Межполосный каскадный лазер - Interband cascade laser

Межзонные каскадные лазеры (ICL) - это тип лазерный диод что может произвести когерентное излучение на большей части средний инфракрасный регион электромагнитный спектр. Они изготовлены из эпитаксиально -растут полупроводник гетероструктуры, состоящие из слоев арсенид индия (InAs), антимонид галлия (GaSb), антимонид алюминия (AlSb) и родственные сплавы. Эти лазеры похожи на квантовые каскадные лазеры (QCL) несколькими способами. Подобно QCL, ICL используют концепцию инженерии полосовой структуры для достижения оптимальной конструкции лазера и повторного использования введенных электроны испускать несколько фотонов. Однако в ICL фотоны генерируются межзонными переходами, а не межподзонные переходы используется в QCL. Следовательно, скорость, с которой носители, инжектированные в верхнюю подзону лазера, термически релаксируют в нижнюю подзону, определяется межзонными оже-, радиационными и носителями Шокли-Рида. рекомбинация. Эти процессы обычно происходят в гораздо более медленном масштабе времени, чем продольный оптический фонон взаимодействия, которые опосредуют межподзонную релаксацию инжектированных электронов в ККЛ среднего ИК диапазона. Использование межзонных переходов позволяет достичь лазерного воздействия в ICL при более низких входных электрических мощностях, чем это возможно при использовании QCL.

Юстировка зон и постоянная решетки материалов, используемых в межзонном каскадном лазере.

Базовая концепция ICL была предложена Rui Q. Yang в 1994 году.[1] Ключевой вывод, который он получил, заключался в том, что включение гетероструктуры типа II, аналогичной тем, которые использовались в межзонные резонансные туннельные диоды облегчит возможность создания каскадных лазеров, использующих межзонные переходы для генерации фотонов. Дальнейшее улучшение дизайна и разработки технологии было выполнено Янгом и его сотрудниками в нескольких учреждениях, а также группами в Лаборатория военно-морских исследований и другие учреждения. Генерация ИКЛ в непрерывная волна (cw) режим при комнатной температуре был впервые продемонстрирован в 2008 году. Этот лазер имел длину волны излучения 3,75 мкм.[2] Впоследствии была продемонстрирована непрерывная работа ICL при комнатной температуре с длинами волн излучения от 2,9 мкм до 5,7 мкм.[3] ICL при более низких температурах были продемонстрированы с длинами волн излучения от 2,7 мкм до 11,2 мкм.[4] ICL работают в непрерывном режиме при температура окружающей среды позволяют получать генерацию при гораздо более низких входных мощностях, чем конкурирующие полупроводниковые лазерные технологии среднего ИК диапазона.[5]

Теория Операции

Схема общей эпитаксиальной структуры для лазера, выращенного на GaSb. На микроскопическом изображении показаны четыре ступени тонкослойного каскада. Это изображение было снято с использованием просвечивающая электронная микроскопия.

В стандарте лазер с множественными квантовыми ямами активные квантовые ямы используются для генерации фотонов, подключенных параллельно. Следовательно, большое Текущий требуется для пополнения каждой активной ямы электронами, когда она излучает свет. В каскадном лазере лунки соединены последовательно, что означает, что напряжение выше, но ток ниже. Этот компромисс выгоден, потому что входная мощность, рассеиваемая устройством последовательное сопротивление, рs, равно я2рs, куда я электрический ток, протекающий через устройство. Таким образом, более низкий ток в каскадном лазере приводит к меньшим потерям мощности из-за последовательного сопротивления устройства. Однако устройства с большим количеством ступеней, как правило, имеют худшие тепловые характеристики, поскольку больше высокая температура генерируется в местах дальше от радиатор. Оптимальное количество ступеней зависит от длины волны, используемого материала и ряда других факторов. Оптимизация этого числа проводится путем моделирования, но в конечном итоге определяется эмпирически путем изучения экспериментальных характеристик лазера.

ИКЛ изготавливаются из полупроводниковых гетероструктур, выращенных с использованием молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE). В конструкции использованы материалы InAs, GaSb, AlSb и родственные сплавы. Эти три бинарных материала очень близко согласованы 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 введения значительного количества напряжение. Рост МБЭ обычно выполняется на подложке из GaSb или InAs.

Вся эпитаксиальная структура состоит из нескольких каскадных ступеней, которые зажаты между двумя отдельными ограничивающими слоями (SCL), с другими материалами, окружающими SCL для обеспечения оптического облицовка. Помимо излучения света, слоистая эпитаксиальная структура также должна действовать как волновод так что каскадные каскады усиливают управляемые оптические моды.

Каскадный дизайн сцены

Ленточная диаграмма одиночного каскада в типичном межзонном каскадном лазере. Каскадный этап разделен на активная область, инжектор электронов и инжектор дырок. Указаны группы квантовых ям, составляющих каждую область. Энергии экстремумов подзон и соответствующие квадраты волновые функции построены для тех поддиапазонов, которые наиболее важны для транспортировки устройства и воздействия лазера.

На каждой стадии каскада тонкие слои InAs действуют как слои с ограниченными квантовыми ямами (КЯ) для электронов и барьеры для дыры. Слои GaSb (или GaInSb), наоборот, действуют как квантовые ямы для дырок и барьеры для электронов, а 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 ограничены одним слоем материала, система InAs-GaSb относится к типу II, поскольку зона проводимости минимум InAs лежит при меньшей энергии, чем валентная полоса максимум GaSb. Эта менее распространенная конструкция позволяет легко повторно инжектировать электроны из валентной зоны одной ступени ICL в зону проводимости следующей ступени с помощью простой эластичной рассеяние.

Каждый каскадный каскад эффективно действует как отдельный генератор фотонов. Одиночный каскад состоит из инжектора электронов, инжектора дырок и активной области усиления, состоящей из одной дырочной КЯ и одной или двух электронных квантовых ям.[6] Когда устройство смещено, избыточные электроны и дырки генерируются и текут в активная область, где они рекомбинируют и излучают свет. Чтобы минимизировать оптические потери на полуметаллической границе раздела между электронным и дырочным инжекторами, между слоями InAs и GaSb помещается слой AlSb, предотвращающий межзонное перепоглощение генерируемых фотонов.

Типичная активная область использует так называемую конфигурацию квантовой ямы "W". В этой конструкции дырочная КЯ GaInSb зажата между двумя электронными КЯ InAs, которые, в свою очередь, окружены двумя барьерными слоями AlSb. Такое расположение максимизирует оптическое усиление за счет увеличения пространственного перекрытия между электроном и дыркой. волновые функции которые условно разделены на разные слои. Длина волны генерации, определяемая запрещенная зона Созданная между электронным и дырочным уровнями энергии основного состояния, может быть изменена простым изменением толщины электронной квантовой ямы InAs (тогда как она гораздо менее чувствительна к толщине дырочной квантовой ямы).

Каждая из двух областей инжектора предназначена для эффективного переноса одноименных носителей (электронов или дырок) от полуметаллической границы раздела в активную область. Они также должны использоваться как выпрямляющие барьеры для носителя противоположного типа, чтобы предотвратить межкаскадные токи утечки. Общий инжектор (электронный инжектор плюс дырочный инжектор) также должен быть достаточно толстым, чтобы предотвратить электрические поля формируется под предвзятостью от того, чтобы стать достаточно большим, пробой диэлектрика материала. Инжектор электронов обычно делают длиннее из-за относительно высокой скорости межъямного рассеяния электронов по сравнению с дырками. Это обеспечивает меньший вклад последовательного сопротивления от общего транспорта инжектора. Дырочный инжектор состоит из квантовых ям GaSb / AlSb. Он сделан достаточно толстым (обычно с одной или двумя ямами), чтобы обеспечить эффективное подавление электронов. туннелирование из активной области в инжектор электронов следующей ступени. Инжектор электронов обычно состоит из более длинной серии квантовых ям InAs / AlSb. Чтобы максимизировать ширину минизоны сверхрешетки InAs / AlSb, толщины слоев InAs меняются по всей длине инжектора, так что их энергии основного состояния почти совпадают при смещении устройства. Энергетические зазоры квантовых ям в инжекторе должны быть достаточно большими, чтобы исключить повторное поглощение фотонов, генерируемых активными квантовыми ямами.

Дополнительной особенностью, которая отличает ICL от всех других лазерных диодов, является возможность работы с электрической накачкой без p-n переход. Это возможно, потому что форсунки действуют как выпрямляющие барьеры, которые удерживают ток в одном направлении. Тем не менее, очень выгодно наркотик определенные слои в каждой каскадной ступени как средство управления плотностью активных электронов и дырок с помощью методики проектирования, называемой «ребалансировка носителей».[5] В то время как наиболее благоприятное сочетание электронов и дырок зависит от относительной силы различных абсорбция свободных носителей и процессы оже-рекомбинации, исследования, проведенные до сих пор, показывают, что производительность ICL является оптимальной, когда при пороговом значении две концентрации примерно равны.[5] Поскольку заселенность дырок имеет тенденцию существенно превышать заселенность электронов в нелегированных или умеренно легированных ICL, перебалансировка носителей достигается за счет сильного n-легирования инжектора электронов (обычно с Si ), чтобы добавить электроны к активным квантовым ямам.

Оптический волновод

Коэффициент усиления в данном волноводе, необходимый для достижения порога генерации, определяется уравнением:

где αwg - потери в волноводе, αзеркало - потери в зеркале, Γ - коэффициент оптического ограничения. Потеря зеркала связана с выходом фотонов через зеркала оптический резонатор. Потери в волноводе могут быть связаны с поглощением в активном, раздельном ограничении, материалах оптической оболочки и металл контактов (если обшивки недостаточно толстые), либо в результате рассыпания на боковинах конька. Фактор ограничения - это процент оптической энергии, сконцентрированной в каскадных ступенях. Как и в случае с другими полупроводниковыми лазерами, ICL имеют компромисс между оптическими потерями в волноводе и Γ. Общая цель конструкции волновода - найти подходящую 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 - InAs / AlSb. сверхрешетки решетка согласована с подложкой GaSb. Нижняя оболочка должна быть достаточно толстой, чтобы предотвратить утечку направленной моды в подложку, поскольку показатель преломления GaSb (около 3,8) больше, чем эффективный показатель моды генерации (обычно 3,4–3,6).

Альтернативная конфигурация волновода, подходящая для выращивания на подложках InAs, использует высокоэффективные плегированный InAs для оптической оболочки.[7] Высокая концентрация электронов в этом слое снижает показатель преломления в соответствии с Модель Друде. В этом подходе эпитаксиальная структура выращивается на пподложка InAs, а также InAs для отдельных ограничивающих слоев. Для более длинноволновой работы преимущества включают гораздо более высокую теплопроводность объемного InAs по сравнению с короткопериодической сверхрешеткой InAs / AlSb, а также гораздо более тонким слоем оболочки из-за его большего контраста показателя преломления с активной областью. Это сокращает время роста МЛЭ, а также дополнительно улучшает рассеяние тепла. Однако волновод необходимо проектировать с осторожностью, чтобы избежать чрезмерных потерь поглощения свободных носителей заряда в сильно легированных слоях.

Текущее состояние работы ICL

Слаботочные характеристики в непрерывная волна режим при комнатной температуре для лазеров с межзонным каскадом с узким гребнем и волноводом с несколькими различными значениями ширины гребня (w), как показано на рисунке. При максимальной выходной мощности качество пучка не превышает ≈2 раза предел дифракции для всех хребтов. 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 уровне 3,7 мкм, работали в непрерывном режиме при максимальной температуре 118 ° C.[8][9] Максимальная выходная мощность в непрерывном режиме около 0,5 Вт была продемонстрирована при комнатной температуре с 200-300 мВт в почти дифракционно ограниченный луч. Также была достигнута максимальная эффективность розетки в непрерывном режиме 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 могут генерировать генерацию с входной мощностью всего 29 мВт из-за гораздо более длительного срока службы межзонных несущих.[5] Непрерывная работа при комнатной температуре с низкой рассеиваемой мощностью может быть достигнута для длин волн примерно от 3,0 до 5,6 мкм.[3]

На рисунке справа показаны рабочие характеристики межзонных каскадных лазеров с узким гребенчатым волноводом при комнатной температуре, работающих в непрерывном режиме.[8] В частности, на рисунке показаны графики количества мощности, излучаемой лазерами с разной шириной гребня для заданного тока инжекции. Каждый из этих лазеров имел пять каскадных каскадов и длину резонатора 4 мм. Эти лазеры устанавливались так, чтобы верх эпитаксиальной структуры (а не подложка) соприкасался с медь радиатор (обычно называемый эпитаксиальной стороной вниз) для достижения оптимального рассеивания тепла. Кроме того, они были изготовлены с гофрированными боковинами. Гофрирование боковой стенки снижает оптические потери, гарантируя, что меньше фотонов генерируется в более высоких порядках. оптические режимы которые более чувствительны к потерям на оптическое рассеяние.

Приложения

Лазеры среднего инфракрасного диапазона - важные инструменты для спектроскопический зондирования приложений. Много молекулы например, в загрязнении и парниковые газы иметь сильные вращательные и колебательные резонансы в средней инфракрасной области спектра. Для большинства сенсорных приложений длина волны лазера также должна быть в пределах одного из атмосферное окно чтобы избежать ослабления сигнала.

Важным требованием для этого типа приложений является получение одномодового излучения. С помощью ICL это можно сделать, сделав лазеры с распределенной обратной связью. ICL с распределенной обратной связью,[10] предназначен для возбуждения метан газ, был разработан в Лаборатория реактивного движения НАСА и включен как прибор в перестраиваемый лазерный спектрометр на Марсоход Curiosity который был отправлен исследовать окружающую среду Марса. Более поздний ICL с распределенной обратной связью излучает до 27 мВт в одном спектральном режиме при 3,79 мкм при работе при 40 ° C и 1 мВт при работе при 80 ° C.[11]

Рекомендации

  1. ^ Ян, Р. К. (1995). «Инфракрасный лазер на межподзонных переходах в квантовых ямах». Сверхрешетки и микроструктуры. 17 (1): 77–83. Bibcode:1995 СуМи ... 17 ... 77л. Дои:10.1006 / spmi.1995.1017.
  2. ^ Kim, M .; C.L. Канеди; W.W. Бьюли; К.С. Ким; Дж. Р. Линдл; Дж. Абель; И. Вургафтман; Дж. Р. Мейер (2008). «Межзонный каскадный лазер, излучающий на λ = 3,75 мкм непрерывной волной выше комнатной температуры». Письма по прикладной физике. 92 (19): 191110. Bibcode:2008АпФЛ..92с1110К. Дои:10.1063/1.2930685.
  3. ^ а б Bewley, W.W .; C.L. Канеди; К.С. Ким; М. Ким; CD. Мерритт; Дж. Абель; И. Вургафтман; Дж. Р. Мейер (2012). «Непрерывные межзонные каскадные лазеры, работающие при температуре выше комнатной на λ = 4,7-5,6 мкм». Оптика Экспресс. 20 (3): 3235–3240. Bibcode:2012OExpr..20.3235B. Дои:10.1364 / OE.20.003235.
  4. ^ Li, L .; H. Ye; Ю. Цзян; R.Q. Ян; Дж. К. Кей; Т.Д. Мисима; М.Б. Сантос; М.Б. Джонсон (2015). «Длинноволновые межзонные каскадные лазеры, выращенные методом МЛЭ на подложках InAs». J. Cryst. Рост. 426: 369–372. Bibcode:2015JCrGr.425..369L. Дои:10.1016 / j.jcrysgro.2015.02.016.
  5. ^ а б c d Вургафтман, И .; W.W. Бьюли; C.L. Канеди; К.С. Ким; М. Ким; CD. Мерритт; Дж. Абель; Дж. Р. Линдл; Дж. Р. Мейер (2011). «Ребалансировка внутренних генерируемых носителей для каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона с очень низким энергопотреблением». Nature Communications. 2: 585. Bibcode:2011 НатКо ... 2Э.585В. Дои:10.1038 / ncomms1595. PMID  22158440.
  6. ^ Вургафтман, И .; W.W. Бьюли; C.L. Канеди; К.С. Ким; М. Ким; Дж. Р. Линдл; CD. Мерритт; Дж. Абель; Дж. Р. Мейер (2011). "Межполосные каскадные лазеры среднего ИК-диапазона типа II". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 17 (5): 1435–1444. Bibcode:2011IJSTQ..17.1435V. Дои:10.1109 / JSTQE.2011.2114331. S2CID  12632562.
  7. ^ Тиан, З .; R.Q. Ян; Т.Д. Мисима; М.Б. Сантос; R.T. Хинки; M.E. Curtis; М.Б. Джонсон (2008). «Межзонные каскадные лазеры на основе InAs около 6 мкм». Письма об электронике. 45: 48–49. Дои:10.1049 / el: 20092779.
  8. ^ а б Bewley, W.W .; C.L. Канеди; К.С. Ким; М. Ким; CD. Мерритт; Дж. Абель; И. Вургафтман; Дж. Р. Мейер (2012). «Мощные межполосные каскадные лазеры среднего и инфракрасного диапазона непрерывного действия при комнатной температуре». Оптика Экспресс. 20 (19): 20894–20901. Bibcode:2012OExpr..2020894B. Дои:10.1364 / OE.20.020894. PMID  23037213.
  9. ^ Вургафтман, И .; Р. Вейх; М. Камп; Дж. Р. Мейер; C.L. Канеди; М. Ким; W.W. Бьюли; CD. Мерритт; Дж. Абель; С. Хефлинг (2015). «Актуальный обзор - Межзонные каскадные лазеры». Журнал физики D: Прикладная физика. 48: 123001–123017. Bibcode:2015JPhD ... 48л3001В. Дои:10.1088/0022-3727/48/12/123001. S2CID  221719163.
  10. ^ Yang, R.Q .; C.J..Hill; К. Мансур; Ю. Цю; А. Сойбель; R.E. Мюллер; ВЕЧЕРА. Эхтернах (2007). "Межзонные каскадные лазеры среднего ИК диапазона с распределенной обратной связью при температурах термоэлектрического охладителя". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13 (5): 1074–1078. Bibcode:2007IJSTQ..13.1074Y. Дои:10.1109 / JSTQE.2007.903014. S2CID  31177718.
  11. ^ Kim, C.S .; М. Ким; Дж. Абель; W.W. Бьюли; CD. Мерритт; C.L. Канеди; И.Вургафтман; Дж. Р. Мейер (2012). "Межполосные каскадные лазеры среднего ИК диапазона с распределенной обратной связью с непрерывным одномодовым излучением до 80 ° C". Письма по прикладной физике. 101: 061104. Bibcode:2012АпФЛ.101ф1104К. Дои:10.1063/1.4744445.

внешняя ссылка

Смотрите также