Este curso queremos acercaros, de forma didáctica, curiosidades, principios técnicos y físicos que están estrechamente relacionados con las soluciones que se aportan desde nuestra representada ADILEC.

Al mismo tiempo, nuestro objetivo es que podáis comprender con un poco más de profundidad la tecnología que os rodea en el día a día.

En esta serie de artículos nos tomaremos algunas licencias para simplificar el marco físico, con el fin de explicar de la manera más visual y didáctica posible los conceptos básicos que queremos transmitir.

Del átomo al láser: lo esencial

En este artículo explicaremos, de la forma más fundamental posible, cómo funciona un láser, cuáles son las características de la luz que emite y qué lo hace tan interesante para las aplicaciones de telecomunicaciones a través de fibra óptica.

Como ya imagináis, el láser es uno de los elementos principales en todos los conversores de ADILEC. Es el componente que nos permite inyectar luz modulada en el núcleo de las fibras SM y MM.

El átomo

Un átomo, en su modelo más simple, tiene un núcleo (protones y neutrones) y electrones alrededor.

Aunque existan poco más de cien tipos de átomos naturales, al combinarse forman todo lo que vemos.

Sus electrones pueden ocupar niveles de energía distintos.

Al aportar energía (calor, luz o electricidad) un electrón puede salir del estado fundamental (más estable) y subir a un estado excitado (más inestable).

Para visualizarlo, pensad en el núcleo y una nube electrónica con “órbitas” o niveles a distintas distancias del núcleo: subir implica absorber energía y bajar emitirla.

Absorción de energía

Si un átomo absorbe la cantidad “justa” de energía, un electrón salta a un nivel superior. Ese estado excitado es temporal: al «relajarse», el electrón devuelve la diferencia de energía en forma de fotón (luz).

El color (longitud de onda) del fotón depende exactamente de la diferencia energética entre niveles. Dos átomos idénticos en el mismo estado emiten fotones idénticos.

La relación entre la energía del fotón y su longitud de onda es inversamente proporcional, cuanto más energético es un fotón, más corta es su longitud de onda. Por ejemplo: un fotón de luz roja es menos energético que un fotón de luz azulada.

La conexión entre el láser y el átomo.

Un láser controla cómo los átomos excitados liberan fotones. “LASER” significa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificación de luz por emisión estimulada).

Para que funcione, se bombea el medio láser (con luz intensa, electricidad, etc.) hasta lograr inversión de población: más átomos en el estado excitado (no estable) que en el inferior implicado en la transición. Con solo 2 niveles es difícil sostenerla; por eso los láseres reales usan 3 o 4 niveles.
Luz láser (propiedades clave).

La luz que se emite desde un láser tiene las siguientes características. estas características son las que los convierte en una herramienta tan potente.

• Monocromática: emite en una longitud de onda muy definida, una simple longitud de onda, definida por el gap energético entre los dos niveles energéticos que se pude encontrar el electrón.
• Coherente: los fotones “marchan a la vez”, con frentes de onda sincronizados (coherencia temporal y espacial).
• Direccional: haz muy colimado (baja divergencia), fácil de enfocar.

Emisión estimulada

Para que se den estas tres propiedades se necesita algo llamado emisión estimulada. Esto no ocurre en una linterna común: en una linterna, todos los átomos liberan sus fotones de forma aleatoria. En la emisión estimulada, la emisión de fotones está organizada.

El fotón que libera cualquier átomo tiene una determinada longitud de onda que depende de la diferencia de energía entre el estado excitado y el estado fundamental.

Si ese fotón (que posee cierta energía y fase) se encuentra con otro átomo que tiene un electrón en el mismo estado excitado, puede producirse emisión estimulada. El primer fotón puede estimular o inducir la emisión atómica, de modo que el fotón emitido posteriormente (por el segundo átomo) vibre con la misma frecuencia y en la misma dirección que el fotón incidente.
Espejos

La otra clave de un láser es un par de espejos, uno en cada extremo del medio activo.

Los fotones, con una longitud de onda y una fase muy específicas, se reflejan en los espejos y viajan de un lado a otro a través del medio activo. En ese proceso, estimulan a otros electrones a realizar la transición descendente de energía y pueden provocar la emisión de más fotones de la misma longitud de onda y fase.

Se produce un efecto en cascada y, en poco tiempo, se propagan muchísimos fotones con la misma longitud de onda y fase. El espejo de uno de los extremos del láser es semirreflectante (“half-silvered”), lo que significa que refleja parte de la luz y deja pasar otra parte. La luz que consigue atravesarlo es la luz láser.

Podéis ver todos estos componentes en las figuras de la siguiente sección, que ilustran cómo funciona un sencillo láser de rubí.

Láser de rubí (ejemplo clásico)

Un láser de rubí tiene una bombilla flash (bomba) , una barra de rubí y dos espejos (uno semi reflectante):

En las siguientes imágenes de forma simplificada se explica cómo se excita y «arranca» un pulso de Láser.

1. La bombilla flash se dispara e inyecta luz en la barra de rubí. La luz excita a los átomos del rubí.
2. Algunos de los átomos emiten fotones
3. Algunos de estos fotones se desplazan en una dirección paralela al eje del rubí, por lo que rebotan de un espejo al otro. Al pasar a través del cristal, estimulan la emisión en otros átomos.
4. Luz monocromática, de fase única y colimada sale del rubí a través del espejo semi reflectante — ¡luz láser!

Tipos de láseres

Existen muchos tipos de láser. El medio láser puede ser sólido, gaseoso, líquido o semiconductor. Los láseres suelen clasificarse por el tipo de material activo que emplean.
Se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: corte de materiales, metrología, aplicaciones médicas, sensórica, LiDAR, entre otras. Esta tecnología define nuestra realidad actual mucho más de lo que podrías intuir a primera vista.

Indispensables para las telecomunicaciones

Las principales características de los láseres que los convierten en transmisores indispensables en aplicaciones de fibra óptica

• Acoplamiento eficiente (direccionalidad + coherencia espacial): un haz colimado que se ajusta al modo único de la fibra monomodo (SM) ⇒ menores pérdidas de inyección y mejor OSNR (Relación entre señal y ruido óptico).
• Espectro estrecho y estable (monocromaticidad): permite operar exactamente en 1310/1550 nm, reduce la penalización por dispersión y habilita WDM/DWDM (muchos canales por fibra).
• Alta velocidad de modulación: los diodos láser admiten modulación IM-DD (modulación base muy utilizada) rápida y modulación externa (EML/MZM) ⇒ decenas/cientos de Gb/s.