En el panorama de la optoelectrónica moderna, la elección de una fuente de luz viene dictada por la física fundamental de la interacción fotón-materia. Para los ingenieros y diseñadores de equipos originales, el proceso de selección suele comenzar con un requisito de potencia específico, tal vez un luz láser 5mw para un sistema de exploración o un Láser de 10 milivatios para un sensor interferométrico. Sin embargo, el verdadero diferenciador técnico es más profundo que la potencia bruta: reside en la coherencia temporal y espacial de la fuente.

Dos arquitecturas principales dominan el mercado de las fuentes de luz de semiconductores: la tradicional emisor de diodo láser y el diodo superluminiscente (SLD). Aunque ambos se basan en la inyección de portadores en una estructura de pozo cuántico para conseguir ganancia, difieren mucho en la forma en que gestionan la retroalimentación óptica. Comprender esta divergencia es fundamental para aplicaciones que van desde la tomografía de coherencia óptica (OCT) a la metrología de precisión.

El emisor de diodo láser: Emisión estimulada y bloqueo de fase

A emisor de diodo láser funciona según el principio de emisión estimulada dentro de una cavidad resonante. La física de este dispositivo requiere tres componentes esenciales: un medio de ganancia (la capa semiconductora activa), una fuente de bombeo (la corriente de inyección) y una retroalimentación óptica (los espejos, normalmente formados por las facetas hendidas del cristal).

Cuando la corriente de inyección supera un umbral determinado, la inversión de la población en la región activa es suficiente para superar las pérdidas internas. En este punto, los fotones que rebotan entre las facetas desencadenan la emisión de más fotones idénticos en fase, frecuencia y dirección. Este bloqueo de fase da lugar a la elevada coherencia temporal característica de un láser. Para un Láser de 10 milivatios, El ancho de línea espectral suele ser muy estrecho, a menudo inferior a 0,1 nm, lo que significa que la luz tiene una gran longitud de coherencia.

Sin embargo, esta elevada coherencia es un arma de doble filo. En aplicaciones de imagen, la alta coherencia produce “ruido de moteado”, un patrón de interferencia granular que degrada la resolución de la imagen. Sin embargo, en el caso de la detección de precisión, es la característica que permite realizar mediciones de desplazamiento subnanométricas.

El diodo superluminiscente (SLD): El término medio

El diodo superluminiscente representa una clase única de emisor que combina la alta potencia y luminosidad de un láser con la baja coherencia de un LED. Desde el punto de vista arquitectónico, un SLD es un emisor de diodo láser sin la retroalimentación. Empleando una guía de ondas inclinada o añadiendo un revestimiento antirreflectante (AR) a las facetas, el fabricante suprime las resonancias Fabry-Pérot.

Sin el bucle de realimentación, el dispositivo funciona mediante emisión espontánea amplificada (ASE). Los fotones generados por emisión espontánea se amplifican a medida que se desplazan por el medio de ganancia, pero no se someten al proceso de bloqueo de fase de un láser. El resultado es un amplio espectro de salida, normalmente de 10 a 100 nm, que se traduce en una longitud de coherencia muy corta (micras en lugar de metros).

Para un comprador OEM, el SLD es el patrón oro de la iluminación “sin motas”. En el diagnóstico médico, sobre todo en la exploración de la retina, la baja coherencia del SLD permite el seccionamiento en profundidad de alta resolución necesario para ver las distintas capas del ojo.

Física directa del diodo verde: El desafío del láser verde de 100 mw

La búsqueda de un establo láser verde de 100 mw ha sido históricamente una lucha entre la tecnología DPSS (Diode-Pumped Solid-State) y los diodos GaN (Nitruro de Galio) de emisión directa. La tecnología tradicional Láseres de 532 nm utilizaba un diodo infrarrojo para bombear un cristal Nd:YVO4, que a su vez utilizaba un cristal no lineal para duplicar la frecuencia. Este proceso de varios pasos es muy sensible a la temperatura y las vibraciones.

El cambio hacia la emisión directa láser verde de 100 mw (normalmente 520 nm) ha redefinido el panorama industrial. Estos dispositivos utilizan pozos cuánticos de InGaN (nitruro de indio y galio). El reto de ingeniería a 100 mw es el “descenso de la eficiencia”, un fenómeno en el que la eficiencia cuántica interna del diodo GaN disminuye a medida que aumenta la densidad de corriente. Esto se atribuye en gran medida a la recombinación Auger, en la que la energía de un par electrón-hueco se transfiere a un tercer portador en forma de calor en lugar de luz.

Mantener una salida estable de 100mw requiere una sofisticada gestión de la impedancia térmica. El calor generado en la región activa debe desplazarse a través de las capas de revestimiento p y n hasta el subconjunto. En un emisor de diodo láser, El uso de submontajes de AlN (nitruro de aluminio) o diamante es habitual para evitar el “vuelco térmico”, en el que la potencia del láser comienza a disminuir a pesar de un aumento de la corriente.

De la calidad de los componentes al coste total del sistema: La lógica del OEM

Al adquirir un luz láser 5mw o un Láser de 10 milivatios, Los equipos de contratación suelen centrarse en el precio por unidad. Sin embargo, la relación “Componente-coste” no es lineal. Un nivel bajo emisor de diodo láser puede costar 30% menos que una unidad industrial premium, pero introduce costes ocultos en el sistema del usuario final.

Estabilidad espectral y costes de filtrado

Un diodo de baja calidad suele presentar “saltos de modo”, es decir, saltos impredecibles en la longitud de onda de emisión a medida que cambia la temperatura. Si el producto final utiliza filtros ópticos de banda estrecha, un salto de modo puede desplazar la frecuencia del láser fuera de la banda de paso del filtro, inutilizando el sistema. El “coste” aquí no es sólo el diodo, sino la complejidad añadida de un controlador de temperatura de bucle cerrado (TEC) que podría no haber sido necesario con un emisor más estable.

Divergencia del haz y complejidad óptica

La salida sin procesar de un emisor de diodo láser es altamente divergente y astigmático. La precisión del grabado de la guía de ondas de la cresta determina lo “limpio” que es el haz en bruto. Un haz láser verde de 100 mw con un factor $M^2$ bajo permite una óptica de colimación más sencilla y barata. Por el contrario, un haz de mala calidad requiere lentes asféricas o filtros espaciales caros para ser utilizable, lo que a menudo supera el ahorro inicial en el propio diodo.

Rendimiento comparativo: SLD frente a emisor de diodo láser

Para ayudar en el proceso de selección técnica, la siguiente tabla compara las características típicas de los emisores semiconductores de gama alta en el rango de 5 a 100 mw.

Contexto semántico avanzado: Más allá de las especificaciones básicas

Para comprender plenamente el estado actual del sector, hay que integrar en la filosofía de diseño otros tres conceptos de alto tráfico:

1. Eficiencia del enchufe de pared (WPE): Especialmente relevante para el láser verde de 100 mw, El WPE mide cuánta energía eléctrica se convierte en luz. Un WPE elevado reduce las necesidades de refrigeración, lo que permite fabricar dispositivos portátiles más compactos.
2. Ruido de intensidad relativa (RIN): En la comunicación o detección a alta velocidad, el “brillo” o ruido en la potencia del láser puede limitar la relación señal/ruido. Premium emisores de diodos láser para garantizar la integridad de los datos.
3. Estabilidad en modo transversal: Para un Láser de 10 milivatios, El mantenimiento de un único modo $TEM_{00}$ es esencial para un acoplamiento consistente en fibras monomodo. La inestabilidad del modo puede dar lugar a “fluctuaciones de acoplamiento”, que a menudo se diagnostican erróneamente como ruido electrónico.

Caso práctico: Implementación de un SLD de 10 mW para la detección industrial por fibra óptica

Antecedentes del cliente

Una empresa de control de la salud estructural estaba desarrollando un sistema de interrogación por rejilla de fibra de Bragg (FBG). Estos sistemas se utilizan para vigilar la integridad de puentes y alas de aviones midiendo el desplazamiento de longitud de onda de la luz reflejada por sensores de fibra.

Retos técnicos

El cliente utilizó inicialmente un Láser de 10 milivatios pero descubrieron que la elevada coherencia del láser creaba “franjas de interferencia” en la fibra, que enmascaraban las señales del sensor. Necesitaban una fuente con potencia suficiente para recorrer 5 km de fibra pero con una longitud de coherencia lo bastante corta para evitar interferencias parásitas.

Configuración de los parámetros técnicos

• Fuente: 850 nm Diodo superluminiscente.
• Potencia de salida: 10mW (en la fibra).
• Ancho de banda espectral: 25nm (FWHM).
• Longitud de coherencia: ~30 $\mu$m.
• Corriente de funcionamiento: 120 mA.
• Embalaje: Envase mariposa con TEC y termistor integrados.

Protocolo de control de calidad

La principal preocupación era la “ondulación espectral”. En un SLD, cualquier reflexión residual de las facetas provoca ondulaciones en el amplio espectro, que pueden confundirse con una señal del sensor. Aplicamos un riguroso protocolo de mapeo espectral con un analizador de espectro óptico (OSA) para garantizar que la ondulación fuera inferior a 0,1 dB en toda la banda de 25 nm. Además, los módulos se sometieron a una inmersión de 100 horas a alta temperatura para garantizar que los revestimientos AR no se degradaran.

Conclusión

Al pasar de un láser de banda estrecha a un SLD de alta potencia, el cliente aumentó la relación señal/ruido de su sistema de monitorización en 18 dB. La baja coherencia del SLD eliminó los artefactos de interferencia, lo que les permitió detectar microfisuras en la estructura del puente que antes eran invisibles. Este caso pone de relieve que, para las redes de fibra complejas, la “anchura” espectral suele ser más importante que la “pureza” espectral.”

Integración estratégica: El emisor adecuado

Si la solicitud requiere un luz láser 5mw para una alineación sencilla o una láser verde de 100 mw para el procesamiento industrial, el equipo de ingeniería debe tener en cuenta la “estabilidad de potencia a largo plazo” (LTPS).

Un fabricante como diodo láser-ld.com proporciona los datos que permiten realizar este cálculo. Al evaluar un láser en venta, Solicite la “curva L-I” (luz frente a corriente) a varias temperaturas. Si las curvas no son paralelas, indica un confinamiento deficiente del portador, lo que provocará un envejecimiento prematuro.

En la gama de 5 a 10 mw, la “corriente de umbral” es el parámetro clave. Una corriente de umbral más baja suele indicar un crecimiento del cristal de mayor calidad con menos defectos. Para la gama de 100 mw, hay que centrarse en la “Resistencia térmica” ($R_{th}$) de la unión a la carcasa. Una $R_{th}$ más baja es la única garantía de que un láser verde sobrevivirá a miles de ciclos de trabajo sin una disminución significativa de la potencia.

FAQ: Perspectivas profesionales sobre la tecnología de diodos

P1: ¿Se puede enfocar un diodo superluminiscente con tanta precisión como un diodo láser?

R: Sí. Aunque el SLD tiene una coherencia temporal baja (espectro amplio), puede tener una coherencia espacial alta (modo transversal único). Esto significa que un SLD puede enfocarse a un punto limitado por difracción, casi idéntico a un emisor de diodo láser de la misma longitud de onda.

P2: ¿Por qué el láser verde directo de 520 nm es más fiable que el láser DPSS de 532 nm?

R: El diodo de 520 nm es un único chip semiconductor. El láser DPSS de 532 nm implica múltiples cristales y una óptica sensible a la alineación. El diodo directo puede modularse a velocidades de MHz y es mucho más resistente a los “picos de potencia” inducidos por la temperatura.”

P3: ¿Cómo elegir entre 5mw y 10mw para un producto con certificado de seguridad?

R: Depende de la clase de seguridad del láser (Clase 3R frente a Clase 3B). Una luz láser de 5mw suele ser el límite para la Clase 3R, que tiene menos requisitos normativos en muchas jurisdicciones. Sin embargo, un láser de 10 milivatios proporciona una mejor relación señal/ruido para los sensores. Consulte siempre las normas IEC 60825-1 durante la fase de diseño.

P4: ¿El amplio espectro de un SLD provoca aberración cromática?

R: Sí. Dado que un SLD tiene un amplio ancho de banda, las lentes singlete estándar enfocarán diferentes longitudes de onda en diferentes puntos. Para los sistemas SLD, se recomienda encarecidamente el uso de dobletes acromáticos para mantener un tamaño de punto nítido.