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Es el primer láser de germanio capaz de emitir en longitudes de onda útiles para las comunicaciones ópticas.  Es también el primero que opera a temperatura ambiente. Este nuevo láser es muy prometedor para la computación óptica, y además demuestra que los semiconductores  de banda prohibida indirecta («indirect-bandgap») pueden  producir láseres de uso práctico.

«Este láser está diseñado con una física totalmente nueva», dijo Lionel C. Kimerling del MIT, cuyo Grupo de Investigación de Materiales Electrónicos desarrolló el láser de germanio.  Kimerling es  profesor Thomas Lord  de ciencia de los materiales e ingeniería. El equipo de investigación publicó sus resultados en Optics Letters de enero 2010.

Anteriormente, se creía que los semiconductores banda prohibida indirecta no se podían utilizar para los láseres prácticos.  Dentro de los cristales de semiconductores, un electrón excitado se libera y entra en la banda de conducción para que pueda moverse libremente por todo el cristal.  Pero ese electrón excitado estará en uno de dos estados: en el primero, se libera energía extra en forma de fotón, en el segundo, la energía adicional se libera de otra manera, calor por ejemplo.

En los materiales de banda prohibida directa, el primero, el estado en que emiten fotones es un estado de menor energía que el segundo estado, en materiales de banda prohibida indirecta, ocurre lo contrario. Y debido a que un electrón excitado podría ocupar el estado de menor energía disponible, entonces  tiende a entrar en el estado de emisión de fotones en materiales de banda prohibida directa como el arseniuro de galio, pero no en materiales de banda prohibida indirecta como el germanio.

«En semiconductores de banda prohibida indirecta, hay una discrepancia de cantidad de movimiento entre los electrones de conducción indirecta en los valles y los agujeros en la banda de valencia», dijo el autor principal Jifeng Liu, un asociado postdoctoral que es coautor del artículo con Kimerling, Jurgen Michel, el investigador principal del grupo investigador, y los estudiantes  graduados Xiaochen Sun y Rodolfo Camacho Aguilera.

«Desde cualquier transición se necesita conservar el impulso, la emisión de luz no puede suceder en los semiconductores de banda prohibida indirecta a menos que los electrones pasen a conseguir una cantidad adecuada de impulso de las ondas de las vibraciones atómicas en el material, conocidas como  fonones, para compensar este desajuste «, dijo Liu.

«Es similar a la situación de los pingüinos a la espera de coger la ola del mar adecuada para saltar sobre un iceberg.  Por lo tanto, la emisión de luz en semiconductores de banda prohibida indirecta es muy ineficiente, por lo que estos materiales son considerados inadecuados para los láseres. Históricamente, los científicos han evitado el uso de materiales de banda prohibida indirecta para dispositivos emisores de luz «.

Para el nuevo láser, Liu y sus colaboradores forzaron a los  electrones excitados del germanio en el -estado de emisión- del fotón al estado de mayor energía, utilizando dos estrategias comunes para la fabricación de circuitos integrados («chips»).

En el primer enfoque, el grupo dopó germanio  con fósforo, que tiene cinco electrones externos, el germanio sólo tiene cuatro.  Este electrón extra llenó el estado de menor energía en la banda de conducción, impulsando a los electrones excitados a «desbordarse» en el estado de mayor energíay a emitir fotones.

En la segunda estrategia, el equipo de investigadores  «tensó» el germanio, dejando sus átomos un poco más separados de lo que es habitual. Para ello, crecieron el germanio directamente encima de una capa de silicio, lo que redujo la diferencia de energía entre los dos estados, lo que permite a los  electrones excitados desbordarse hacia el estado de emisión de fotones en lugar de liberar su energía extra de otra manera.

Por lo tanto, atrajeron a los electrones al estado de emisión de fotones y produjeron un láser  con semiconductores de banda prohibida indirecta.

Para la computación óptica, es fundamental desarrollar formas prácticas baratas, para integrar los componentes ópticos y electrónicos en los chips de silicio.  Los láseres utilizados actualmente para los sistemas de comunicaciones deben ser construido por separado de materiales caros como el arseniuro de galio y luego injertados en chips de silicio, un proceso que tarda más tiempo y es más costoso que si se construye directamente sobre el propio silicio.

El Germanio, cabe señalar – a diferencia de materiales típicos de láser – es fácil de usar en los actuales procesos de fabricación de chips de silicio. Liu dijo que el germanio y silicio están en el mismo grupo en la tabla periódica y tienen la misma estructura cristalina e igual número de electrones de valencia. «Por lo tanto, el germanio introducido directamente en los chips de silicio no provoca  contaminación dopante a los actuales dispositivos de transistores de silicio láser tales como sucede con materiales típicos como el GaAs».

«Hay dos pasos importantes en el desarrollo de esta tecnología», dijo. «En primer lugar, vamos a desarrollar diodos láser de germanio que están directamente alimentados por corriente eléctrica. De hecho, hemos mostrado el año pasado el primer diodo de germanio emisor de luz sobre silicio, por lo que creemos que un diodo láser bombeado eléctricamente se puede lograr con el diseño mejorado de los dispositivos.  En segundo lugar, aumentar aún más el nivel de dopaje en el germanio para aumentar su eficiencia. Hemos encontrado algunos buenos métodos para lograr este objetivo, pero no puedo revelarlos todavía, debido a cuestiones de propiedad «.

Fuente: Photonics

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