1. UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
FACULTAD DE INGENIERÍA
Año 2009 – 2do Cuatrimestre
Trabajo Practico
Fisica del Estado Solido (62.10)
“Diodos Laser”
Alumnos:
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•
•
Besada MAritn
Longueira Ariel Sebastian
Ortega Damian Rafael
Docentes a cargo:
•
•
Dr. Andres Ozols
Lic. María Teresa Bernal
Padrón:85507
Padrón:82588
Padron:83511

2. INTRODUCCION:
La mecánica cuántica es la última de las grandes ramas de la física. Comienza a
principios del siglo XX, en el momento en que dos de las teorías que intentaban
explicar lo que nos rodea, la ley de gravitación universal y la teoría electromagnética
clásica, se volvían insuficientes para explicar ciertos fenómenos.
Es en el seno de la mecánica estadística donde nacen las ideas cuánticas en 1900. Louis
de Broglie propuso que cada partícula material tiene una longitud de onda, asociada
inversamente proporcional a su masa, (le llamó momentum), y dada por su velocidad.
Al físico Max Planck se le ocurrió un truco matemático: que si en el proceso aritmético
se sustituía la integral de esas frecuencias por una suma no continua se dejaba de
obtener un infinito como resultado, con lo que eliminaba el problema y, además, el
resultado obtenido concordaba con lo que después era medido.
La idea de Planck hubiera quedado muchos años sólo como hipótesis si Albert Einstein
no la hubiera retomado, proponiendo que la luz, en ciertas circunstancias, se comporta
como partículas independientes de energía (los cuantos de luz o fotones). Fue Albert
Einstein quién completó en 1905 las correspondientes leyes de movimiento con lo que
se
conoce
como
teoría
especial
de
la
relatividad,
demostrando
que
el
electromagnetismo era una teoría esencialmente no mecánica. Culminaba así lo que se
ha dado en llamar física clásica, es decir, la física no-cuántica.
La mecánica cuántica rompe con cualquier paradigma de la física hasta ese momento,
con ella se descubre que el mundo atómico no se comporta como esperaríamos. Los
conceptos de incertidumbre, indeterminación o cuantización son introducidos por
primera vez aquí.

3. OBJETIVO:
Bajo este marco teorico, nos centraremos en tratar de dar a conocer el
desarrollo que se produjo para crear el diodo laser, como también su funcionamiento
básico. Basandonos en conocimientos de física cuántica, intentaremos explicar los
fenómenos que se producen en los solidos semiconductores que se utilizan para
fabricar este tipo de diodos.

4. DESARROLLO:
Diodo Laser
Los Diodos láser, emiten luz por el principio de emisión estimulada, la cual
surge cuando un fotón induce a un electrón que se encuentra en un estado excitado a
pasar al estado de reposo, este proceso esta acompañado con la emisión de un fotón,
con la misma frecuencia y fase del fotón estimulante. Para que el numero de fotones
estimulados sea mayor que el de los emitidos de forma espontánea, para que se
compensen las perdidas, y para que se incremente la pureza espectral, es necesario por
un lado tener una fuerte inversión de portadores, la que se logra con una polarización
directa de la unión, y por el otro una cavidad resonante, la cual posibilita tener una
trayectoria de retroalimentación positiva facilitando que se emitan mas fotones de
forma estimulada y se seleccione ciertas longitudes de onda haciendo mas angosto al
espectro emitido.
La presencia de una inversión grande de portadores y las propiedades de la
cavidad resonante hacen que las características de salida (potencia óptica como
función de la corriente de polarización) tenga un umbral a partir del cual se obtiene
emisión estimulada, el cual es función de la temperatura.
Un diodo láser es diferente en este aspecto, ya que produce luz coherente lo que
significa que todas las ondas luminosas están en fase entre sí. La idea básica de un
diodo láser consiste en usar una cámara resonante con espejos que refuerza la emisión
de ondas luminosas a la misma frecuencia y fase. A causa de esta resonancia, un diodo
láser produce un haz de luz estrecho que es muy intenso, enfocado y puro.

5. El diodo láser también se conoce como láser semiconductor o también
conocidos como láseres de inyección, Estos diodos pueden producir luz visible (roja,
verde o azul) y luz invisible (infrarroja).
Se usan en productos de consumo y comunicaciones de banda ancha.
APLICACIÒN BÀSICA
La aplicación básica que se le ha dado al diodo LASER es como fuente de
alimentación lumínica para sistemas de telecomunicaciones vía fibra óptica. El diodo
láser es capaz de proporcionar potencia óptica entre 0.005-25mW, suficiente para
transmitir señales a varios kilómetros de distancia y cubren un intervalo de longitud de
onda entre 920 y 1650 nm. Sin embargo para utilizar un diodo láser como fuente
lumínica, es necesario diseñar un sistema de control que mantenga el punto de
operación del sistema fijo, debido a que un corrimiento de este punto puede sacar al
diodo fuera de operación o incluso dañarlo.

6. CARACTERISTICAS BASICAS
Característica de salida de los diodos láser
Dependencia de la característica de salida como Función de la temperatura
Los diodos láser son más recomendables como fuentes ópticas para sistemas de
comunicación con grandes separaciones entre repetidores y altas velocidades de
transmisión. Se puede lograr distancias de 100Km sin repetidores con velocidades de
1 GHz.

7. Diferencias del diodo láser con un diodo LED
LASER
LED
*Más rápido
*Mayor estabilidad térmica
*Potencia de salida mayor
*Menor potencia de salida, mayor tiempo
de vida
*Emisión coherente de luz
*Emisión incoherente
*Construcción es más compleja
*Mas económico
*Actúan como fuente s adecuadas enSe acoplan a fibras ópticas en distancias
sistemas de telecomunicaciones
cortas de transmisión
*Modulación a altas velocidades,*Velocidad de modulación hasta 200MHz
hasta GHz

8. Ventajas del diodo láser con un diodo LED
La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED
emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue
realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.
La emisión de luz láser es monocromática: Los fotones emitidos
por un láser poseen longitudes de onda muy cercanas entre sí. En cambio, en la
luz emitida por diodos LED, existen fotones con mayores dispersiones en
cuanto a las longitudes de onda.
Con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una
dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia emitida,

9. el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario
entregar energía con precisión.
Un diodo láser requiere de una fuente de alimentación de 100 a 200 mW. Se les
hizo funcionar primero en el modo de pulsos en 1962. Luego se usaron en operación en
onda continua (OC) en los años setentas. Los diodos láser han tenido uso extenso como
emisores en comunicación por fibras ópticas de alcance corto y largo, y como sensores
en los reproductores de discos de compactos (CD). Los diodos láser se modulan con
facilidad, conmutando la corriente de entrada a conectado y desconectado
Los diodos láser de un solo modo, capaces de emitir de 20 a 50 mW, tienen
demanda para grabación óptica, impresión a alta velocidad, sistemas de distribución
de datos, transmisión de datos y comunicaciones espaciales entre satélites en órbita.
COMPOSICION QUIMICA DE UN DIODO LASER DE ESTADO SÓLIDO
El funcionamiento del diodo láser lo determinan su composición química y su
geometría.
Todos los diodos son, en esencia, estructuras de varias capas, formadas por
varios tipos diferentes de material semiconductor. Los materiales son contaminados
con impurezas por medio de químicos, para darles ya sea un exceso de electrones
(Tipo N) o un exceso de vacantes de electrones (Tipo P).
Los diodos láser que emiten en la región 0.78 a 0.9 micrón, están formados por
capas de arseniuro de galio (GaAs) y arseniuro de aluminio y galio (ALGaAs)
desarrollado sobre un subestrato de GaAs. Los dispositivos para longitud de onda
mayor, que emiten a 1.3 a 1.67 micrones, se fabrican con capas de arseniuro fosfuro de

10. indio y galio (InGaASP) y fosfuro de indio (InP), desarrollado sobre un subestrato de
InP.
La ilustración muestra las características estructurales comunes a todos los
diodos láser de onda continua (OC). La base del diodo es un substrato formado por
GaAs o InP, tipo N, con alta impurificación. Sobre la parte superior del substrato, y a
manera de descubrimiento, se desarrolla una capa plana más ligera del mismo
material, Tipo N y con impurificación. Sobre la capa de recubrimiento tipo N se
desarrolla una capa activa de semiconductor (AlGaAs o InGaAsP) sin impurificaciones.
Después, sobre la capa activa de tipo P, con alto grado de impurificación.
Cuando pasa la corriente por los contactos metálicos los electrones inyectados
desde la capa tipo N y los huecos inyectados desde la capa tipo P se recombinan en el
área activa delgada, y emiten luz. La luz viaja hacia atrás y hacia delante entre las

11. facetas parcialmente reflectantes de los extremos del diodo. La acción lasérica
comienza al incrementarse la corriente. La ganancia óptica en viaje debe superar las
pérdidas debidas a absorción y dispersión que se dan en la capa activa, para sostener
dicha acción.
Muchos diodos láser tienen una capa delgada de oxido, depositada sobre la
parte superior de la capa de cubierta final tipo P. En esta capa de oxido se hace un
ataque químico de manera que pueda formarse una cinta metálica de contacto en
receso de poca profundidad, longitudinalmente a lo largo de la superficie superior del
diodo. El índice de refracción de la capa activa es mayor que el del material tipo P y del
material tipo N (las capas de recubrimiento) que están arriba y abajo de ésta. Como
resultado, la luz es atrapada en una guía dieléctrica de ondas formada por las dos capas
de recubrimiento y la capa activa, y se propaga en ambas, la capa activa y las de
recubrimiento.
El haz de luz que emerge del diodo láser forma una elipse vertical (en sección
transversal), aunque la región lasérica es una elipse horizontal. La luz que se propaga
dentro del diodo, se extiende hacia afuera en forma transversal (verticalmente) desde
las capas de recubrimiento superior e inferior. Cuando el diodo está funcionando en el
modo fundamental, el perfil de intensidad de su haz emitido en el plano transversal, es
una curva de Gauss de forma acampanada.
En el láser se amplifica la luz al viajar hacia atrás y hacia adelante en la
dirección longitudinal, entre las facetas de cristal de cada extremo del diodo. Los
modos resonantes que se extienden en dirección perpendicular a la unión PN, se
llaman modos transversales. La inyección de electrones y huecos en la capa activa

12. situada abajo de la cinta metálica de contacto, altera el índice de refracción de la capa
activa, y confina la luz lateralmente para que no se disperse hacia afuera, hacia ambos
lados del centro de la capa activa.

13. ALGO MÁS ACERCA DE LOS DIODOS LASER
En un láser semiconductor, la ganancia es aportada por una corriente de
inyección. De esta manera, los pares electrón-hueco dan la inversión de población
necesaria para la emisión láser. La recombinación estimulada lleva a la amplificación
de la luz, generando fotones con la misma dirección de propagación, polarización,
frecuencia y fase que el fotón que ha inducido la recombinación. Los pares electrónagujero deben estar confinados en una zona estrecha para mantener la inversión de
población a un nivel elevado. Si no es así, hay que suministrar inyecciones de corriente
demasiado grandes al diodo para obtener emisión láser. Por simplicidad, los pares
electrón-hueco se llaman portadores, y la vida media de los portadores es el tiempo
medio que tardan los portadores en recombinar.
La sencilla unión p-n, resultado del crecimiento en el mismo sustrato, pero con
diferentes niveles de dopaje, no es capaz de conseguir el confinamiento necesario,
porque la anchura de la región en que los portadores están confinados aumenta debido
a la difusión de los portadores. El problema de la difusión de los portadores puede

14. resolverse
parcialmente
usando
heterostructuras.
Dos tipos diferentes de estructuras pueden analizarse dependiendo del
mecanismo de confinamiento lateral de los portadores. En láseres semiconductores
guiados por la ganancia, no se incorpora ningún confinamiento añadido, y el perfil de
la ganancia viene determinado esencialmente por la región con corriente de inyección
y efectos difusivos.
En los láseres guiados por el índice, la región activa está rodeada lateralmente
por material con un índice de refracción menor. En estos dispositivos, se consigue un
nivel de confinamiento bastante elevado. Aparte de dar un buen confinamiento a los
portadores, los láseres de doble heterostructura guiados por el índice también
incorporan un confinamiento adecuado para la luz. El mecanismo de guía es debido a
un mayor índice de refracción en la región activa que en el resto de capas que la
rodean. De esta manera, la luz viaja hacia adelante y hacia atrás como lo haría en el
interior
de
una
fibra
óptica.
Una cavidad óptica adecuada es necesaria para conseguir la emisión láser. En
otros tipos de láser, la cavidad está limitada por dos espejos con curvaturas que
dependen de la distancia entre ellos y de la geometría del medio activo. Mientras uno
de los espejos puede diseñarse totalmente reflectante, el otro debe permitir que haya
luz de salida.

15. Los láseres de cavidad vertical (VCSELs) tienen una longitud de cavidad muy
corta, y necesitan reflectividades del 99 %. El espejo normalmente está incorporado en
la estructura láser a partir del mismo sustrato, y está formado de muchas capas
alternadas de diferentes materiales. El reflector de Bragg que así resulta permite una
característica casi plana de la reflectividad para un rango considerable de longitudes de
onda.
Láseres más convencionales (EELs) no necesitan espejos para operar. La
longitud de su cavidad, de unas 300 micras, es suficientemente grande para permitir la
emisión láser sin espejos adicionales. De hecho, la reflectividad en la separación láseraire es cercana al 32 %. El valor grande del índice de refracción en la zona activa
confina la luz a la región con ganancia material.
EJEMPLO DE APLICACIÓN: EL LECTOR DE DISCOS COMPACTOS
Una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de
información digital de soportes de datos tipo CD-ROM o la reproducción de discos
compactos musicales. El principio de operación de uno y otro es idéntico.

16. Esquema del funcionamiento del CD-ROM
Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos
prácticos, se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas
absorbentes de luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada
hasta un detector de luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es
reflejado, al detector no le llega ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital.
Un conjunto de unos y ceros es una información digital, que puede ser convertida en
información analógica en un convertidor digital-analógico. Pero esa es otra historia
que debe de ser contada en otra ocasión.
BIBLIOGRAFIA:
Principios de electrónica, Malvino-Mc Graw Hill. Sexta edición.
Trabajo del semestre pasado realizado por Rossybell Martinez y
Juan Fernando torres.