ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

КВАНТОВО-КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Обычные диодные лазеры основаны на излучательной рекомбинации электронов и дырок через запрещенную зону между зоной проводимости и валентной зоной.[58] В устройствах этого класса энергия лазерного фотона, в ос­новном, определяется интервалом энергии этой запрещенной зоны активного материала. Даже в лазерах на квантовых ямах (ФИО эту энергию можно лишь слегка контролировать и увеличивать, используя эффекты пространственно­го окружения. Полупроводниковые лазеры с высокими характеристиками изготавливаются с использованием подходящих гетероструктур из Ш-У по­лупроводников (например, 1пОаАзР/1пР, ОаАэ/АЮаАз, 1пОаК/ОаЫ/АЮаМ) и перекрывают диапазон длин волн 0,3-2 мкм. На больших длинах волн ха­рактеристики резко падают из-за отсутствия материалов высокого качест­ва, увеличения оптических потерь и превалирования безызлучательной Оже-рекомбинации над излучательными переходами.

Квантово-каскадные лазеры (фС лазеры) принципиально отличаются от диодных лазеров. Они основаны не на переходе между электронами и дырка­ми, а используют оптические переходы между электронными связанными состояниями, так называемые минизоны проводимости, которые образуют­ся в ультратонких полупроводниковых структурах типа квантовых ям за счет пространственного окружения. Можно управлять длиной во/шы, ис­пускаемой лазером, путем аккуратного контроля толщины структуры квантовых ям и барьеров в активной области. Тем самым устраняется зави­симость длины волны от энергии запрещенной зоны, имеет место слабое влия­ние от системы выбранных материалов. До настоящего времени <ЦС лазеры были изготовлены из следующих систем: Оа1пА8/А11пАз/1пР, ОаАв/АЮаАв, Оа1пА8/А1Аз8Ь. Эти гетероструктуры множественных квантовых ям можно спроектировать, используя методы работы с зонными структурами, и вырас­тить с помощью наиболее прогрессивных технологий изготовления полупро­водников, а именно молекулярной пучковой эпитаксии или высаживания из газовой фазы (СУБ технология) метал л органических соединений. Следуя этому подходу, к настоящему времени была продемонстрирована лазерная генерация в диапазоне значительной ширины 3-200 мкм. Однако пока не выявлено никаких фундаментальных ограничений, и можно ожидать, в прин­ципе, расширение спектрального диапазона.

Помимо широкого выбора в плане спектрального диапазона, при имею­щихся достаточно хорошо освоенных и доступных материалах, использова­ние внутренних минизонных переходов обуславливает и другие ключевые преимущества данного типа лазеров. В С? С лазере каждый электрон прохо­дит последовательность (каскады) идентичных стадий (обычно несколько десятков) и способен испустить более одного фотона. Эта уникальная особен­ность приводит к значениям внутренней квантовой эффективности большей 1 и к потенциальной возможности высокой мощности. Более того, эти внут­ренние минизонные переходы характеризуются сверхбыстрой динамикой носителей, что делает возможным быстрое «включение» в работу С лазеров в режиме коротких импульсов.

Впервые идея использовать внутренние минизонные переходы и тунне­лирование в каскадных структурах для усиления света была предложена Казариновым и Сурисом в 1971 г. Она вызвала интенсивные теоретические исследования и постановку предварительных экспериментов по изучению оптических свойств внутренних минизонных переходов. Однако потребова­лись более глубокие знания предмета и соответствующие наработки, прежде чем удалось изобрести и продемонстрировать в 1994 г. фС лазер [60].

Рис. 9.35а показывает упрощенную схему, которая иллюстрирует основ­ной принцип действия фС лазера. Из рисунка видно, что для работы лазера используется последовательность ступеней, каждая из которых включает область инжекции и активную область, разделенных туннельным барьером. Две из таких ступеней продемонстрированы на рисунке. Отметим, что гори­зонтальная шкала указывает расстояние (вдоль направления роста) от за­данной плоскости отсчета. При приложении электрического поля, электро­ны за счет туннелирования инжектируются в субполосу возбуждения 3, КО*

Активная

Область

(------ ^

Торая является верхним лазерным уровнем. Тогда получается генерация на переходе между субполосами 3 и 2 квантовой ямы. В этой связи следует от­метить, что спонтанный распад с уровня 3 на уровни 2 или 1 является безыз - лучательным, через фотон-фононное взаимодействие, с характерным време­нем т32 порядка нескольких пс. Для получения инверсной населенности ме­жду уровнями 3 и 2 нужно, чтобы выполнялось условие т32 > т2, где Т2 — полное время жизни уровня 2. Это легко достигается в материале, где раз­ность энергий уровней 2 и 1 близка к резонансу с энергией оптического фо - нона. В этом случае безызлучательный переход уровня 2, через фотон-фонон­ное взаимодействие, происходит очень быстро, с соответствующим временем процесса т2 = т21« 0,2-0,3 пс. Тогда возможна лазерная генерация между уров­нями 3 и 2, если электроны подаются на уровень 3, а затем достаточно быстро удаляются с уровня 1. В этом случае каждый инжектор действует как некото­рая область релаксации энергии для электронов, удаляемых из активной об­ласти и направляемых в последующую ступень. Электроны, требуемые для направления в области инжекции, обеспечиваются п-допированием каждой области на подходящем уровне. QС лазеры обычно включают 20 ч - 100 ступе­ней. Были предложены различные композиции активной области.

В простейшей схеме, которая также являлась первой демонстрацией, ис­пользовались три связанные квантовые ямы в качестве активной области [60]. Характерными особенностями такой композиции являются высокая эффек­тивность инжекции на уровень 3, большое время жизни верхнего лазерного уровня т3 и короткое время жизни нижнего состояния т2; разумеется, эти особенности чрезвычайно полезны для получения инверсной населенности и лазерной генерации. Однако трудно избежать прямого перехода от инжекто­ра на уровень 2. Еще одно ограничение проистекает из того факта, что пол­ная эффективность удаления электронов ступени активной области в ин - жекцию на следующую ступень все еще контролируется туннелированием (через уровень 1). В результате характерное время удаления оказывается по­рядка 2-3 пс, т. е. много больше, чем время жизни уровня 2. Так как уровни 1 и 2 находятся в термическом равновесии, это приводит к классическому

Эффекту узкого горла, в котором медленный распад уровня 1 замедляет эф­фективный распад уровня 2. Это предельно ограничивает инверсную/ насе­ленность и, следовательно, оптические характеристики, достигаемое при высоких токах накачки и высоких температурах. /

Чтобы получить активные области, также можно использовать срерхре - шетки материалов (БЬ) [61]. Полупроводниковая сверхрешетка состоит из стоп­ки периодических слоев толщиной в нанометры, представляющих собой кван­товые ямы и барьеры. В режиме сильно связанного туннелирования соответст­вующий потенциал, получающийся в результате сверхналожения, расщепляет зону проводимости на множество состояний (минизон), разделенных энергети­ческими щелями (минищели). В этом случае лазерная генерация имеет место на минищели между первыми двумя минизонами (см. рис. 9.35б). Сверхре­шетка проектируется так, чтобы иметь достаточно широкую первую минизо­ну, например, шириной равной энергиям 2-3 оптических фононов. Это делает время жизни нижнего лазерного состояния (верхний энергетический уровень первой минизоны) достаточно ультракоротким из-за многих доступных кана­лов релаксации внутри минизоны, обусловленных фотон-фононным испуска­нием. Также свойства фазового пространства обуславливают тот факт, что ве­роятность прямых переходов для состояний инжекции на нижнее лазерное состояние сильно уменьшается. Следовательно, в £Ь-фС лазерах устанавлива­ется и при необходимости поддерживается инверсная населенность. Этот факт, наряду с высоким усилением, с возможностью подачи больших токов, и слабая зависимость от температуры позволяют получать очень высокие характери­стики этих типов С? С лазеров. С другой стороны, инжекция электронов на верх­нее лазерное состояние не столь эффективна, как в случае трехквантовых ям.

Были продемонстрированы [62] квантовые каскадные структуры, соче­тающие преимущества двух предыдущих схем. Пример показан на рис. 9.36. В этой конструкции активная область содержит чирпированную суперрешет­ку, т. е. представляет собой последовательность квантовых ям с уменьшаю­щейся толщиной и с соответствующими барьерными слоями с увеличиваю-

Барьер туннелирования

0,8-

ІіііііііііІЯЙ^НПППпг

І ЇРІІІІІІІ

ІШУІІІ-

1 ступень 1 І І І

25 50

Расстояние (нм)

Рис. 9.36 Рассчитанная диаграмма зоны проводимости (связь-континуум) квантово-каскадного лазера. Серыми областями показаны волновая функция верхнего лазерного уровня (связанное состояние) и соответствующие минизоны проводимости. Волнистая стрелка показывает лазерный переход

Щимися толщинами. При приложении электрических полей в нужной об­ласти значений, это позволяет образовать широкую минизону. Нижний ла­зерный уровень принадлежит первой минизоне. Верхний лазерный уровень образуется в первой минизоне путем введения маленького барьера, хорошо пригодного для инжекции. Этот уровень вполне отделен от верхней минизо­ны сверхрешетки, что соответствует связанному состоянию, волновая функ­ция которого показана на рисунке. Тогда лазерная генерация имеет место между верхним связанным состоянием и континуумом состояний первой минизоны. После лазерной генерации электрон термолизируется в первую минизону, так что в этом случае нет необходимости разделять структуру на активную область и область инжекции/релаксации.

Практические реализации QC лазеров быстро развивались и теперь дос­тигли достаточно высоких уровней для применений. Пока наиболее освоен­ными являются длины волн 4-9 мкм среднего ИК-диапазона. Несколькими группами ученых сообщалось о непрерывном режиме генерации при темпе­ратуре выше комнатной, а в определенных диапазонах длин волн QC лазеры коммерчески доступны. В непрерывном режиме выходные мощности дости­гают сотен миливатт, а пиковые мощности — нескольких Вт. Режим одно­модовой генерации был получен при изготовлении элемента распределенной обратной связи (DFB) путем записи решетки на вершине активной области (см. разд. 9.4.6). Недавно были осуществлены QC лазеры, работающие в диа­пазоне 1,5 - г - 4,5 ТГц (т. е. с длинами волн 70 и 200 мкм), хотя и при азотной температуре. Наилучшие характеристики QC лазеров на сегодня получены при использовании особенностей структуры связь-континуум.

Наличие доступных и компактных полупроводниковых лазеров средне­го ИК-диапазона открыло путь нескольким применениям, главным образом основанных на спектроскопическом обнаружении следов газов. Это контроль окружающей среды, медицинский контроль дыхания, контроль промыш­ленных процессов и проблемы безопасности.