Перестраиваемый высокопроизводительный квантово-каскадный лазер

За прошедшее десятилетие наблюдался большой прогресс в оптимизации квантово-каскадных лазеров, излучающих в среднем и дальнем ИК-диапазоне спектра. Сейчас внимание исследователей привлекает применение этих лазеров в визуализации, спектроскопии высокого разрешения, в частности, в газохимическом анализе. Квантово-каскадные системы Alpes Lasers  легко перестраиваемы и имеют широкий диапазон излучения. Лазерная система поддерживает как непрерывный режим работы, так и множество схем модуляции, которые можно использовать для разных применений. В лазере с распределенной обратной связью решетка травится непосредственно в активной области, чтобы заставить лазер работать на конкретной длине волны, определяемой периодичностью решетки.

Идею ККЛ впер­вые сфор­му­ли­ро­ва­ли рос. фи­зи­ки Р. Ф. Ка­за­ри­нов и Р. А. Су­рис в 1971, определив возможность создания ККЛ на оптических переходах между подзонами одной энергетической зоны. В качестве излучающего материала исследователи из Принстонского университета использовали много слоев полупроводника толщиной в один атом. Во время испытаний ученые обнаружили, что их устройство испускает не один луч, а два с различными длинами волн. Во-первых, оказалось, что два луча "конкурируют", а при увеличении силы тока мощность одного луча возрастала, в то время как второй ослабевал. Во-вторых, при росте температуры до определенного значения мощность второго луча увеличивалась, в то время как у обычных лазерных диодов она уменьшается. Преимуществами ККЛ являются более низкое по сравнению с современными аналогами энергопотребление, а также более высокая температура работы.

В этой статье показано, что при правильном проектировании активной области ККЛ удается повысить эффективность преобразования электрической энергии в энергию излучения лазера. В рабочей схеме верхний лазерный уровень глубоко «проникает» в область инжектора, что позволяет в итоге осуществлять эффективную инжекцию электронов путем как резонансного туннелирования с основного уровня инжектора, так и рассеяния электронов с участием фононов с более высоких уровней инжектора. Далее опустошение нижнего лазерного уровня I происходит по схеме два фонона – континуум.

Под активной областью подразумевается набор из нескольких (от трех до шести) туннельно-связанных квантовых ям, к которым приложено внешнее смещение. Каждый такой набор имеет инжектор. Структура переходов в активной области схематично показана на рис. 1.
 

Рисунок 1. Диаграмма зон проводимости активной области при внешнем поле 50 кВ/см. Показаны квадраты модулей соответствующих огибающих волновых функций.

Низкое легирование активной области и малые потери в волноводе минимизируют пороговый ток и обеспечивают большой динамический диапазон. Предполагалось, что поле не будет экранироваться линейной плотностью электронов в активной области. При насыщении происходит экранирование внутреннего электрического поля большим числом фотогенерированных носителей заряда, что ведет к уменьшению их подвижности, а в конечном итоге — уменьшению фотоотклика и отношения сигнала к шуму, которые не зависят от количества поглощенных фотонов.

Накачка верхнего лазерного уровня осуществляется путем туннельной инжекции в электрическом поле, а опустошение нижнего лазерного уровня происходит благодаря резонансному рассеянию электрона с участием LO-фонона. Формализм матрицы плотности использовался для прогнозирования вольт-амперной характеристики лазеров. С помощью одной и той же модели были смоделированы спектры электролюминесценции для различных внешних полей. 50 периодов активной области в двух слоях InGaAs толщиной 100 нм улучшают локализацию моды. На верхнем удерживающем слое InGaAs была выращена оболочка InP толщиной 3,2 мкм методом металло-парофазной эпитаксии.

На рис. 2 показана типичная вольт-амперная характеристика ККЛ длиной 3,9 мм и шириной 9,5 мм. Пороговая плотность тока 1,5 кА/см² была измерена при 300 К в импульсном режиме, дифференциальная ватт-амперная эффективность составила 1,4 Вт/А на грань. Смоделированные кривые для напряжения, оптической мощности и эффективности преобразования приведены на рис. 2 в виде пунктирных линий. Прогнозируемые кривые эффективности преобразования и оптической мощности показывают небольшую недооценку порогового тока. Тем не менее эффективность наклона и пиковая эффективность преобразования, по-видимому, хорошо воспроизводятся моделью.

Рисунок 2. Импульсная вольт-амперная характеристика ККЛ длиной 3,9 мм и шириной 9,5 мкм. Общая эффективность преобразования (%) также показана (красный). Смоделированные кривые показаны пунктирными линиями.

Общая мощность лазера в импульсном режиме составила 450 МВт. Суммарные волноводные потери приборов оценивались по зависимости пороговой плотности тока от длины резонатора. Установлено, что потери составляют около 2,8 см⁻¹, что является особенно низким значением для ККЛ в этом диапазоне частот. Для измерения спектров электролюминесценции (ЭЛ) вдоль волновода расщепляли лазеры, излучающие короткие длины волн (750 мкм) и измеряли излучение света ортогонально сектору.

На рис. 3(а) показано сравнение смоделированных и измеренных спектров ЭЛ для приложенного поля 53 кВ/см. Как видно, для этого поля спонтанное излучение показывает три пика. Первый, помещенный на 140 МэВ, можно отнести к лазерному переходу (7)-(6), в то время как два других, соответственно на 166 МэВ и 200 МэВ, относятся к переходу из верхнего состояния генерации (7) в два нижних состояния (5) и (4). Важно отметить, что несмотря на то, что модель не включает в себя какой-либо показатель согласованности между моделируемыми и измеренными кривыми спонтанного излучения, корреляция кривых очевидна. Модель также точно предсказывает зависимость этих пиков от поля, как показано на рис. 3(б). Величина двух последних пиков, относящихся к слабому полю (40-55 кВ/см), уменьшается при прикладывании более высокого смещения (55-80 кВ/см). Как в моделировании, так и в измерениях они не распознаются с ростом прикладываемого смещения, поскольку их матричный элемент дипольного перехода постепенно исчезает. На рис. 4(а) спектры излучения лазера длиной 2,3 мм и шириной 8,5 мкм измеряются в импульсном режиме в зависимости от приложенного смещения. Как видно, лазер непрерывно перестраивается в диапазоне от 50 до 85 кВ/см. На рис. 4 (б) показано сравнение между моделируемыми и измеренными данными показывает отличную синхронную работу.
 

Рисунок 3. а) Измеренные и смоделированные межполосные спектры ЭЛ для приложенного поля 53 кВ/см. Пики, связанные с переходами (7)– (6), (7) – (5), и (7) – (4) помечены на риснуке. б) Смоделированные и измеренные пики люминесцентного излучения в зависимости от напряжения электрического поля.
 

Рисунок 4. а) Лазерные спектры, измеренные в импульсном режиме. б) Смоделированное и измеренное положение пика лазера в зависимости от электрического поля.

© App. Physics Letters 96,
2010

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Alpes Lasers на территории РФ