Лазер с квантовыми ямами
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( апрель 2015 г. ) |
Лазер с квантовой ямой — это лазерный диод , в котором активная область устройства настолько узка, что возникает квантовое ограничение . Лазерные диоды изготавливаются из сложных полупроводниковых материалов, которые (в отличие от кремния ) способны эффективно излучать свет. Длина волны света, излучаемого лазером с квантовыми ямами, определяется шириной активной области, а не только шириной запрещенной зоны материалов, из которых она изготовлена. [1] Это означает, что с помощью лазеров с квантовыми ямами можно получить гораздо более короткие длины волн, чем с помощью обычных лазерных диодов, использующих определенный полупроводниковый материал. Эффективность лазера с квантовыми ямами также выше, чем у обычного лазерного диода, благодаря ступенчатой форме его функции плотности состояний .
Происхождение концепции квантовых ям
[ редактировать ]В 1972 году Чарльз Х. Генри , физик и недавно назначенный руководителем отдела исследований полупроводниковой электроники в Bell Laboratories , проявил большой интерес к теме интегральной оптики, изготовлению оптических схем, в которых свет распространяется по волноводам.
Позже в том же году, размышляя над физикой волноводов, Генри пришел к глубокому прозрению. Он понял, что двойная гетероструктура является волноводом не только для световых волн, но одновременно и для электронных волн. Генри опирался на принципы квантовой механики, согласно которым электроны ведут себя и как частицы, и как волны. Он усмотрел полную аналогию между удержанием света волноводом и удержанием электронов потенциальной ямой, образующейся из-за разницы запрещенных зон в двойной гетероструктуре .
К. Х. Генри понял, что так же, как существуют дискретные моды, в которых свет распространяется внутри волновода, в потенциальной яме должны существовать дискретные моды волновой функции электронов, каждая из которых имеет уникальный энергетический уровень. Его оценка показала, что если активный слой гетероструктуры будет толщиной в несколько десятков нанометров, уровни энергии электронов будут разделены на десятки миллиэлектронвольт. Такое количество расщеплений энергетических уровней можно наблюдать. Структура, которую проанализировал Генри, сегодня называется « квантовой ямой ».
Генри приступил к расчетам, как это «квантование» (т. е. существование дискретных волновых функций электронов и дискретных уровней энергии электронов) изменит свойства оптического поглощения («край поглощения») этих полупроводников. Он понял, что вместо плавного увеличения оптического поглощения, как это происходит в обычных полупроводниках, поглощение тонкой гетероструктуры (на графике зависимости от энергии фотонов) будет выглядеть как серия ступеней.
Помимо вклада Генри, квантовая яма (которая представляет собой тип лазера с двойной гетероструктурой) была впервые предложена в 1963 году Гербертом Кремером в трудах IEEE. [2] и одновременно (в 1963 г.) в СССР Ж. И. Алферов и Р.Ф. Казаринов. [3] Алферов и Кремер получили Нобелевскую премию в 2000 году за работу в области полупроводниковых гетероструктур. [4]
Экспериментальная проверка квантовых ям
[ редактировать ]В начале 1973 года Генри сделал предложение Рэймонду Динглу. [5] физику в своем отделе, что он ищет эти предсказанные шаги. Очень тонкийГетероструктуры были изготовлены В. Вигманом методом молекулярно-лучевой эпитаксии . Драматический эффект этих шагов наблюдался в ходе последующего эксперимента, опубликованного в 1974 году. [6]
Изобретение
[ редактировать ]После того, как этот эксперимент показал реальность предсказанных уровней энергии квантовой ямы, Генри попытался придумать применение. Он понял, что структура с квантовой ямой изменит плотность состояний полупроводника и приведет к созданию улучшенного полупроводникового лазера, требующего меньшего количества электронов и электронных дырок для достижения лазерного порога. Кроме того, он понял, что длину волны лазера можно изменить, просто изменив толщину тонких слоев квантовых ям , тогда как в обычном лазере изменение длины волны требует изменения состава слоев. По его мнению, такой лазер будет иметь превосходные эксплуатационные характеристики по сравнению со стандартными лазерами с двойной гетероструктурой, производившимися в то время.
Дингл и Генри получили патент на этот новый тип полупроводникового лазера , включающий пару слоев с широкой запрещенной зоной, между которыми находится активная область, в которой «активные слои достаточно тонкие (например, от 1 до 50 нанометров), чтобы отделить квантовые уровни электронов, заключенных в них. Эти лазеры демонстрируют перестройку длины волны за счет изменения толщины активных слоев. Также описана возможность снижения порога в результате изменения плотности электронных состояний». Патент был выдан 21 сентября 1976 года под названием «Квантовые эффекты в гетероструктурных лазерах», патент США № 3982207. [7]
Лазерам с квантовыми ямами для достижения порога требуется меньше электронов и дырок, чем обычным с двойной гетероструктурой лазерам . Хорошо спроектированный лазер с квантовыми ямами может иметь чрезвычайно низкий пороговый ток.
Более того, поскольку квантовая эффективность (выход фотонов на входные электроны) в значительной степени ограничена оптическим поглощениемэлектроны и дырки, очень высокая квантовая эффективность может быть достигнута с помощью лазера с квантовыми ямами.
Чтобы компенсировать уменьшение толщины активного слоя, часто используют небольшое количество одинаковых квантовых ям. Это называется лазером с несколькими квантовыми ямами.
Ранние демонстрации
[ редактировать ]Хотя термин «лазер с квантовыми ямами» был придуман в конце 1970-х годов Ником Холоньяком и его студентами в Университете Иллинойса в Урбана Шампейн , было сделано первое наблюдение работы лазера с квантовыми ямами. [8] в 1975 году в Bell Laboratories . [1] Обнаружен первый «инжекционный» лазер с квантовыми ямами с электрической накачкой [9] П. Дэниел Дапкус и Рассел Д. Дюпюи из Rockwell International в сотрудничестве с группой Университета Иллинойса в Урбана Шампейн (Холоньяк) в 1977 году. К тому времени Дапкус и Дюпюи были пионерами в области металлоорганической парофазной эпитаксии MOVPE (также известной как OMCVD, OMVPE и MOCVD) технология изготовления полупроводниковых слоев. В то время метод MOVPE обеспечивал превосходную радиационную эффективность по сравнению с молекулярно-лучевой эпитаксией (MBE), используемой Bell Labs. Однако позже, в конце 1970-х и начале 1980-х годов, Вон Т. Цанг из Bell Laboratories преуспел в использовании методов MBE, чтобы продемонстрировать резкое улучшение характеристик лазеров с квантовыми ямами. Цанг показал, что, когда квантовые ямы оптимизированы, они имеют чрезвычайно низкий пороговый ток и очень высокую эффективность преобразования входного тока в выходной, что делает их идеальными для широкого использования.
Первоначальная демонстрация лазеров с квантовыми ямами с оптической накачкой в 1975 году имела пороговую плотность мощности 35 кВт/см. 2 . В конечном итоге было обнаружено, что самая низкая практическая пороговая плотность тока в любом лазере с квантовой ямой составляет 40 Ампер/см. 2 , сокращение примерно в 1000 раз. [10] [ нужна полная цитата ]
Обширные работы выполнены по лазерам с квантовыми ямами на основе пластин арсенида галлия и фосфида индия . Однако сегодня лазеры, использующие квантовые ямы и дискретные электронные моды, исследованные К. Х. Генри в начале 1970-х годов и изготовленные с помощью методов MOVPE и MBE, производятся на различных длинах волн, от ультрафиолетового до ТГц. Лазеры с самой короткой длиной волны основаны на материалах на основе нитрида галлия . Лазеры с самой длинной длиной волны основаны на конструкции квантово-каскадного лазера .
История возникновения концепции квантовой ямы, ее экспериментальной проверки и изобретения лазера на квантовых ямах более подробно рассказана Генри в предисловии к книге «Лазеры на квантовых ямах» под ред. Питер С. Зори-младший. [1]
Создание Интернета
[ редактировать ]Интернета Лазеры с квантовыми ямами важны, поскольку они являются основным активным элементом (источником лазерного света) оптоволоконной магистрали связи . [ нужна ссылка ] Ранние работы над этими лазерами были сосредоточены на ямах на основе арсенида галлия GaAs , ограниченных стенками Al-GaAs, но длины волн, передаваемые по оптическим волокнам, лучше всего достигаются со из фосфида индия стенками и ямами на основе фосфида арсенида индия-галлия . Центральной практической проблемой источников света, скрытых в кабелях, является срок их службы до выгорания. Среднее время перегорания первых лазеров с квантовыми ямами составляло менее одной секунды, поэтому многие ранние научные успехи были достигнуты с использованием редких лазеров со временем перегорания в несколько дней или недель. [ нужна ссылка ] Коммерческий успех был достигнут компанией Lucent (дочерней компанией Bell Laboratories ) в начале 1990-х годов благодаря контролю качества производства лазеров с квантовыми ямами с помощью MOVPE. Металлоорганическая парофазная эпитаксия , как это было сделано с использованием рентгеновских лучей высокого разрешения Джоанной (Джока) Марией Ванденберг. . Ее отдел контроля качества производил коммуникационные лазерные диоды со средним временем перегорания более 25 лет. [ нужна ссылка ]
Множественные нитридные диоды Quantum Well III имеют перекрывающуюся область между длинами волн, которые они излучают и обнаруживают. Это позволяет использовать их одновременно и в качестве передатчика, и в качестве приемника для создания многоканальной линии связи по воздуху по единому оптическому пути. [11]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Предисловие, [1] «Происхождение квантовых ям и лазера на квантовых ямах», Чарльз Х. Генри, в «Лазеры на квантовых ямах», под ред. Питер С. Зори-младший, Academic Press, 1993, стр. 1–13.
- ^ Кремер, Х. (1963). «Предлагаемый класс инжекционных лазеров с гетеропереходом». Труды IEEE . 51 (12). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1782–1783. дои : 10.1109/proc.1963.2706 . ISSN 0018-9219 .
- ^ Ж. Алферов И. и Казаринов Р.Ф. Авторское свидетельство 28448 (СССР) 1963 г.
- ^ «Нобелевская премия по физике 2000 года» .
- ^ «Рэймонд Дингл» , Patents.justia.com
- ^ Дингл, Р.; Вигманн, В.; Генри, Швейцария (30 сентября 1974 г.). «Квантовые состояния ограниченных носителей в очень тонких гетероструктурах Al x Ga 1-x As-GaAs-Al x Ga 1-x ». Письма о физических отзывах . 33 (14). Американское физическое общество (APS): 827–830. Бибкод : 1974PhRvL..33..827D . дои : 10.1103/physrevlett.33.827 . ISSN 0031-9007 .
- ↑ Патент США № 3982207, выданный 21 сентября 1976 г., изобретатели Р. Дингл и Ч. Генри, «Квантовые эффекты в гетероструктурных лазерах», поданный 7 марта 1975 г.
- ^ ван дер Зил, JP; Дингл, Р.; Миллер, Р.К.; Вигманн, В.; Нордланд, Вашингтон (15 апреля 1975 г.). «Лазерная генерация из квантовых состояний в очень тонких GaAs-Al 0,2 Ga 0,8 многослойных структурах As». Письма по прикладной физике . 26 (8). Издательство AIP: 463–465. Бибкод : 1975АпФЛ..26..463В . дои : 10.1063/1.88211 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Дюпюи, РД; Дапкус, П.Д.; Холоньяк, Ник; Резек, Э.А.; Чин, Р. (1978). As-GaAs с квантовыми ямами, «Лазерная обработка при комнатной температуре лазерных диодов Ga (1−x) Al x выращенных методом химического осаждения из паровой фазы металлорганических соединений». Письма по прикладной физике . 32 (5). Издательство АИП: 295–297. Бибкод : 1978АпФЛ..32..295Д . дои : 10.1063/1.90026 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Алферов и др. (1998); Чанд и др. (1990, 1991).
- ^ Фу, К.; Гао, X.; Инь, К.; Ян, Дж.; Джи, X.; Ван, Ю. (15 сентября 2022 г.). «Новая многоканальная система связи видимым светом использует один оптический путь» . Оптические письма . 47 (18). Phys.org : 4802–4805. дои : 10.1364/OL.470796 . ПМИД 36107094 . S2CID 251525855 . Архивировано из оригинала 19 сентября 2022 года . Проверено 19 сентября 2022 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
