8 Faça uma descrição qualitativa dos princípios de funcionamento de um laser de poço quântico. O que é um laser DFB?
Passo 1
O enunciado pede uma descrição qualitativa dos princípios de funcionamento de um laser de poço quântico e a definição do que é um laser DFB. Vamos precisar entender conceitos de heteroestrutura, confinamento quântico, recombinação estimulada e técnicas de realimentação óptica.
Passo 2
Em um laser de poço quântico a região ativa é formada por uma camada muito fina de material semicondutor de gap menor (o poço) inserida entre duas barreiras de gap maior. Esse empilhamento forma uma heteroestrutura que confina portadores (elétrons e lacunas) na direção do crescimento, resultando em níveis de energia quantizados – as chamadas sub-bandas discretas.
Passo 3
Ao ser injetada corrente elétrica, elétrons e lacunas são bombeados para o poço quântico. Quando ocorre recombinação estimulada entre níveis quantizados da sub-banda de condução e da sub-banda de valência, são gerados fótons coerentes com energia próxima à diferença entre esses níveis. A emissão estimulada amplifica a luz dentro do dispositivo.
Passo 4
A cavidade óptica do laser pode ser formada pelas faces facetadas do chip ou por guias de onda que confinam o modo óptico lateralmente. Para que haja emissão a laser é preciso que o ganho do meio ativo supere as perdas da cavidade acima de uma corrente de limiar. A realimentação faz com que os fótons passem várias vezes pelo meio ativo, ampliando o feixe coerente e direcional.
Passo 5
O confinamento quântico reduz a densidade de estados do meio ativo e concentra portadores em níveis específicos, o que diminui a corrente de limiar e aumenta a eficiência quântica. Além disso, a separação em sub-bandas melhora o controle espectral e a estabilidade da emissão em relação a lasers de poço amplo.
Passo 6
Um laser DFB (Distributed Feedback) utiliza uma rede de Bragg periodicamente gravada ao longo da guia de onda como mecanismo de feedback distribuído, em vez de espelhos em suas extremidades. Essa grade reflete seletivamente um comprimento de onda específico, garantindo emissão monomodo longitudinal de alta estabilidade e baixo ruído de modo.
Passo 7
O uso de realimentação distribuída faz com que o laser DFB apresente um espectro muito estreito, sem modos espúrios, e mantenha o comprimento de onda estável mesmo com variações de temperatura ou corrente.
Resposta
Um laser de poço quântico é um dispositivo em que a região ativa consiste em uma camada fina de semicondutor confinada entre barreiras de gap maior, o que quantiza níveis de energia e concentra portadores em sub-bandas discretas. A recombinação estimulada nesses níveis gera fótons coerentes, enquanto a cavidade óptica (faces facetadas ou guia de onda) fornece o feedback necessário para amplificar a luz acima de uma corrente de limiar reduzida e com alta eficiência. Um laser DFB (Distributed Feedback) incorpora uma grade de Bragg periodicamente gravada na guia de onda para fornecer feedback distribuído, selecionando um único modo longitudinal e garantindo emissão monomodo estável de baixo ruído.