Межзонный каскадный лазер

Межполосные каскадные лазеры (ICL) представляют собой тип лазерных диодов , которые могут генерировать когерентное излучение в большей части средней инфракрасной области электромагнитного спектра . Они изготавливаются из эпитаксиально выращенных полупроводниковых гетероструктур, состоящих из слоев арсенида индия (InAs), антимонида галлия (GaSb), антимонида алюминия (AlSb) и родственных сплавов. похожи на квантово-каскадные лазеры Эти лазеры во многом (ККЛ). Как и QCL, ICL используют концепцию зонной структуры для достижения оптимизированной конструкции лазера и повторного использования инжектированных электронов для испускания нескольких фотонов. Однако в ICL фотоны генерируются с помощью межзонных переходов, а не межподзонных переходов, используемых в QCL. Следовательно, скорость термической релаксации носителей, инжектированных в верхнюю лазерную подзону, в нижнюю определяется межзонной оже-, излучательной рекомбинацией носителей и рекомбинацией носителей Шокли-Рида . Эти процессы обычно происходят в гораздо более медленном временном масштабе, чем продольные оптические процессы. фононные взаимодействия, опосредующие межподзонную релаксацию инжектированных электронов в ККЛ среднего ИК диапазона. Использование межзонных переходов позволяет достигать лазерного воздействия в ИКЛ при меньших входных электрических мощностях, чем это возможно в ККЛ.

Выравнивание полос и постоянная решетки материалов, используемых в межзонном каскадном лазере.

Основная концепция ICL была предложена Руи К. Яном в 1994 году. Его ключевое открытие заключалось в том, что внедрение гетероструктуры типа II, аналогичной тем, которые используются в межзонных резонансно-туннельных диодах, облегчит возможность создания каскадных лазеров, использующих межзонные переходы для генерации фотонов. Дальнейшее усовершенствование конструкции и разработки технологии проводилось Янгом и его сотрудниками в нескольких учреждениях, а также группами Военно -морской исследовательской лаборатории и других учреждений. ICL, генерирующие непрерывную волну (непрерывный) при комнатной температуре, были впервые продемонстрированы в 2008 году. Этот лазер имел длину волны излучения 3,75 мкм. Впоследствии была продемонстрирована непрерывная работа ICL при комнатной температуре с длинами волн излучения от 2,9 до 5,7 мкм. ICL при более низких температурах были продемонстрированы с длинами волн излучения от 2,7 до 11,2 мкм. ICL, работающие в непрерывном режиме при температуре окружающей среды, способны обеспечить генерацию при гораздо меньшей входной мощности, чем конкурирующие полупроводниковые лазерные технологии среднего ИК-диапазона.

Теория работы

Схема общей эпитаксиальной структуры лазерного выращивания на GaSb. На изображении микроскопа показаны четыре тонкослойные каскадные ступени. Это изображение было получено с помощью просвечивающей электронной микроскопии .

В стандартном лазере с несколькими квантовыми ямами активные квантовые ямы , используемые для генерации фотонов, соединены параллельно. большой ток Следовательно, требуется для пополнения каждой активной ямы электронами по мере того, как она излучает свет. В каскадном лазере ямы соединены последовательно, что означает, что напряжение выше, но ток ниже. устройства рассеиваемая последовательным сопротивлением Этот компромисс выгоден, поскольку входная мощность , R _s , равна I ² R _s , где I — электрический ток, протекающий через устройство. Таким образом, меньший ток в каскадном лазере приводит к меньшим потерям мощности на последовательном сопротивлении устройства. Однако устройства с большим количеством каскадов, как правило, имеют худшие тепловые характеристики, поскольку больше тепла выделяется в местах, расположенных дальше от радиатора . Оптимальное количество ступеней зависит от длины волны, используемого материала и ряда других факторов. Оптимизация этого числа определяется моделированием, но в конечном итоге определяется эмпирически путем изучения экспериментальных характеристик лазера.

ICL изготавливаются из полупроводниковых гетероструктур, выращенных с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). В конструкции использованы материалы InAs, GaSb, AlSb и родственные сплавы. Эти три бинарных материала очень близко совпадают по решетке с параметрами решетки, близкими к 6,1 Å. Таким образом, эти материалы могут быть включены вместе в одну и ту же гетероструктуру без возникновения значительной деформации . Рост MBE обычно выполняется на подложке GaSb или InAs.

Вся эпитаксиальная структура состоит из нескольких каскадных ступеней, которые зажаты между двумя отдельными удерживающими слоями (SCL), а другие материалы окружают SCL и обеспечивают оптическую оболочку . Помимо производства света, слоистая эпитаксиальная структура также должна действовать как волновод , чтобы каскадные каскады усиливали направленные оптические моды.

Каскадное оформление сцены

Зонная диаграмма одного каскада типичного межзонного каскадного лазера. Каскадная ступень разделена на активную область , инжектор электронов и инжектор дырок. Указаны группы квантовых ям, составляющие каждую область. Энергии экстремумов подзон и соответствующие квадраты волновых функций построены для тех поддиапазонов, которые наиболее важны для транспортировки устройства и лазерного воздействия.

На каждой стадии каскада тонкие слои InAs действуют как слои ограниченных квантовых ям (КЯ) для электронов и барьеры для дырок . Слои GaSb (или GaInSb), наоборот, действуют как квантовые ямы для дырок и барьеры для электронов, тогда как слои AlSb служат барьерами как для электронов, так и для дырок. Ключевой особенностью, которая позволяет реализовать каскадирование внутри межзонного диода, является так называемое выравнивание зон «типа II» или с разрывом запрещенной зоны между InAs и GaSb. В то время как в более обычном классе квантовых ям типа I и электроны, и дырки удерживаются в одном и том же слое материала, система InAs-GaSb относится к типу II, поскольку минимум зоны проводимости InAs находится при более низкой энергии, чем валентной зоны максимум . из ГаСб. Такое менее распространенное расположение позволяет легко повторно инжектировать электроны из валентной зоны одной стадии ИКЛ в зону проводимости следующей стадии посредством простого упругого рассеяния .

Каждая ступень каскада эффективно действует как отдельный генератор фотонов. Один каскад состоит из инжектора электронов, инжектора дырок и области активного усиления, состоящей из одной дырочной КЯ и одной или двух электронных КЯ. Когда устройство смещено, генерируются лишние электроны и дырки, которые перетекают в активную область , где они рекомбинируют и излучают свет. Для минимизации оптических потерь на полуметаллической границе раздела, образующей границу между инжекторами электронов и дырок, между слоями InAs и GaSb помещается слой AlSb, предотвращающий межзонное перепоглощение генерируемых фотонов.

Типичная активная область использует так называемую W-конфигурацию квантовой ямы. В этой конструкции дырочная квантовая яма GaInSb заключена между двумя электронными квантовыми ямами InAs, которые, в свою очередь, окружены двумя барьерными слоями AlSb. Такое расположение максимизирует оптический выигрыш за счет увеличения пространственного перекрытия между волновыми функциями электронов и дырок , которые номинально разделены в разных слоях. Длину волны генерации, определяемую шириной запрещенной зоны, создаваемой между уровнями энергии основного состояния электрона и дырки, можно изменять, просто изменяя толщину электронной квантовой ямы InAs (в то время как она гораздо менее чувствительна к толщине дырочной квантовой ямы).

Каждая из двух инжекторных областей предназначена для эффективного переноса одноименных носителей (электронов или дырок) из полуметаллической границы раздела в активную область. Они также должны выполнять функцию выпрямляющих барьеров для противоположного типа носителя, чтобы предотвратить межкаскадные токи утечки. Общий инжектор (электронный инжектор плюс дырочный инжектор) также должен быть достаточно толстым, чтобы электрические поля, образующиеся под смещением, не стали достаточно сильными и не вызвали диэлектрический пробой материала. Инжектор электронов обычно делают длиннее из-за относительно высокой скорости рассеяния электронов между ямами по сравнению со скоростью дырок. Это обеспечивает меньший вклад последовательного сопротивления от общего транспорта форсунок. Дырочный инжектор состоит из квантовых ям GaSb/AlSb. Его делают достаточно толстым (обычно с одной или двумя лунками), чтобы обеспечить эффективное подавление туннелирования электронов из активной области в инжектор электронов следующей ступени. Инжектор электронов обычно состоит из более длинной серии квантовых ям InAs/AlSb. Чтобы максимизировать ширину мини-зоны сверхрешетки InAs/AlSb, толщины слоев InAs варьируются поперек инжектора так, что энергии их основного состояния почти совпадают, когда устройство смещено. Энергетические щели квантовых ям в инжекторе должны быть достаточно большими, чтобы предотвратить реабсорбцию фотонов, генерируемых активными квантовыми ямами.

Дополнительной особенностью, отличающей ICL от всех других лазерных диодов, является возможность работы с электрической накачкой без pn-перехода . Это возможно, поскольку инжекторы действуют как выпрямляющие барьеры, которые удерживают ток в одном направлении. Тем не менее, очень выгодно легировать определенные слои на каждой ступени каскада в качестве средства контроля активной плотности электронов и дырок с помощью метода проектирования, называемого «перебалансировкой носителей». Хотя наиболее благоприятная комбинация популяций электронов и дырок зависит от относительной силы различных процессов поглощения свободных носителей и оже-рекомбинации, исследования, проведенные на данный момент, показывают, что производительность ICL оптимальна, когда при пороге две концентрации примерно равны. Поскольку популяция дырок имеет тенденцию существенно превышать популяцию электронов в нелегированных или умеренно легированных ICL, перебалансировка носителей достигается за счет сильного n-легирования электронного инжектора (обычно Si ), чтобы добавить электроны в активные квантовые ямы.

Оптический волновод

Коэффициент усиления внутри данного волновода, необходимый для достижения порога генерации, определяется уравнением:

$g_{th}={\frac {\alpha _{wg}+\alpha _{mirr}}{\Gamma }}$

где α _wg — потери в волноводе, α _mirr — зеркальные потери, а Γ — коэффициент оптического ограничения. Потеря зеркала происходит из-за выхода фотонов через зеркала оптического резонатора . Потери в волноводе могут быть обусловлены поглощением в активном раздельном ограничении, материалах оптической оболочки и металлических контактах (если оболочки недостаточно толсты) или возникать в результате рассеяния на боковых стенках гребня. Фактор ограничения — это процент оптической энергии, сконцентрированный на каскадных ступенях. Как и в случае с другими полупроводниковыми лазерами, ICL имеют компромисс между оптическими потерями в волноводе и Γ. Общая цель проектирования волноводов — найти правильную структуру, которая минимизирует пороговое усиление.

Выбор материала волновода зависит от используемой подложки. Для ICL, выращенных на GaSb, отдельные ограничивающие слои обычно представляют собой низколегированный GaSb, а слои оптической оболочки представляют собой сверхрешетки InAs/AlSb , согласованные по решетке с подложкой GaSb. Нижняя оболочка должна быть достаточно толстой, чтобы предотвратить утечку направленной моды в подложку, поскольку показатель преломления GaSb (около 3,8) больше эффективного показателя лазерной моды (обычно 3,4–3,6).

Альтернативная конфигурация волновода, подходящая для выращивания на подложках InAs, использует InAs с высоким содержанием n -легированных материалов для оптической оболочки. Высокая плотность электронов в этом слое снижает показатель преломления в соответствии с моделью Друде . В этом подходе эпитаксиальная структура выращивается на подложке InAs n -типа, а также используется InAs для отдельных ограничительных слоев. Для работы на более длинных волнах преимущества включают гораздо более высокую теплопроводность объемного InAs по сравнению со сверхрешеткой InAs / AlSb с коротким периодом, а также гораздо более тонкий слой оболочки из-за его большего контраста индекса с активной областью. Это сокращает время роста МЛЭ, а также дополнительно улучшает рассеивание тепла. Однако волновод должен быть спроектирован тщательно, чтобы избежать чрезмерных потерь на поглощение свободных носителей в сильнолегированных слоях.

Текущий статус производительности ICL

Светотоковые характеристики в непрерывном режиме при комнатной температуре для межзонных каскадных лазеров с узким гребневым волноводом и несколькими различными ширинами гребня (w), как указано на рисунке. При максимальной выходной мощности качество луча находится в пределах ≈2-кратного дифракционного предела для всех гребней. Длина волны непрерывной генерации этих ICL составляет от 3,6 до 3,9 мкм в диапазоне температур от 20 до 115 °C (как показано на вставке). Дополнительную информацию можно найти в Ref. 8.

ICL, излучающие на длине волны 3,7 мкм, работали в непрерывном режиме до максимальной температуры 118 °C. Максимальная выходная мощность в непрерывном режиме составила около 0,5 Вт при комнатной температуре и 200–300 мВт в луче, практически ограниченном дифракцией . Также был достигнут максимальный КПД настенной розетки при комнатной температуре почти 15%. В то время как QCL обычно требуют входной электрической мощности около 1 Вт и выше для работы при комнатной температуре, ICL способны генерировать входную мощность всего 29 мВт из-за гораздо более длительного времени жизни межзонных несущих. Непрерывная работа при комнатной температуре с низкой рассеиваемой мощностью может быть достигнута для длин волн примерно от 3,0 до 5,6 мкм.

На рисунке справа показаны рабочие характеристики межзонных каскадных лазеров с узким гребневым волноводом при комнатной температуре, работающих в непрерывном режиме. В частности, на рисунке показаны графики мощности, излучаемой лазерами с различной шириной гребня для заданного тока инжекции. Каждый из этих лазеров имел пять каскадных каскадов и длину резонатора 4 мм. Эти лазеры были установлены так, чтобы верхняя часть эпитаксиальной структуры (а не подложки) контактировала с медным радиатором (обычно называемым конфигурацией «эпитаксиальная сторона вниз»), чтобы достичь оптимального рассеивания тепла. Кроме того, они изготавливались с гофрированными боковинами. Гофрирование боковой стенки снижает оптические потери, гарантируя, что меньше фотонов генерируется в оптических модах более высокого порядка , которые более восприимчивы к потерям оптического рассеяния.

Приложения

Лазеры среднего инфракрасного диапазона являются важными инструментами для спектроскопических измерений. Многие молекулы, например, молекулы загрязняющих веществ и парниковых газов, имеют сильные вращательные и колебательные резонансы в средней инфракрасной области спектра. Для большинства сенсорных приложений длина волны лазера также должна находиться в пределах атмосферного окна, чтобы избежать затухания сигнала.

Важным требованием для этого типа приложений является получение одномодового излучения. С помощью ICL это можно сделать, создав лазеры с распределенной обратной связью . ICL с распределенной обратной связью, предназначенный для возбуждения газообразного метана , был разработан в Лаборатории реактивного движения НАСА и включен в качестве инструмента перестраиваемого лазерного спектрометра на марсоходе Curiosity , который был отправлен для исследования окружающей среды Марса. Более поздний ICL с распределенной обратной связью излучал до 27 мВт в одном спектральном режиме на длине волны 3,79 мкм при работе при 40 ° C и 1 мВт при работе при 80 ° C.

Внешние ссылки

• Веб-страница Лаборатории реактивного движения, посвященная настраиваемому лазерному спектрометру для научной миссии на Марс

См. также

• Лазер
• Лазерный диод
• Квантовый каскадный лазер
• Перестраиваемая диодная лазерная абсорбционная спектроскопия