Resumen de Mems-based widely tunable external cavity diode laser
En un mundo en el que las tecnologías avanzan a pasos agigantados, es necesario proponer y aplicar nuevas mejoras de forma continua aplicadas a cualquier campo. El mundo de la tecnología láser, incluido dentro del campo anterior, tiene infinidad de aplicaciones en las que son necesarios nuevos láseres a diario para facilitar las medidas y mejorar los resultados de los ámbitos en los que estos dispositivos se usen.
En esta tesis se presenta un nuevo concepto de tecnología para la fabricación de láseres sintonizables. Existen láseres fabricados con gases, tintes o incluso con elementos de estado sólido como el rubí, aunque es habitual que los láseres sintonizables, que son aquellos en los que se puede variar su longitud de onda de emisión, que estén fabricados con diodos de semiconductor. Los semiconductores, combinados adecuadamente, generan unas bandas de emisión que comprenden las longitudes de onda, o colores, entre el ultravioleta y el infrarrojo.
Actualmente, hay distintas tecnologías con las que llevar a cabo la sintonización de la luz coherente emitida por un láser de semiconductor. Con objeto de crear un láser sintonizable, hacen falta distintos elementos: un material activo que proporcione ganancia en el rango de longitudes de onda necesarios; reflectores que creen una cavidad resonante en el que la emisión láser estimulada se pueda producir, generando distintas longitudes de onda (o frecuencias) en todo el rango habilitado; y un filtro que seleccione el modo adecuado de emisión, ya que estamos hablando de láseres con una única frecuencia.
Entre las distintas tecnologías habilitadoras para la fabricación de láseres sintonizables, cabe destacar los más utilizados láseres de realimentación distribuida (DFBs según sus siglas en inglés, Distributed FeedBack Lasers, o DBRs, también según sus siglas en inglés, Distributed Bragg Reflector Lasers) y los láseres de cavidad externa. La diferencia principal entre estas dos tecnologías es que en los DFBs y DBRs, la selección de frecuencia se hace mediante una red de difracción distribuida a lo largo del material semiconductor. Esta red de difracción, conocida por red de Bragg ya que fue él quien primero la planteó, sirve como reflector y como filtro a la vez, ya que se encarga de reflejar únicamente la frecuencia de emisión deseada. De esta forma, el láser se estabiliza a la longitud de onda fijada por la red de Bragg, que está inscrita directamente en el chip de semiconductor. Esta solución genera unos dispositivos compactos y estables, pero con inconvenientes muy ligados al propio concepto de filtrado que se plantea con ellos. Al ser las inscripciones hechas directamente en el material, se generan pérdidas de potencia ligadas a las propias irregularidades encargadas de filtrar. Además, el rango de sintonización de estos dispositivos es muy limitado, ya que hacen uso de un efecto térmico con el que expandir o contraer la propia red de difracción inscrita en el chip. Los semiconductores, al no ser materiales con un alto coeficiente de expansión térmica, se ven limitados a un rango muy estrecho de sintonización si se emplea esta tecnología.
En contraposición a los dispositivos ya descritos, encontramos la tecnología de los láseres sintonizables de cavidad externa. Esta se basa mayormente en dos configuraciones distintas: cavidades tipo Littrow y cavidades tipo Littman-Metcalf. La primera de ellas es relativamente más sencilla. Un material activo es colocado entre dos reflectores. Uno de ellos es un reflector común, como un espejo, mientras que el otro consiste en una red de difracción externa que realimenta la longitud de onda deseada al material activo, estabilizando el láser. Para sintonizar este tipo de cavidades, es necesario girar en un ángulo determinado la red de difracción y, de esta manera, variar la frecuencia reflejada al material activo para su estabilización. El segundo tipo de cavidad, la cavidad tipo Littman-Metcalf, agrega un elemento más a la configuración: el material semiconductor activo se coloca entre un reflector común y una red de difracción, pero en este caso el ángulo de la red de difracción es distinto y apunta a un segundo reflector común, que será el encargado de girar para realizar la sintonización de la longitud de onda del láser. Los láseres presentados en esta tesis de doctorado se basan en esta segunda configuración para su sintonización de frecuencia. Presentamos aquí la aplicación de micro sistemas electro mecánicos en la fabricación de láseres de semiconductor de cavidad externa, con una serie de ventajas muy evidentes en comparación con los sistemas habituales.
Tradicionalmente, los láseres sintonizables de cavidad externa se basan en componentes mecánicos. Esto se traduce en unos dispositivos voluminosos en el que su ámbito de aplicación se ve muy limitado dada su poca capacidad de movilidad. Con la introducción de los MEMS en la configuración de los láseres, podemos sustituir los componentes mecánicos voluminosos y así reducir el tamaño de los dispositivos y aumentar su portabilidad. Este punto habilita el incremento de aplicaciones en las que estos láseres pueden ser aplicados, ya que pudiendo ser portátiles se hace posible su uso directamente en campo o crear dispositivos ligeros para su inclusión en aparatos de mano, mucho más convenientes para el día a día.
Otro de los puntos a favor de estos láseres es la potencia de salida proporcionada. La red de difracción externa, ya sea de transmisión o de reflexión, se puede ajustar en su punto óptimo de reflexión para maximizar el nivel de potencia óptica a la salida del láser. Además, estas redes no están inscritas sobre el material semiconductor y no producen pérdidas adicionales como sí ocurre en el caso de los láseres de realimentación distribuida descritos anteriormente. Lo mismo sucede con el rango de sintonización de los dispositivos presentados. Éste no está limitado por ningún efecto como sí que pasa en los DFBs y DBRs, y de esta manera la sintonización de la longitud de onda se extiende hasta el total del ancho de banda de ganancia proporcionado por el material semiconductor que empleemos en la cavidad. El ancho de línea de la emisión láser de las configuraciones que presentamos son muy estrechos. Esto implica que los valores ofrecidos por cavidades Littrow y Littman-Mettcalf se hallan en las decenas de kilohercios, disminuyendo así en uno o dos factores de magnitud la anchura de las líneas láser de otras configuraciones. Mediante esta alta selectividad en longitud de onda, sumado al alto nivel de potencia ofrecido por los dispositivos desarrollados en esta tesis, se incrementa la sensitividad y la resolución de cualquiera de las aplicaciones en las que se usen estos láseres.
Adicionalmente a las características ya mencionadas, hay un factor que hace de este desarrollo un avance clave para la tecnología: la velocidad de sintonización. Las cavidades externas tradicionales hacen uso, como ya se ha mencionado anteriormente, de piezas mecánicas para la sintonización del dispositivo. Para poder sintonizar el rango completo de longitudes de onda ofrecidos por la cavidad, hace falta un tiempo del orden de segundos en el mejor de los casos, que es cuando se emplea un motor para mover el brazo mecánico correspondiente. Con el dispositivo que presentamos, estos tiempos se reducen en varios órdenes de magnitud, situándose en las decenas de milisegundos. Este efecto se consigue mediante la aplicación de un voltaje que, de manera instantánea, traslada este valor a un ángulo de giro que se aplica a los MEMS para sintonizar la longitud de onda del láser. Este avance, aparte de aportar una capacidad de medida prácticamente en tiempo real a distintas frecuencias, va ligado a la precisión de los sistemas electromecánicos que se han introducido, mejorando así en comparación los resultados ofrecidos por las piezas puramente mecánicas. Se ha medido la estabilidad de estos láseres, con resultados por debajo de los picómetros y muchas veces estas medidas han estado incluso limitadas por la resolución disponible para su adquisición aun a pesar de utilizar instrumentos con la última tecnología, lo que indica el alto grado de precisión y estabilidad de los dispositivos desarrollados.
El desarrollo de la cavidad externa para los dispositivos presentados no ha sido un proceso trivial, sino que ha necesitado de varias iteraciones hasta llegar a un resultado estable. Estos ciclos se muestran en la tesis, de manera que se ve la evolución de los dispositivos. Como último punto a destacar, la tecnología aquí presentada es aplicable a distintos materiales de ganancia, pudiendo cubrir el espectro óptico que se necesite con sólo ajustar los componentes necesarios. La posibilidad de extrapolar esta tecnología a todo el espectro óptico, cubriendo desde el ultravioleta al infrarrojo lejano.
Las conclusiones de esta tesis se reflejan en todos los puntos a favor de los dispositivos presentados: alta potencia de salida, gran rango de sintonización, estabilidad y velocidad de conmutación entre distintas longitudes de onda para mediciones en tiempo real.
