El desarrollo de fuentes de radiación ultravioleta profunda (far-UVC, por debajo de 240 nm) se ha convertido en una de las líneas más activas de la fotónica aplicada a la salud. A diferencia del UV-C convencional (254 nm), utilizado desde hace décadas en la desinfección de aire y superficies, el far-UVC presenta una propiedad singular: su penetración en tejidos biológicos es extremadamente limitada, lo que abre la puerta a aplicaciones directas sobre la piel e incluso en cavidades corporales sin causar daños significativos en las capas vivas de la epidermis.
Un equipo de investigadores del Ferdinand-Braun-Institut (FBI), en Berlín, ha logrado avances relevantes en la eficiencia y en la integración de diodos emisores de luz (LEDs) basados en AlGaN que emiten en torno a 235 nm. Mediante una arquitectura de micro-LEDs con paredes laterales inclinadas y altamente reflectantes, han logrado multiplicar la eficiencia cuántica externa (EQE) respecto a diseños convencionales, y han conseguido algo especialmente complejo en este rango espectral: acoplar potencia útil en fibras ópticas UV-transparentes con una eficiencia suficiente como para plantear aplicaciones clínicas reales, como la desinfección de la garganta en pocos minutos.
Micro-estructuración del chip para mejorar la eficiencia
Los LEDs de ultravioleta profundo presentan limitaciones físicas mucho más severas que sus equivalentes en el visible. Para emitir por debajo de 240 nm es necesario aumentar el contenido de aluminio en las capas activas de AlGaN, lo que degrada la calidad cristalina, incrementa la densidad de defectos y dificulta el dopaje, especialmente tipo p. A estas restricciones electrónicas se suma un cuello de botella óptico fundamental: la baja eficiencia de extracción de luz (LEE).
El índice de refracción elevado del AlGaN, combinado con la geometría plana del chip, hace que una gran fracción de los fotones generados en la región activa quede atrapada por reflexión interna total y termine reabsorbida. En el far-UVC, donde las pérdidas por absorción en contactos metálicos y capas auxiliares son mayores que en el visible, este problema resulta especialmente crítico. El resultado es una eficiencia cuántica externa (EQE) muy baja, incluso cuando la eficiencia interna del material no es catastrófica.
El enfoque del FBH consiste en dividir la superficie emisora en decenas o cientos de miles de micro-LEDs con diámetros micrométricos, cada uno rodeado por paredes laterales inclinadas 45° y recubiertas con material reflectante. Estas paredes actúan como espejos que interceptan los fotones que viajan lateralmente dentro del semiconductor y los redirigen hacia la cara posterior del chip, donde se encuentra el sustrato de zafiro transparente. Desde ahí, la luz puede extraerse con mayor probabilidad hacia el exterior.
Esta micro-estructuración transforma un emisor plano en una matriz de micro-emisores con trayectorias ópticas controladas. En términos cuantitativos, se ha demostrado que esta arquitectura puede multiplicar la LEE por un factor de dos a tres. En dispositivos con entre 10.000 y 100.000 micro-LEDs y diámetros de hasta 1 µm, se alcanzaron valores récord en este rango espectral: una EQE del 3,0 % y una eficiencia “wall-plug” (WPE) del 2,0 %. Aunque estas cifras están muy lejos de las de los LEDs visibles, representan un salto sustancial en far-UVC, donde durante años han sido habituales valores por debajo del 1 %.
Control angular y acoplamiento en fibra
El segundo gran reto abordado por el equipo es el acoplamiento de la radiación far-UVC en fibras ópticas. A diferencia de los láseres, que emiten haces relativamente colimados, los LEDs son fuentes con una divergencia angular muy amplia. En el caso de LEDs de 235 nm con diseño convencional, el ángulo de emisión total puede alcanzar los 140°.
Las fibras ópticas UV-transparentes, por el contrario, tienen ángulos de aceptación limitados por su apertura numérica. Para este rango espectral, el semicono de aceptación típico se sitúa en torno a ±12°, es decir, un ángulo total cercano a 24°. Esto implica que solo una pequeña fracción de la potencia emitida por un LED convencional cae dentro del cono que la fibra puede guiar, haciendo el acoplamiento intrínsecamente ineficiente.
La arquitectura de micro-LEDs introduce aquí un segundo efecto beneficioso. Al reducir el tamaño lateral de cada emisor y modificar las trayectorias ópticas mediante paredes reflectantes inclinadas, se altera la distribución angular de la emisión en campo lejano. En experimentos con micro-LEDs de 1,5 µm de diámetro, el ángulo de emisión total se redujo de unos 140° a aproximadamente 90°. Aunque sigue siendo amplio, este estrechamiento ya mejora de forma medible la compatibilidad angular con la fibra.
Combinación de factores y casos de uso
La combinación de ambos factores —mejor LEE (≈ 2,5 veces) y mejor acoplamiento angular (≈ 2 veces)— dio lugar a un incremento de cinco veces en la potencia transmitida a través de una fibra multimodo de 910 µm de núcleo. En términos de eficiencia de acoplamiento, se pasó de alrededor del 4 % al 8 %. Para una fuente LED en far-UVC, estos valores son modestos pero funcionales, especialmente en aplicaciones de desinfección donde no se requieren densidades de potencia extremadamente altas.
El siguiente paso fue la integración a gran escala: un chip de 1 mm × 1 mm que incorpora hasta 125.000 micro-LEDs circulares, cada uno con un diámetro inferior a 1,5 µm, dispuestos de forma muy compacta. A una corriente de 200 mA, este dispositivo logró inyectar más de 1 mW de potencia óptica útil a 235 nm en una fibra de 1 m de longitud y 910 µm de núcleo.
Desde el punto de vista clínico, esta cifra marca un umbral relevante. Socios del proyecto en la Charité de Berlín estiman que este nivel de potencia podría ser suficiente para lograr la desinfección de la garganta humana en menos de cinco minutos. El escenario que se abre es el de un endoscopio equipado con una fibra UV-transparente capaz de inactivar bacterias y virus en cavidades corporales, incluyendo patógenos multirresistentes, sin recurrir a antibióticos ni a procedimientos invasivos complejos.
No obstante, conviene introducir cautelas. La viabilidad técnica del acoplamiento en fibra no equivale automáticamente a un dispositivo médico listo para su uso. Será necesario validar la estabilidad térmica del LED, la durabilidad de reflectores y fibras bajo exposición prolongada a far-UVC, la esterilización del extremo óptico y, sobre todo, la seguridad biológica en mucosas sensibles. Además, la microbiota natural de la garganta cumple funciones fisiológicas importantes, por lo que una desinfección indiscriminada podría tener efectos secundarios no triviales.
Fuente de imagen de portada: Leibniz Ferdinand Braun Institut (FBI)
