Перевод Павла Малахова
Квантово-каскадный лазер (ККЛ) – это полупроводниковый лазер, излучающий в средней и дальней инфракрасной области электромагнитного спектра. Впервые были продемонстрированы Джеромом Фаистом, Федериком Капассо, Деборой Сивко, Карлом Сиртори, Альбертом Хатчинсоном, и Альфредом Чо в Bell Laboratories (Бэлл лабораторис) в 1994 году. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают электромагнитные волны посредством рекомбинации электронно-дырочных пар, через запрещенную зону полупроводника, ККЛ являются однополярными (униполярными) и излучение возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника внутри одной зоны. Впервые идея была сформулирована в статье Казаринова и Суриса "Возможности усиления электромагнитных волн в полупроводниках со сверхрешеткой" в 1971 году.
Межподзонные и межзонные переходы в сверхрешетках
В объемном кристалле полупроводника электроны могут занимать положение в одной из двух непрерывных энергетических зон - валентной зоне, которая в значительной степени заполняется низкоэнергетическими электронами и зоной проводимости, которая с небольшой концентрацией заполняется электронами с высокой энергией. Две энергетические зоны разделены запрещенной зоной, не заполненной электронами. При излучении света обычным лазерным полупроводниковым диодом происходит генерация одного фотона за счет одного электрона, когда электрон из зоны проводимости рекомбинирует с дыркой из валентной зоны. Энергия фотона и, следовательно, длина волны излучения длинноволновых лазерных диодов, определяется шириной запрещенной зоны материала.
В ККЛ, однако, не используются объемные полупроводниковые материалы в оптически активной зоне. Вместо этого они включают в себя периодический ряд тонких слоев различных материалов, которые формируют состав сверхрешетки. Сверхрешетка создает варьирующийся вдоль структуры электрический потенциал, а это означает, что различаются вероятности нахождения электронов, в различных позициях по всей длине сверхрешетки. Такая структура называется одномерной квантовой ямой и приводит к расщеплению полосы разрешенных энергий на ряд дискретных электронных подзон. По подходящему значению толщины слоя можно спроектировать инверсии населенности двух подзон в системе, которая необходима для получения лазерного излучения. Так как положение энергетических уровней в системе в первую очередь определяется толщиной слоя, а не составом материала, то в ККЛ можно настроить длину волны излучения в широком диапазоне в той же структуре.В квантово-каскадной структуре, фотоны излучаются при переходе электронов через внутризонные переходы. Электроны туннелируют на следующий период структуры, и процесс повторяется. Кроме того, в полупроводниковых лазерных диодах, электроны и дырки уничтожаются после рекомбинации через запрещенную зону и не могут участововать в дальнейшей генерации фотонов. Напротив, в однополярном ККЛ, когда электрон прошел межподзонный переход и испускается один фотон при прохождении одного периода сверхрешетки, электрон может туннелироватьв следующий период структуры, где может излучиться другой фотон. Этот процесс, при котором происходит излучение нескольких фотонов при прохождении одного электрона через ККЛ, дает название «каскадный процесс». Значение квантовой эффективности такого процесса больше единицы, что приводит к повышению выходной мощности, большей чем у полупроводниковых лазерных диодов.
Конструкция квантово-каскадного лазера
Первым шагом при создании квантово-каскадной усиливающей среды, которая может быть использована в лазере, является изготовление сверхрешетки в оптическом волноводе. Это позволяет направить излучение света в коллимированный пучок, а также позволяет построить лазерный резонатор таким образом, что свет может направляться обратно в активную среду лазерного резонатора.
Используются два типа оптических волноводов. Гребневый волновод создается путем травления параллельных траншей в квантово-каскадном материале чтобы создать изолированную полосу для усиливающей среды квантово-каскадного лазера, как правило, ~ 10 мкм в ширину и несколько мм в длину. Формируются также полоски диэлектрического материала, чтобы удерживать ток в структуре ККЛ. Весь гребень, как правило, покрывается золотом, чтобы обеспечить электрический контакт и помочь удалить тепло из излучающей структуры. Свет излучается со сколотых концов волновода с активной областью, которая составляет всего несколько микрометров в поперечном измерении. Второй тип волновода - это глубинные гетероструктуры. Здесь квантово каскадный материал также выгравирован, чтобы создать изолированный «гребень». Теперь, однако, новый полупроводниковый материал выращивается поверх гребня. Изменение показателя преломления материала между КК материалом и материалом, сформированным наверху, достаточно для того, чтобы создать волновод. Вокруг квантово-каскадного гребня также помещается диэлектрический материал для изоляции электрических контактов лазера, для введения тока в активную среду. Глубинные гетероструктурные волноводы являются эффективными при отводе тепла из активной среды во время работы лазера.
