Los transistores aprovechan las propiedades especiales de un tipo de materiales conocidos como semiconductores. La corriente eléctrica se origina con el movimiento de los electrones. Metales comunes como el cobre son buenos conductores de la electricidad debido a que sus electrones no están unidos estrechamente al núcleo del átomo y son atraídos libremente por una carga positiva. Otras sustancias como, por ejemplo, el caucho, son aislantes, malos conductores de la electricidad, dado que sus electrones no se mueven libremente. Los semiconductores, como su nombre indica, son algo intermedio entre estos dos conceptos; aunque normalmente se comportan como aislantes, es posible que en algunos casos conduzcan la electricidad.

a b c

Cómo funcionan los láseres. (a) Un conjunto de átomos de láser con sus niveles cuánticos representados. (b) El proceso de bombeo óptico, en el que un gran número de átomos atrapados se estimulan hacia un nivel de energía más alto. (c) La emisión estimulada y la oscilación del láser. Un rayo de luz, ajustado a la frecuencia de transmisión entre los dos niveles, se envía a través del conjunto de átomos, lo que provoca que aquellos que se encuentran en un nivel de energía más alto cedan su energía al rayo de luz. Los espejos alineados en cada extremo de la cavidad del láser forman un resonador óptico, lo que provoca que el rayo de salida sea altamente monocromático o altamente direccional. (Adaptación de una ilustración cedida por la Universidad de Stanford).

Los primeros estudios sobre semiconductores se centraron en el silicio, pero el silicio en sí no puede emitir luz láser. La invención del transistor en 1948 por William Schockley, Walter Brattain y John Bardeen, de los Laboratorios Bell, estimuló el estudio de otros semiconductores. También proporcionó el marco conceptual que con el tiempo llevaría a la comprensión de la emisión de la luz en los semiconductores. En 1952, Heinrich Welker, de Siemens, Alemania, describió semiconductores de elementos de las columnas III y V de la tabla periódica como potencialmente útiles para dispositivos electrónicos. Uno de estos elementos, el arseniuro de galio o GaAs, sería muy importante en la búsqueda de un láser de comunicación eficaz. Para su total explotación fueron necesarios una serie de estudios iniciales acerca del desarrollo capa por capa de los cristales de alta pureza, investigaciones de los defectos e impurezas (impurezas añadidas a una sustancia pura para cambiar sus propiedades) y el análisis de los efectos del calor sobre la estabilidad de los compuestos. Con estos avances, los grupos de investigación de General Electric, IBM y el Laboratorio Lincoln del Massachussets Institute of Technology (Instituto de tecnología de Massachussets) desarrollaron, en 1962, los láseres de GaAs.

Sin embargo, aún persistía un antiguo problema: el sobrecalentamiento. Los láseres que usaban un solo semiconductor, normalmente GaAs, no eran muy eficaces. Todavía requerían tanta electricidad para comenzar a activar el láser que, a temperatura ambiente normal se sobrecalentaban rápidamente; por otra parte, sólo era posible el funcionamiento por impulsos, lo cual no era práctico para la comunicación. Los físicos probaron varios métodos para eliminar el calor, tales como colocar los láseres encima de otros materiales que eran buenos conductores de calor, pero no tuvieron éxito. Posteriormente, en 1963, Herbert Kroemer, de la Universidad de Colorado, propuso un enfoque distinto: construir un láser compuesto de un sándwich de semiconductores, con una fina capa activa colocada entre dos capas de materiales diferentes. Al limitar la acción del láser a una fina capa activa, se requeriría muy poca corriente y el calor desprendido se mantendría en niveles aceptables.

Dicho láser no se podía construir simplemente introduciendo la capa activa, como un pedazo de queso entre dos rebanadas de pan. Los átomos de los cristales de semiconductores están colocados en forma reticular, con los electrones formando enlaces químicos. Para crear un láser de semiconductores de varias capas con los enlaces necesarios entre los átomos, el dispositivo tenía que desarrollarse como una sola unidad, llamada cristal multicapa.

En 1967, los investigadores Morton Panish e Izuo Hayashi, de los Laboratorios Bell, sugirieron la posibilidad de crear un cristal multicapa adecuado utilizando una forma modificada de GaAs, en la que unos cuantos átomos de aluminio sustituirían parte del galio, en un proceso llamado "doping". El compuesto modificado, AlGaAs, tenía separaciones atómicas que serían diferentes a las de GaAs en una proporción de 1 en 1.000. Los investigadores propusieron que, al crecer en cada lado de la capa fina de GaAs, el AlGaAs restringiría la actividad del láser a la capa de GaAs. Todavía se necesitaban varios años de trabajo, pero el camino hacia los láseres de "estado sólido" (dispositivos de semiconductores en miniatura que funcionan siempre a temperatura ambiente) ya estaba abierto.

Todavía quedaba un obstáculo: cómo transmitir señales luminosas a largas distancias. Las ondas de radio de longitud de onda larga se propagan libremente por el aire, atravesando niebla y fuertes lluvias fácilmente. Pero la luz de láser de longitud de onda corta rebota en el vapor de agua y en otras partículas de la atmósfera hasta tal punto que se dispersa o bloquea. Un día nublado podría interrumpir un enlace de comunicación por láser. Por tanto, la luz necesitaba de un conducto, de forma análoga a las líneas telefónicas.

The National Academies

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