Laser em cascata quântica - Quantum cascade laser

"Quantum Cascade Lasers" (QCLs) são lasers semicondutores que emitem na porção do infravermelho médio a longo do espectro eletromagnético e foram demonstrados pela primeira vez por Jerome Faist, Federico Capasso , Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson e Alfred Cho em Bell Laboratories em 1994.

Ao contrário dos lasers semicondutores interbandas típicos que emitem radiação eletromagnética através da recombinação de pares elétron-buraco através do gap de material , os QCLs são unipolares e a emissão de laser é alcançada através do uso de transições intersubband em uma pilha repetida de heteroestruturas de poços quânticos múltiplos semicondutores , uma ideia proposto pela primeira vez em a "possibilidade de amplificação de ondas electromagnéticas em um semicondutor com um papel superlattice " por RF Kazarinov e RA Suris em 1971.

Transições entre bandas vs. interbandas

As transições entre bandas em lasers semicondutores convencionais emitem um único fóton.

Dentro de um cristal semicondutor em massa , os elétrons podem ocupar estados em uma de duas bandas de energia contínua - a banda de valência , que é fortemente povoada por elétrons de baixa energia e a banda de condução , que é esparsamente povoada por elétrons de alta energia. As duas bandas de energia são separadas por um gap de energia em que não há estados permitidos disponíveis para os elétrons ocuparem. Os diodos laser semicondutores convencionais geram luz por um único fóton sendo emitido quando um elétron de alta energia na banda de condução se recombina com um orifício na banda de valência. A energia do fóton e, portanto, o comprimento de onda de emissão dos diodos de laser é, portanto, determinado pelo gap do sistema de material usado.

Um QCL, entretanto, não usa materiais semicondutores em massa em sua região opticamente ativa. Em vez disso, consiste em uma série periódica de camadas finas de composição de material variável, formando uma superrede . A superrede introduz um potencial elétrico variável ao longo do comprimento do dispositivo, o que significa que há uma probabilidade variável de elétrons ocuparem posições diferentes ao longo do dispositivo. Isso é conhecido como confinamento de poço quântico múltiplo unidimensional e leva à divisão da banda de energias permitidas em uma série de sub-bandas eletrônicas discretas. Por meio do projeto adequado das espessuras de camada, é possível projetar uma inversão de população entre duas sub-bandas no sistema, que é necessária para atingir a emissão de laser. Como a posição dos níveis de energia no sistema é determinada principalmente pelas espessuras da camada e não pelo material, é possível ajustar o comprimento de onda de emissão de QCLs em uma ampla faixa no mesmo sistema de material.

Nas estruturas em cascata quântica, os elétrons passam por transições entre as sub-bandas e são emitidos fótons. O túnel de elétrons para o próximo período da estrutura e o processo se repete.

Além disso, nos diodos laser semicondutores, os elétrons e os buracos são aniquilados após a recombinação através do gap e não podem desempenhar mais nenhum papel na geração de fótons. No entanto, em um QCL unipolar, uma vez que um elétron passou por uma transição intersubband e emitiu um fóton em um período da superrede, ele pode criar um túnel para o próximo período da estrutura onde outro fóton pode ser emitido. Este processo de um único elétron causando a emissão de múltiplos fótons à medida que atravessa a estrutura QCL dá origem ao nome cascata e torna possível uma eficiência quântica maior do que a unidade, o que leva a potências de saída mais altas do que diodos de laser semicondutor.

Princípios operacionais

Equações de taxa

As populações de sub-bandas são determinadas pelas taxas de espalhamento entre as sub-bandas e a corrente de injeção / extração.

Os QCLs são normalmente baseados em um sistema de três níveis . Assumindo que a formação das funções de onda é um processo rápido em comparação com o espalhamento entre estados, as soluções independentes do tempo para a equação de Schrödinger podem ser aplicadas e o sistema pode ser modelado usando equações de taxas. Cada sub-banda contém um número de elétrons (onde é o índice da sub-banda) que se espalham entre os níveis com um tempo de vida (recíproco da taxa média de espalhamento entre as sub-bandas ), onde e são os índices inicial e final da sub-banda. Supondo que nenhuma outra sub-banda seja preenchida, as equações de taxa para os lasers de três níveis são dadas por: ${\ displaystyle n_ {i}}$ ${\ displaystyle i}$ ${\ displaystyle \ tau _ {if}}$ ${\ displaystyle W_ {if}}$ ${\ displaystyle i}$ ${\ displaystyle f}$

{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} n_ {3}} {\ mathrm {d} t}} = I _ {\ mathrm {in}} + {\ frac {n_ {1}} {\ tau _ { 13}}} + {\ frac {n_ {2}} {\ tau _ {23}}} - {\ frac {n_ {3}} {\ tau _ {31}}} - {\ frac {n_ {3 }} {\ tau _ {32}}}}

{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} n_ {2}} {\ mathrm {d} t}} = {\ frac {n_ {3}} {\ tau _ {32}}} + {\ frac { n_ {1}} {\ tau _ {12}}} - {\ frac {n_ {2}} {\ tau _ {21}}} - {\ frac {n_ {2}} {\ tau _ {23} }}}

{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} n_ {1}} {\ mathrm {d} t}} = {\ frac {n_ {2}} {\ tau _ {21}}} + {\ frac { n_ {3}} {\ tau _ {31}}} - {\ frac {n_ {1}} {\ tau _ {13}}} - {\ frac {n_ {1}} {\ tau _ {12} }} - I _ {\ mathrm {out}}}

No estado estacionário , as derivadas de tempo são iguais a zero e . A equação da taxa geral para elétrons na sub-banda i de um sistema de nível N é, portanto: ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {in}} = I _ {\ mathrm {out}} = I}$

{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} n_ {i}} {\ mathrm {d} t}} = \ sum \ limits _ {j = 1} ^ {N} {\ frac {n_ {j}} {\ tau _ {ji}}} - n_ {i} \ sum \ limits _ {j = 1} ^ {N} {\ frac {1} {\ tau _ {ij}}} + I (\ delta _ { iN} - \ delta _ {i1})}

,

Partindo do pressuposto de que os processos de absorção podem ser ignorados, (ou seja , válidos em baixas temperaturas), a equação da taxa média fornece ${\ displaystyle {\ frac {n_ {1}} {\ tau _ {12}}} = {\ frac {n_ {2}} {\ tau _ {23}}} = 0}$

{\ displaystyle {\ frac {n_ {3}} {\ tau _ {32}}} = {\ frac {n_ {2}} {\ tau _ {21}}}}

Portanto, se (isto é ) então e existirá uma inversão populacional. A proporção da população é definida como ${\ displaystyle \ tau _ {32}> \ tau _ {21}}$ ${\ displaystyle W_ {21}> W_ {32}}$ ${\ displaystyle n_ {3}> n_ {2}}$

{\ displaystyle {\ frac {n_ {3}} {n_ {2}}} = {\ frac {\ tau _ {32}} {\ tau _ {21}}} = {\ frac {W_ {21}} {W_ {32}}}}

Se todas as N equações de taxa de estado estacionário forem somadas, o lado direito torna-se zero, o que significa que o sistema está subdeterminado e só é possível encontrar a população relativa de cada sub-banda. Se a densidade total da folha de portadores no sistema também for conhecida, então a população absoluta de portadores em cada sub-banda pode ser determinada usando: ${\ displaystyle N _ {\ mathrm {2D}}}$

{\ displaystyle \ sum \ limits _ {i = 1} ^ {N} n_ {i} = N _ {\ mathrm {2D}}}

.

Como aproximação, pode-se supor que todos os portadores do sistema são abastecidos por dopagem . Se a espécie dopante tem uma energia de ionização desprezível, então é aproximadamente igual à densidade de dopagem. ${\ displaystyle N _ {\ mathrm {2D}}}$

As funções de onda de elétrons são repetidas em cada período de uma região ativa QCL de três poços quânticos. O nível superior do laser é mostrado em negrito.

Projetos de região ativa

As taxas de espalhamento são ajustadas pelo projeto adequado das espessuras de camada na superrede que determinam as funções de onda de elétrons das sub-bandas. A taxa de espalhamento entre duas sub-bandas é fortemente dependente da sobreposição das funções de onda e do espaçamento de energia entre as sub-bandas. A figura mostra as funções de onda em uma região ativa e injetor QCL de três poços quânticos (3QW).

Para diminuir , a sobreposição dos níveis superior e inferior do laser é reduzida. Isso é muitas vezes alcançado através do projeto de espessuras de camada de modo que o nível de laser superior esteja localizado principalmente no poço esquerdo da região ativa 3QW, enquanto a função de onda de nível de laser inferior é feita para residir principalmente nos poços central e direito . Isso é conhecido como transição diagonal . Uma transição vertical é aquela em que o nível superior do laser está localizado principalmente nos poços centrais e direitos. Isso aumenta a sobreposição e, portanto, reduz a inversão da população, mas aumenta a força da transição radiativa e, portanto, o ganho . ${\ displaystyle W_ {32}}$ ${\ displaystyle W_ {32}}$

Para aumentar , o nível de laser inferior e as funções de onda do nível do solo são projetadas de modo que tenham uma boa sobreposição e, para aumentar ainda mais, o espaçamento de energia entre as sub-bandas é projetado de modo que seja igual ao fônon óptico longitudinal (LO) energia (~ 36 meV em GaAs) de modo que o espalhamento ressonante LO fônon-elétron pode despovoar rapidamente o nível de laser inferior. ${\ displaystyle W_ {21}}$ ${\ displaystyle W_ {21}}$

Sistemas de materiais

O primeiro QCL foi fabricado no sistema de material GaInAs / AlInAs combinado com um substrato InP . Este sistema de material específico tem um deslocamento de banda de condução (profundidade do poço quântico) de 520 meV . Esses dispositivos baseados em InP alcançaram níveis muito altos de desempenho em toda a faixa espectral do infravermelho médio , alcançando alta potência, acima da temperatura ambiente, emissão de onda contínua .

Em 1998, os QCLs de GaAs / AlGaAs foram demonstrados por Sirtori et al. provando que o conceito de QC não está restrito a um sistema de material. Este sistema de material tem uma profundidade de poço quântico variável dependendo da fração de alumínio nas barreiras. Embora os QCLs baseados em GaAs não correspondam aos níveis de desempenho dos QCLs baseados em InP no infravermelho médio, eles provaram ser muito bem-sucedidos na região terahertz do espectro.

O limite de comprimento de onda curto dos QCLs é determinado pela profundidade do poço quântico e recentemente os QCLs foram desenvolvidos em sistemas de materiais com poços quânticos muito profundos, a fim de atingir a emissão de comprimento de onda curto. O sistema de materiais InGaAs / AlAsSb tem poços quânticos de 1,6 eV de profundidade e tem sido usado para fabricar QCLs que emitem a 3,05 μm. Os QCLs de InAs / AlSb têm poços quânticos de 2,1 eV de profundidade e foi observada eletroluminescência em comprimentos de onda tão curtos quanto 2,5 μm.

Os QCLs também podem permitir a operação do laser em materiais tradicionalmente considerados como tendo propriedades ópticas pobres. Materiais de bandgap indiretos, como o silício, têm energias mínimas de elétrons e lacunas em diferentes valores de momento. Para transições ópticas entre bandas, as portadoras mudam o momento por meio de um processo de espalhamento lento e intermediário, reduzindo drasticamente a intensidade da emissão óptica. As transições ópticas entre sub-bandas, no entanto, são independentes do momento relativo da banda de condução e dos mínimos da banda de valência e propostas teóricas para emissores em cascata quântica de Si / SiGe foram feitas.

Comprimentos de onda de emissão

Os QCLs atualmente cobrem a faixa de comprimento de onda de 2,63 μm a 250 μm (e se estende a 355 μm com a aplicação de um campo magnético).

Guias de ondas ópticas

Vista final da faceta do QC com guia de onda do cume. Cinza mais escuro: InP, cinza mais claro: camadas QC, preto: dielétrico, ouro: revestimento de Au. Ridge ~ 10 um de largura.

Vista final da faceta QC com guia de ondas de heteroestrutura enterrado. Cinza mais escuro: InP, cinza mais claro: camadas QC, preto: dielétrico. Heteroestrutura ~ 10 um de largura

A primeira etapa no processamento do material de ganho em cascata quântica para fazer um dispositivo de emissão de luz útil é confinar o meio de ganho em um guia de onda óptico . Isso torna possível direcionar a luz emitida em um feixe colimado e permite que um ressonador a laser seja construído de forma que a luz possa ser acoplada de volta ao meio de ganho.

Dois tipos de guias de ondas ópticas são de uso comum. Um guia de onda de cumeeira é criado gravando trincheiras paralelas no material de ganho da cascata quântica para criar uma faixa isolada de material QC, tipicamente ~ 10 um de largura e vários mm de comprimento. Um material dielétrico é normalmente depositado nas trincheiras para guiar a corrente injetada na crista, então toda a crista é tipicamente revestida com ouro para fornecer contato elétrico e ajudar a remover o calor da crista quando ela está produzindo luz. A luz é emitida a partir das extremidades clivadas do guia de ondas, com uma área ativa que normalmente tem apenas alguns micrômetros de dimensão.

O segundo tipo de guia de ondas é uma heteroestrutura enterrada . Aqui, o material QC também é gravado para produzir uma crista isolada. Agora, entretanto, um novo material semicondutor é cultivado ao longo da crista. A mudança no índice de refração entre o material QC e o material coberto é suficiente para criar um guia de ondas. O material dielétrico também é depositado no material coberto de vegetação ao redor da crista QC para guiar a corrente injetada no meio de ganho QC. Os guias de onda de heteroestrutura enterrados são eficientes na remoção de calor da área ativa do CQ quando a luz está sendo produzida.

Tipos de laser

Embora o meio de ganho de cascata quântica possa ser usado para produzir luz incoerente em uma configuração superluminescente, é mais comumente usado em combinação com uma cavidade óptica para formar um laser.

Lasers Fabry-Perot

Este é o mais simples dos lasers em cascata quântica. Um guia de onda óptico é fabricado primeiro a partir do material da cascata quântica para formar o meio de ganho. As extremidades do dispositivo semicondutor cristalino são então clivadas para formar dois espelhos paralelos em cada extremidade do guia de ondas, formando assim um ressonador Fabry-Pérot . A refletividade residual nas facetas clivadas da interface semicondutor-ar é suficiente para criar um ressonador. Fabry-Perot lasers quântico em cascata são capazes de produzir grandes potências, mas são tipicamente multi- modo em correntes de funcionamento mais elevadas. O comprimento de onda pode ser alterado principalmente alterando a temperatura do dispositivo QC.

Lasers de feedback distribuído

Um laser de cascata quântica de feedback distribuído (DFB) é semelhante a um laser Fabry-Pérot, exceto por um refletor Bragg distribuído (DBR) construído na parte superior do guia de onda para evitar que ele emita em outro comprimento de onda que não o desejado. Isso força a operação de modo único do laser, mesmo em correntes operacionais mais altas. Lasers DFB podem ser ajustados principalmente mudando a temperatura, embora uma variante interessante de ajuste possa ser obtida pulsando um laser DFB. Neste modo, o comprimento de onda do laser é rapidamente “ chiado ” durante o curso do pulso, permitindo a varredura rápida de uma região espectral.

Lasers de cavidade externa

Esquema do dispositivo QC em cavidade externa com feedback óptico seletivo de frequência fornecido por rede de difração na configuração Littrow.

Em um laser em cascata quântica de cavidade externa (CE), o dispositivo em cascata quântica serve como meio de ganho de laser. Uma ou ambas as facetas do guia de ondas têm um revestimento anti-reflexo que anula a ação da cavidade óptica das facetas clivadas. Os espelhos são então dispostos em uma configuração externa ao dispositivo QC para criar a cavidade óptica.

Se um elemento seletivo de frequência for incluído na cavidade externa, é possível reduzir a emissão do laser para um único comprimento de onda e até mesmo ajustar a radiação. Por exemplo, grades de difração foram usadas para criar um laser sintonizável que pode sintonizar mais de 15% de seu comprimento de onda central.

Dispositivos de ajuste estendido

Existem vários métodos para estender a faixa de sintonia de lasers em cascata quântica usando apenas elementos integrados monoliticamente. Aquecedores integrados podem estender a faixa de sintonia em temperatura de operação fixa para 0,7% do comprimento de onda central e grades de superestrutura operando por meio do efeito Vernier podem estendê-la para 4% do comprimento de onda central, em comparação com <0,1% para um dispositivo DFB padrão.

Crescimento

As camadas alternadas dos dois semicondutores diferentes que formam a heteroestrutura quântica podem ser cultivadas em um substrato usando uma variedade de métodos, tais como epitaxi de feixe molecular (MBE) ou epitaxi de fase de vapor metalorgânico (MOVPE), também conhecido como deposição de vapor químico metalorgânico ( MOCVD).

Formulários

Lasers de cascata quântica Fabry-Perot (FP) foram comercializados pela primeira vez em 1998, dispositivos de feedback distribuído (DFB) foram comercializados pela primeira vez em 2004, e lasers de cascata quântica de cavidade externa amplamente ajustável comercializados pela primeira vez em 2006. A saída de alta potência óptica, faixa de sintonia e a operação em temperatura ambiente torna os QCLs úteis para aplicações espectroscópicas, como sensoriamento remoto de gases e poluentes ambientais na atmosfera e segurança. Eles podem eventualmente ser usados para controle de cruzeiro veicular em condições de baixa visibilidade , radar para prevenção de colisões , controle de processos industriais e diagnósticos médicos , como analisadores de respiração. Os QCLs também são usados para estudar a química do plasma.

Quando usada em sistemas de laser múltiplo, a espectroscopia QCL intrapulso oferece cobertura espectral de banda larga que pode potencialmente ser usada para identificar e quantificar moléculas pesadas complexas, como aquelas em produtos químicos tóxicos, explosivos e drogas.

Em ficção

O videogame Star Citizen imagina lasers em cascata quântica de cavidade externa como armas de alta potência.

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