Las necesidades de la comunicación moderna exigen cada vez más rapidez en la transmisión de datos y menor consumo energético. En este contexto, el Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NICT) ha desarrollado un láser emisor de superficie práctico que emplea puntos cuánticos (QD) como medio de ganancia óptica, para su uso en sistemas de comunicación de fibra óptica. Esta innovación no solo facilita la miniaturización y la reducción del consumo de energía de las fuentes de luz en los sistemas de comunicaciones por fibra óptica, sino que también ofrece posibles reducciones de costes mediante la producción en masa y una mayor producción mediante la integración.
Los investigadores del NICT han fabricado un láser de emisión superficial de cavidad vertical (Vcsel) impulsado eléctricamente que opera a 1.550 nm -longitud de onda estándar para la comunicación por fibra óptica- utilizando puntos cuánticos como material activo. Estos puntos cuánticos, estructuras semiconductoras de tamaño nanométrico, funcionan como fuente de ganancia óptica, permitiendo la emisión de luz con alta eficiencia.
El equipo de NICT desarrolló una tecnología clave basada en un meticuloso control del crecimiento de cristales, empleando el método de epitaxia de haz molecular para combinar materiales semiconductores de forma precisa. En la fabricación del Vcsel, es fundamental conseguir una película multicapa altamente reflectante, conocida como reflector Bragg distribuido (DBR), que amplifica la salida de luz.
Mejora de la eficiencia del láser
Lograr DBR con alta reflectividad a 1.550 nm ha presentado dificultades debido a la limitada combinación de materiales posibles para estas longitudes de onda. Para superar este obstáculo, se diseñó un proceso que ajusta estrictamente la proporción de los materiales durante el crecimiento, alcanzando una reflectividad superior al 99% incluso a 1.550 nm.
Además, se aplicaron estrategias para controlar la tensión interna del cristal generada por los puntos cuánticos, incrementando la densidad de estos y mejorando así la eficiencia de emisión del Vcsel. El desarrollo también incluyó técnicas para compensar posibles deformaciones dentro de la estructura, favoreciendo la estabilidad y el rendimiento del dispositivo.
Por otro lado, los investigadores implementaron una estructura de unión túnel que optimiza la inyección de corriente. Esta innovación facilita un flujo de corriente más eficiente y permite la extracción de luz de manera más efectiva, un requisito crucial dado que los Vcsel emiten luz perpendicularmente a la superficie del chip. La integración de estos avances permitió obtener un umbral de funcionamiento bajo, con una corriente necesaria de solo 13 mA.
Incremento del rendimiento de sistemas ópticos
La combinación de las tecnologías resultó en una emisión láser estable a 1.550 nm, con reducción de las fluctuaciones de polarización y mejor control de la salida. Los dispositivos Vcsel basados en puntos cuánticos demostraron una excelente estabilidad térmica y presentan la posibilidad de escalarse para producción en masa, aspectos positivos para su adopción en la industria de telecomunicaciones.
Según los investigadores, entre las ventajas de este enfoque se encuentran el potencial para incrementar el rendimiento global de los sistemas ópticos, reducir costes en la fabricación y facilitar una mayor producción a medida que se integran láseres de banda larga para comunicaciones ópticas.
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