El láser, inventado hace más de medio siglo, es un dispositivo con la peculiar característica de emitir luz en una dirección, con fotones moviéndose a una frecuencia específica y todos en fase (propiedad conocida con el nombre de coherencia). Constituye la poderosa maquinaria detrás de muchos componentes electrónicos que conforman la tecnología puntera de hoy en día y es el responsable de la manera en que nos comunicamos actualmente.

Generalmente pensamos en los láseres como pequeñas linternas de luz que emiten haces de color muy intensos y con una luz muy pura, pero el aspecto más interesante de estos dispositivos emisores de luz cae en la parte infrarroja del espectro, un rango del espectro electromagnético en el cual nuestros ojos no pueden ver. La detección en el rango infrarrojo medio y largo está adquiriendo una importancia primordial en diferentes campos tecnológicos, ya que está demostrando ser una excelente herramienta en aplicaciones que van desde la monitorización ambiental, la detección de gases, la termografía, así como el control de calidad de los alimentos o la industria farmacéutica o incluso las aplicaciones LIDAR (detección y rango de luz) para imágenes 3D, automoción e incluso comunicaciones en el espacio.

Se sabe que las fibras ópticas son transparentes en el infrarrojo (longitudes de onda de 1,3-1,6 mm), lo que permite una transmisión óptica eficiente con velocidades muy altas de transmisión de datos. Por otro lado, los láseres en el infrarrojo tienen mínima interferencia con la luz ambiental y se consideran seguros para la vista. La cantidad de información oculta dentro de esta ventana espectral singular abre nuevas posibilidades para la obtención de imágenes multiespectrales o incluso hiperespectrales (con información en un amplio rango del espectro electromagnético).

Sin embargo, desarrollar láseres en el infrarrojo a escala nanométrica tiende a ser un reto importante, ya que son dispositivos muy complejos y costosos de construir. Más aún, la imperiosa necesidad de llevar estas funcionalidades al mercado de consumo requiere encontrar una tecnología novedosa que sea de bajo coste, compatible con tecnología CMOS y que no imponga serias restricciones a nivel regulatorio, ya que los láseres infrarrojos se fabrican principalmente con fibras dopadas con el elemento químico Erbio o materiales semiconductores epitaxiales III-V*, imponiendo ciertas limitaciones en su fabricación y su integración con la electrónica.

Descubiertos en los 80s, los puntos cuánticos (quantum dots) son cristales semiconductores minúsculos, de tamaño nanométrico, con propiedades conductoras muy características, las cuales están determinadas por su tamaño. Acuñados con este nombre singular, estos nanocristales son de un tamaño tan pequeño que los efectos cuánticos que sí se producen en su interior son sumamente relevantes y determinan el comportamiento físico de dichos materiales. Tienen propiedades ópticas únicas, lo que les permite emitir luz en longitudes de onda específicas, y pueden manipular y ajustarse con muy alta precisión con solo cambiar las propiedades del cristal, su forma, tamaño y/o composición química.

Como miembro de esta familia, los puntos cuánticos coloidales (Colloidal Quantum Dots o CQDs) son nanocristales semiconductores procesados en solución, con diámetros inferiores a 20 nm y han surgido como la novedad para fuentes láser a nanoescala, porque son competitivos en coste, tienen un excelente medio de ganancia óptica, además de ser fácilmente sintonizables y compatibles con la tecnología CMOS. La ganancia óptica en los láseres es fundamental porque es el parámetro que describe cuan bueno es el sistema para amplificar la luz dentro del mismo. Por lo tanto, si uno es capaz de encontrar un nuevo sistema con una alta ganancia óptica que pueda producirse a bajo coste, en grandes volúmenes y que pueda integrarse en una variedad de sustratos y con diversos factores de forma, este descubrimiento definitivamente desencadenaría un nuevo campo de aplicaciones a nivel tecnológico.

Ahora bien, muchos estudios han demostrado con éxito el desarrollo de CQDs con excelente ganancia óptica, emisión estimulada y emisión laser en el rango visible, pero este logro aún no se ha podido materializar en el rango infrarrojo, una parte del espectro que es de suma importancia para las muchas aplicaciones mencionadas anteriormente. Pues es ahí justamente donde SWIRLDOT encuentra su nicho.

El proyecto SWIRLDOT tiene el objetivo de desarrollar un láser infrarrojo de bajo umbral desarrollado con CQDs que emita radiación, como una fuente láser, en el rango infrarrojo, que se pueda integrar fácilmente en la tecnología de silicio y se pueda fabricar a bajo coste. SWIRLDOT buscará desarrollar este dispositivo y que no solo incluya todas estas especificaciones, sino que también resuelva las siguientes limitaciones:

1. Reducir las altas tasas de inyección de luz (optical pumping) al sistema para conseguir la inversión de población
2. Aumentar la ganancia óptica del medio suprimiendo un efecto llamado recombinación de Auger
3. Desarrollar una cavidad óptica resonante en la que los CQDs se puedan integrar en el medio óptico y utilizar como fuente de láser con una alta ganancia óptica

Efectos de inversión de población
La palabra "láser" deriva del inglés Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Luz amplificada por emisión estimulada de radiación), que se consigue llevando los electrones de los átomos a un estado excitado que provoque la emisión de fotones (luz). Esta excitación se consigue muchas veces bombeando o inyectando luz al sistema. Llevar estos átomos a un estado excitado es lo que se llama inversión de población. Pero mantener la inversión de población de manera continua en un sistema por sí sola es muy difícil y, por eso, es necesario bombear o inyectar luz al sistema de manera continua para lograr una estimulación y emisión de luz constantes.

El mismo principio también ocurre en el infrarrojo y, por tanto, para superar este problema, el proyecto ha decidido aplicar una técnica novedosa para reducir el nivel de energía de bombeo o inyección necesario para lograr la emisión final de luz del sistema. Es decir, tiene como objetivo reducir el efecto de inversión de población dopando químicamente los cristales de los CQDs con materiales específicos, sustituyendo elementos químicos y cambiando átomos e iones de lugar dentro de la estructura interna del material, para cambiar su composición y, por ende, su rendimiento total. Una vez conseguida esta modificación química, aplicarán una técnica especializada para reducir la ganancia óptica del medio a umbrales mucho más bajos para así lograr una emisión láser a intensidades de bombeo mucho más bajas, un efecto que, de conseguirse, abrirá un nuevo camino hacia aplicaciones mucho más prácticas.

Suprimir la recombinación de Auger
La recombinación de Auger es un efecto en el que los electrones que ocupan niveles de energía más bajos dentro del átomo pueden absorber energía de electrones excitados en niveles de energía más altos, pero la absorción de energía en realidad no genera la emisión de ningún fotón, como generalmente pasa. Este efecto, también conocido como estados de trampa electrónica, es un efecto contraproducente porque compite y dificulta el efecto de emisión estimulada en los láseres de alta calidad, lo que limita drásticamente su rendimiento.

Por lo tanto, el proyecto abordará este problema desarrollando CQDs de diferentes tamaños y con configuraciones de núcleos-superficies diferentes. Explorará la implementación de sistemas eléctricamente conductores de multibanda para manipular las características semiconductoras de los CQDs, suprimir los estados de trampa electrónica o de recombinación de Auger, y así conseguir niveles de emisión estimulada muchos más altos.

Fuentes láser mejoradas con cavidades ópticas
Una cavidad óptica podría verse como una caja llena de espejos en la cual la luz (fotones) rebota entre las paredes reflectantes con la intención de aumentar la ganancia de los fotones y desencadenar su emisión. En otras palabras, actúa como un confinamiento resonante y ayuda a amplificar la emisión.

Este proyecto tiene también como objetivo estudiar y desarrollar diferentes configuraciones de cavidades ópticas para identificar el sistema de CQDs que tenga el mejor medio de ganancia óptica y que sea fácilmente integrable en una fuente láser.

Se estudiarán y caracterizarán tres cavidades ópticas diferentes, construidas con diferentes materiales y desarrolladas con diferentes diseños y técnicas estructurales, para explorar características como niveles de emisión, ganancia óptica, estabilidad, polarización de emisión y ancho de línea. Con estos parámetros en mente, el equipo tiene como objetivo conseguir una emisión láser eficiente en la banda de comunicación óptica del espectro infrarrojo, que es segura para la vista y tiene lugar a temperatura ambiente, con el fin de resolver y encontrar la última pieza del rompecabezas tan buscada en el mundo de la tecnología de silicio para la fotónica.

El cumplimiento de los objetivos propuestos en el proyecto significaría un gran avance en el campo de la optoelectrónica de los puntos cuánticos coloidales o CQDs. Conseguir tales logros dará pie a facilitar la completa integración de la fotónica en el campo de la tecnología del silicio, allanando el camino hacia soluciones procesadas de bajo coste y fuentes láser integradas en tecnología CMOS para comunicación on-chip o aplicaciones LIDAR.

_{*Los materiales semiconductores III-V son materiales compuestos por uno o más elementos de la columna III (boro, galio, aluminio, etc.) y la columna V (arsénico, antimonio, fósforo, etc.) de la tabla periódica. Son los segundos materiales más utilizados en la industria, después del silicio.}