediata de esta tecnología, y los fabricantes estarán deseosos de utilizarla para crear productos más pequeños y avanzados. Este plazo será más corto para la integración militar, lo que podría acelerar el desarrollo para satisfacer las crecientes demandas de los futuros campos de batalla.
Investigadores de láseres de anillo semiconductor
El estudio del láser de anillo semiconductor fue un esfuerzo conjunto de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) y la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien). La investigación fue codirigida por Federico Capasso y Vinton Hayes. Además, el estudio incluye a Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak y Benedikt Schwarz como colaboradores clave. Cabe destacar que el Departamento de Defensa y la Fundación Nacional de Ciencias financiaron el estudio mediante una subvención.
¿Qué será lo próximo para los láseres de anillo semiconductor?
Los investigadores están en pleno proceso de patentar su trabajo. A partir de ahí, buscarán fabricantes para empezar a reducir aún más los costes de producción. Además, el equipo investigará los efectos de ampliar el dispositivo con más anillos.
Invertir en el sector del láser
Muchas empresas del sector láser se han ganado una reputación de calidad y excelente servicio. Estas empresas han invertido millones de dólares investigando cómo crear los láseres más eficientes y útiles a lo largo de las décadas. Aquí presentamos una empresa que ha contribuido a proporcionar al mercado dispositivos fiables.
Corporación de fotónica láser
Corporación de fotónica láser
(LASE )
Ingresó al mercado en 1981 para ofrecer láseres industriales de alta gama. La empresa, ubicada en Orlando, Florida, ofrece una gama de productos que incluye sistemas láser de limpieza, corte y defensa. (LASE )
Laser Photonics Corporation se ha consolidado como líder de la industria gracias a sus sólidas prácticas comerciales y la fiabilidad de sus láseres. Estos dispositivos ofrecen al mercado soluciones de alto rendimiento que no requieren mantenimiento. Además, la empresa se centra en la seguridad ambiental y la sostenibilidad de sus productos.
En octubre de 2022, Laser Photonics Corporation realizó una oferta pública inicial (IPO) que obtuvo una financiación de 55 millones de dólares. Desde entonces, la empresa ha ampliado continuamente su oferta y su cartera de clientes. Actualmente, Laser Photonics Corporation presta servicios a varias empresas de la lista Fortune 500 y es considerada líder del sector.
Láseres de anillo semiconductor | Conclusión
El estudio de los láseres semiconductores sintonizables genera mucho entusiasmo. Estos dispositivos podrían transformar múltiples industrias y contribuir a reducir el coste y el tamaño de la electrónica del futuro. Su diseño más sencillo que las opciones actuales y su amplio y preciso ajuste de longitud de onda en un formato compacto, del tamaño de un chip, lo convierten en una ventaja para toda la industria.
Conozca otros avances interesantes aquí.
Estudios referenciados:
1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso y Benedikt Schwarz, “Láseres de anillo semiconductores ajustables de forma continua y amplia”, Optica 12, 985-990 (2025)
