Введение
Квантовые каскадные лазеры (QCL) - это полупроводниковые лазеры, которые излучают в средней и дальней инфракрасной части электромагнитного спектра и были впервые продемонстрированы Джеромом Фейстом, Федерико Капассо, Деборой Сивко, Карло Сиртори, Альбертом Хатчинсоном и Альфредом Чо в лабораториях Белла в 1994 году. В отличие от типичных межполосовых полупроводниковых лазеров, которые излучают электромагнитное излучение через рекомбинацию пар электронных отверстий через полосу пробела материала, QCL являются однополярными, а лазерное излучение достигается за счет использования межполосовых переходов в повторяющемся стеке полупроводниковых многократных квантовых скважинных гетероструктур, идея, впервые предложенная в статье "Возможность усиления электромагнитных волн в полупроводнике с суперсетью" Р. Ф. Казариновым и Р. А. Сурисом в 1971 году.
Переходы между подполосами и между полосами
Внутри кристалла полупроводников электроны могут занимать состояния в одной из двух непрерывных энергетических полос - валентной полосе, которая сильно заселена электронами низкой энергии, и в проводимой полосе, которая слабо заселена электронами высокой энергии. Две энергетические полосы разделены энергетическим полосовым разрывом, в котором нет допустимых состояний, доступных для занятия электронов. Обычные полупроводниковые лазерные диоды генерируют свет посредством излучения одного фотона, когда электрон высокой энергии в полосе проводимости рекомбинируется с отверстием в полосе валентности. Энергия фотона и, следовательно, длина волны излучения лазерных диодов определяется полосой пробела используемой системы материалов. Однако QCL не использует навальные полупроводниковые материалы в своей оптически активной области. Вместо этого он состоит из периодических рядов тонких слоев различного состава материала, образующих суперсетку. Суперсетка вводит различный электрический потенциал по всей длине устройства, что означает, что существует различная вероятность того, что электроны занимают разные позиции по всей длине устройства. Это называется одномерным многомерным квантовым скважинами и приводит к разделению полосы разрешенных энергий на ряд дискретных электронных подполос. При правильном проектировании толщины слоя можно создать инверсию популяции между двумя подполосами в системе, которая необходима для достижения лазерного излучения. Поскольку положение энергетических уровней в системе в первую очередь определяется толщиной слоя, а не материалом, возможно настроить длину волны излучения QCL в широком диапазоне в той же системе материалов. Кроме того, в полупроводниковых лазерных диодах электроны и отверстия уничтожаются после рекомбинации через полосу и не могут играть дальнейшей роли в генерации фотонов. Однако в однополярном QCL, когда электрон перешел в межполосное переход и излучает фотон в одном периоде суперсети, он может проникнуть в следующий период структуры, где может быть излучаем другой фотон. Этот процесс, когда один электрон вызывает излучение нескольких фотонов, когда он проходит через структуру QCL, порождает каскадный процесс и делает возможным квантовую эффективность, превышающую единицу, что приводит к более высоким выходной мощности, чем полупроводниковые лазерные диоды.
Конструкция активных регионов
Скорости рассеивания определяются с помощью подходящей конструкции толщины слоев в суперсетке, которые определяют электронные волновые функции подполос. Скорость рассеивания между двумя подполосами в значительной степени зависит от перекрытия волновых функций и энергетического расстояния между подполосами. На рисунке показаны волновые функции в трех квантовых скважинах (3QW) активной области QCL и инжекторе. Для того, чтобы уменьшить, перекрытие верхних и нижних уровней лазера уменьшается. Это часто достигается путем проектирования толщины слоя таким образом, чтобы верхний уровень лазера был в основном локализован в левом яме активной области 3QW, в то время как волновая функция нижнего уровня лазера в основном находится в центральных и правых ямах. Это называется диагональным переходом. Вертикальный переход - это переход, при котором верхний лазерный уровень локализуется в основном в центральных и правых скважинах. Это увеличивает перекрытие, что уменьшает инверсию популяции, но увеличивает силу радиационного перехода и, следовательно, увеличивает прибыль. Для увеличения , нижний уровень лазера и волновые функции на уровне земли спроектированы таким образом, чтобы они хорошо перекрывались, и для дальнейшего увеличения расстояние между подпоясами спроектировано таким образом, чтобы оно было равно продольной оптической (LO) фононной энергии (~36 меВ в GaAs), так что резонансное рассеивание электронов фононов LO может быстро рассеять нижний уровень лазера.
Материальные системы
Первый QCL был изготовлен в материальной системе GaInAs/AlInAs, решетчато согласованной с подложкой InP. В 1998 году Sirtori et al. продемонстрировали QCL на основе GaAs/AlGaAs, доказав, что концепция каскадных квантовых лазеров не ограничивается одной материальной системой. Эта система материалов характеризуется изменяющейся глубиной квантовой ямы в зависимости от концентрации алюминия в барьерах. Хотя QCL на основе GaAs не достигли характеристик QCL на основе InP в среднем инфракрасном диапазоне, они оказались весьма успешными в терагерцовом диапазоне спектра. Предел короткой длины волны QCL определяется глубиной квантовой ямы, и в последнее время QCL разрабатываются в материальных системах с очень глубокими квантовыми ямами для достижения излучения на коротких длинах волн. Материальная система InGaAs/AlAsSb имеет квантовые ямы глубиной 1,6 эВ и используется для изготовления QCL, излучающих на длине волны 3,05 мкм. QCL на основе InAs/AlSb имеют квантовые ямы глубиной 2,1 эВ, и наблюдалась электролюминесценция на длинах волн до 2,5 мкм. Комбинация InAs/AlSb – самое новое семейство материалов для QCL по сравнению со сплавами, выращенными на подложках InP и GaAs. Основным преимуществом материальной системы InAs/AlSb является малая эффективная масса электронов в квантовых ямах, что способствует высокому усилению между зонами. Это преимущество лучше проявляется в QCL с большой длиной волны, где уровни лазерного перехода близки к дну зоны проводимости, а влияние непараболичности невелико. QCL на основе InAs продемонстрировали работу в режиме непрерывного излучения (CW) при комнатной температуре (RT) на длинах волн до с пороговой плотностью импульсного тока так низкой, как . Низкие значения также были достигнуты в QCL на основе InAs, излучающих в других спектральных областях: на , на и на (QCL, выращенный на InAs). Совсем недавно были продемонстрированы QCL на основе InAs, работающие вблизи с всего при комнатной температуре. Полученный порог ниже, чем у лучших зарегистрированных на сегодняшний день QCL на основе InP без обработки граней. QCL также могут обеспечить лазерную генерацию в материалах, традиционно считающихся обладающими плохими оптическими свойствами. Непрямозонные полупроводники, такие как кремний, имеют минимальные энергии электронов и дырок при разных значениях квазиимпульса. Для межзонных оптических переходов носители изменяют квазиимпульс посредством медленного промежуточного процесса рассеяния, что значительно снижает интенсивность оптического излучения. Межзонные оптические переходы, однако, не зависят от относительного квазиимпульса минимумов зоны проводимости и валентной зоны, и были предложены теоретические схемы для Si/SiGe каскадных квантовых излучателей. Межзонная электролюминесценция от неполярных гетероструктур SiGe наблюдалась для среднего и дальнего инфракрасного диапазонов длин волн как в валентной, так и в зоне проводимости.
Длина волны излучения
В настоящее время квантовые каскадные лазеры (QCL) охватывают диапазон длин волн от 2,63 мкм до 250 мкм (и расширяют его до 355 мкм при приложении магнитного поля).
Оптические волноводы
Первый шаг в обработке материала квантового каскадного усилителя для создания полезного светоизлучающего устройства — это локализация активной среды в оптическом волноводе. Это позволяет направить излучаемый свет в коллимированный луч и создать лазерный резонатор, обеспечивающий обратную связь света в активную среду. В настоящее время широко используются два типа оптических волноводов. Волновод с гребнем создается путем травления параллельных канавок в материале квантового каскадного усилителя для формирования изолированной полосы QC-материала, обычно шириной около 10 мкм и длиной в несколько миллиметров. В канавки обычно осаждают диэлектрический материал для направления инжектируемого тока к гребню, после чего весь гребень обычно покрывают золотом для обеспечения электрического контакта и отвода тепла при излучении света. Излучение происходит с расколотых торцов волновода, где активная область имеет размеры всего несколько микрометров. Второй тип волновода — это волновод с погребенной гетероструктурой. В этом случае материал QC также подвергается травлению для формирования изолированного гребня. Однако затем над гребнем выращивается новый полупроводниковый материал. Разница в показателях преломления между материалом QC и наросшим материалом достаточна для создания волновода. Диэлектрический материал также осаждается на наросший материал вокруг гребня QC для направления инжектируемого тока в активную среду QC. Волноводы с погребенной гетероструктурой эффективно отводят тепло от активной области QC во время излучения света.
Типы лазеров
Хотя квантовая каскадная среда усиления может быть использована для генерации некогерентного света в суперлюминесцентной конфигурации, наиболее часто она применяется в сочетании с оптическим резонатором для создания лазера.
Лазеры Фабри-Перо
Это самый простой из квантовых каскадных лазеров. Оптический волновод сначала создается из квантового каскадного материала для формирования активной среды. Затем концы кристаллического полупроводникового прибора подвергаются расщеплению, чтобы сформировать два параллельных зеркала на противоположных концах волновода, тем самым образуя резонатор Фабри-Перо. Остаточная отражающая способность на расщепленных гранях, возникающая на границе раздела полупроводник-воздух, достаточна для создания резонатора. Квантовые каскадные лазеры Фабри-Перо способны генерировать высокую мощность, но обычно работают в многомодовом режиме при более высоких рабочих токах. Длина волны может изменяться главным образом за счет изменения температуры КК-прибора.
Лазеры с распределенной обратной связью
Квантовый каскадный лазер с распределенной обратной связью (DFB) аналогичен лазеру Фабри-Перо, за исключением наличия распределенного рефлектора Брэгга (DBR), встроенного в волновод для предотвращения излучения на длинах волн, отличных от требуемой. Это обеспечивает одномодовый режим работы лазера, даже при более высоких рабочих токах. Настройка лазеров DFB в основном осуществляется изменением температуры, однако интересный способ настройки достигается импульсным режимом работы DFB-лазера. В этом режиме длина волны лазера быстро изменяется ("размазывается") в течение импульса, что позволяет быстро сканировать спектральный диапазон.
Лазеры с внешней полостью
В квантовом каскадном лазере с внешней полостью (EC) квантовое каскадное устройство выполняет функцию активной среды лазера. Одна или обе грани волновода покрыты антиотражающим покрытием, которое разрушает действие оптического резонатора, формируемого сколами. Затем зеркала располагаются в конфигурации, внешней по отношению к квантовому каскадному устройству, для создания оптического резонатора. Если в внешнюю полость включен элемент, селективный по частоте, можно сузить спектр лазерного излучения до одной длины волны и даже осуществить его настройку. Например, дифракционные решетки использовались для создания перестраиваемого лазера, диапазон настройки которого составляет более 15% от центральной длины волны.
Расширенные тюнинг-устройства
Существует несколько методов расширения диапазона перестройки квантовых каскадных лазеров, используя только монолитно интегрированные элементы. Интегрированные нагреватели могут расширить диапазон перестройки при фиксированной температуре работы до 0,7% от центральной длины волны, а сверхрешетчатые дифракционные решетки, работающие за счет эффекта Вернье, могут расширить его до 4% от центральной длины волны, по сравнению с менее чем 0,1% для стандартного DFB-лазера.
Рост
Переменные слои двух различных полупроводников, формирующие квантовую гетероструктуру, могут быть выращены на подложке с использованием различных методов, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) или металлоорганическая эпитаксия из газовой фазы (MOVPE), также известная как металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы (MOCVD).
Приложения
Квантовые каскадные лазеры Фабри-Перо (FP) были впервые коммерциализированы в 1998 году, лазеры с распределенной обратной связью (DFB) – в 2004 году, а широко настраиваемые квантовые каскадные лазеры с внешней резонаторной полостью – в 2006 году. Высокая выходная оптическая мощность, широкий диапазон настройки и возможность работы при комнатной температуре делают QCL полезными для спектроскопических применений, таких как дистанционное зондирование атмосферных газов и загрязняющих веществ, а также для обеспечения безопасности. В перспективе они могут быть использованы в системах круиз-контроля автомобилей в условиях плохой видимости, радарах предотвращения столкновений, системах управления промышленными процессами и медицинской диагностике, например, в анализаторах выдыхаемого воздуха. QCL также применяются для изучения плазменной химии. При использовании в многолазерных системах внутриимпульсная спектроскопия QCL обеспечивает широкополосный спектральный охват, который потенциально может быть использован для идентификации и количественного определения сложных макромолекул, таких как токсичные химические вещества, взрывчатые вещества и наркотики.