Láser de cascada cuántica - Quantum cascade laser

Los "láseres cuánticos en cascada" (QCL) son láseres semiconductores que emiten en la parte del infrarrojo medio a lejano del espectro electromagnético y fueron demostrados por primera vez por Jerome Faist, Federico Capasso , Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson y Alfred Cho en Bell Laboratories en 1994.

A diferencia de los láseres semiconductores interbanda típicos que emiten radiación electromagnética a través de la recombinación de pares de electrones y huecos a través de la banda prohibida del material , los QCL son unipolares y la emisión láser se logra mediante el uso de transiciones entre subbandas en una pila repetida de heteroestructuras de pozos cuánticos múltiples de semiconductores , una idea primera propuesta en la "posibilidad de amplificación de ondas electromagnéticas en un semiconductor con un papel superred " por RF Kazarinov y RA Suris en 1971.

Transiciones entre subbandas y entre bandas

Las transiciones entre bandas en los láseres semiconductores convencionales emiten un solo fotón.

Dentro de un cristal semiconductor a granel , los electrones pueden ocupar estados en una de dos bandas de energía continuas: la banda de valencia , que está densamente poblada con electrones de baja energía y la banda de conducción , que está escasamente poblada con electrones de alta energía. Las dos bandas de energía están separadas por una banda prohibida de energía en la que no hay estados permitidos disponibles para que los ocupen los electrones. Los diodos láser semiconductores convencionales generan luz mediante la emisión de un solo fotón cuando un electrón de alta energía en la banda de conducción se recombina con un agujero en la banda de valencia. Por tanto, la energía del fotón y, por tanto, la longitud de onda de emisión de los diodos láser está determinada por la banda prohibida del sistema de material utilizado.

Sin embargo, un QCL no utiliza materiales semiconductores a granel en su región ópticamente activa. En cambio, consiste en una serie periódica de capas delgadas de composición de material variable que forman una superrejilla . La superrejilla introduce un potencial eléctrico variable a lo largo del dispositivo, lo que significa que existe una probabilidad variable de que los electrones ocupen diferentes posiciones a lo largo del dispositivo. Esto se conoce como confinamiento de pozos cuánticos múltiples unidimensionales y conduce a la división de la banda de energías permitidas en varias subbandas electrónicas discretas. Mediante un diseño adecuado de los espesores de capa, es posible diseñar una inversión de población entre dos subbandas en el sistema que se requiere para lograr la emisión láser. Debido a que la posición de los niveles de energía en el sistema está determinada principalmente por los espesores de capa y no por el material, es posible ajustar la longitud de onda de emisión de los QCL en un amplio rango en el mismo sistema de material.

En las estructuras de cascada cuántica, los electrones experimentan transiciones entre subbandas y se emiten fotones. Los electrones pasan al siguiente período de la estructura y el proceso se repite.

Además, en los diodos láser semiconductores, los electrones y los huecos se aniquilan después de recombinarse a través de la banda prohibida y no pueden desempeñar un papel más en la generación de fotones. Sin embargo, en un QCL unipolar, una vez que un electrón ha experimentado una transición entre subbandas y ha emitido un fotón en un período de la superrejilla, puede entrar en un túnel en el siguiente período de la estructura donde se puede emitir otro fotón. Este proceso de un solo electrón que causa la emisión de múltiples fotones a medida que atraviesa la estructura QCL da lugar al nombre de cascada y hace posible una eficiencia cuántica mayor que la unidad, lo que conduce a potencias de salida más altas que los diodos láser semiconductores.

Principios de operacion

Tasas de ecuaciones

Las poblaciones de subbandas están determinadas por las tasas de dispersión entre subbandas y la corriente de inyección / extracción.

Los QCL se basan típicamente en un sistema de tres niveles . Suponiendo que la formación de las funciones de onda es un proceso rápido en comparación con la dispersión entre estados, se pueden aplicar las soluciones independientes del tiempo a la ecuación de Schrödinger y se puede modelar el sistema usando ecuaciones de velocidad. Cada subbanda contiene una cantidad de electrones (donde está el índice de subbanda) que se dispersan entre niveles con una vida útil (recíproca de la tasa de dispersión media entre subbandas ), donde y son los índices de subbanda inicial y final. Suponiendo que no se llenen otras subbandas, las ecuaciones de velocidad para los láseres de tres niveles vienen 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} }} - Yo _ {\ mathrm {fuera}}}

En el estado estacionario , las derivadas del tiempo son iguales a cero y . Por lo tanto, la ecuación de velocidad general para los electrones en la subbanda i de un sistema de N niveles es: ${\ Displaystyle I _ {\ mathrm {in}} = I _ {\ mathrm {out}} = I}$

{\ 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})}

,

Bajo el supuesto de que los procesos de absorción pueden ignorarse (es decir , válidos a bajas temperaturas), la ecuación de tasa media da ${\ Displaystyle {\ frac {n_ {1}} {\ tau _ {12}}} = {\ frac {n_ {2}} {\ tau _ {23}}} = 0}$

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

Por tanto, si (es decir ) entonces y existirá una inversión de población. La proporción de población se define 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}}}}

Si se suman todas las N ecuaciones de tasa de estado estacionario, el lado derecho se convierte en cero, lo que significa que el sistema está subdeterminado y solo es posible encontrar la población relativa de cada subbanda. Si también se conoce la densidad de hojas total de los portadores en el sistema, entonces la población absoluta de portadores en cada subbanda se puede determinar usando: ${\ Displaystyle N _ {\ mathrm {2D}}}$

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

.

Como aproximación, se puede suponer que todos los transportadores del sistema se alimentan mediante dopaje . Si la especie dopante tiene una energía de ionización insignificante, entonces es aproximadamente igual a la densidad de dopaje. ${\ Displaystyle N _ {\ mathrm {2D}}}$

Las funciones de ondas de electrones se repiten en cada período de una región activa QCL de tres pozos cuánticos. El nivel superior del láser se muestra en negrita.

Diseños de regiones activas

Las velocidades de dispersión se adaptan mediante un diseño adecuado de los espesores de capa en la superrejilla que determinan las funciones de onda de electrones de las subbandas. La tasa de dispersión entre dos subbandas depende en gran medida de la superposición de las funciones de onda y el espaciado de energía entre las subbandas. La figura muestra las funciones de onda en un inyector y una región activa QCL de tres pozos cuánticos (3QW).

Para disminuir , se reduce la superposición de los niveles láser superior e inferior. Esto a menudo se logra mediante el diseño de espesores de capa de modo que el nivel superior del láser se localice principalmente en el pozo de la izquierda de la región activa de 3QW, mientras que la función de onda del nivel de láser inferior se realiza principalmente en los pozos central y derecho. . Esto se conoce como transición diagonal . Una transición vertical es aquella en la que el nivel superior del láser se localiza principalmente en los pozos central y derecho. Esto aumenta la superposición y, por lo tanto, reduce la inversión de la población, pero aumenta la fuerza de la transición radiativa y, por lo tanto, la ganancia . ${\ Displaystyle W_ {32}}$ ${\ Displaystyle W_ {32}}$

Para aumentar , el nivel de láser más bajo y las funciones de onda a nivel del suelo están diseñadas de manera que tengan una buena superposición y para aumentar aún más, el espacio de energía entre las subbandas se diseña de manera que sea igual al fonón óptico longitudinal (LO). energía (~ 36 meV en GaAs) para que la dispersión de fonón-electrón LO resonante pueda despoblar rápidamente el nivel láser inferior. ${\ Displaystyle W_ {21}}$ ${\ Displaystyle W_ {21}}$

Sistemas de materiales

El primer QCL se fabricó en el sistema de material GaInAs / AlInAs , emparejado con un sustrato de InP . Este sistema de material en particular tiene un desplazamiento de banda de conducción (profundidad de pozo cuántico) de 520 meV . Estos dispositivos basados en InP han alcanzado niveles muy altos de rendimiento en el rango espectral del infrarrojo medio , logrando una emisión de onda continua de alta potencia, por encima de la temperatura ambiente .

En 1998, Sirtori et al. Demostraron las QCL de GaAs / AlGaAs . demostrando que el concepto de CC no se limita a un sistema de materiales. Este sistema de material tiene una profundidad de pozo cuántica variable dependiendo de la fracción de aluminio en las barreras. Aunque los QCL basados en GaAs no han igualado los niveles de rendimiento de los QCL basados en InP en el infrarrojo medio, han demostrado ser muy exitosos en la región de terahercios del espectro.

El límite de longitud de onda corta de los QCL está determinado por la profundidad del pozo cuántico y recientemente se han desarrollado QCL en sistemas de materiales con pozos cuánticos muy profundos para lograr una emisión de longitud de onda corta. El sistema de material InGaAs / AlAsSb tiene pozos cuánticos de 1,6 eV de profundidad y se ha utilizado para fabricar QCL que emiten a 3,05 μm. Los QCL de InAs / AlSb tienen pozos cuánticos de 2,1 eV de profundidad y se ha observado electroluminiscencia en longitudes de onda tan cortas como 2,5 μm.

Los QCL también pueden permitir el funcionamiento del láser en materiales tradicionalmente considerados con malas propiedades ópticas. Los materiales de banda prohibida indirecta, como el silicio, tienen energías mínimas de electrones y huecos a diferentes valores de momento. Para las transiciones ópticas entre bandas, los portadores cambian el impulso a través de un proceso de dispersión intermedio lento, lo que reduce drásticamente la intensidad de la emisión óptica. Sin embargo, las transiciones ópticas entre subbandas son independientes del momento relativo de los mínimos de la banda de conducción y de la banda de valencia, y se han realizado propuestas teóricas para los emisores de cascada cuántica de Si / SiGe .

Longitudes de onda de emisión

Los QCL actualmente cubren el rango de longitud de onda de 2.63 μm a 250 μm (y se extiende a 355 μm con la aplicación de un campo magnético).

Guías de ondas ópticas

Vista final de la faceta QC con guía de ondas de cresta. Gris más oscuro: InP, gris más claro: capas QC, negro: dieléctrico, oro: recubrimiento de Au. Cresta ~ 10 um de ancho.

Vista final de la faceta QC con guía de ondas de heteroestructura enterrada. Gris más oscuro: InP, gris más claro: capas de control de calidad, negro: dieléctrico. Heteroestructura ~ 10 um de ancho

El primer paso en el procesamiento de material de ganancia en cascada cuántica para hacer un dispositivo emisor de luz útil es confinar el medio de ganancia en una guía de ondas óptica . Esto hace posible dirigir la luz emitida hacia un haz colimado y permite construir un resonador láser de manera que la luz se pueda volver a acoplar al medio de ganancia.

Son de uso común dos tipos de guías de ondas ópticas. Una guía de ondas de cresta se crea grabando trincheras paralelas en el material de ganancia de cascada cuántica para crear una franja aislada de material de CC, típicamente ~ 10 um de ancho y varios mm de largo. Por lo general, se deposita un material dieléctrico en las zanjas para guiar la corriente inyectada hacia la cresta, luego toda la cresta se recubre típicamente con oro para proporcionar contacto eléctrico y ayudar a eliminar el calor de la cresta cuando está produciendo luz. La luz se emite desde los extremos cortados de la guía de ondas, con un área activa que normalmente tiene una dimensión de solo unos pocos micrómetros.

El segundo tipo de guía de ondas es una heteroestructura enterrada . Aquí, el material QC también se graba para producir una cresta aislada. Ahora, sin embargo, se cultiva nuevo material semiconductor sobre la cresta. El cambio en el índice de refracción entre el material de control de calidad y el material sobrecrecido es suficiente para crear una guía de ondas. El material dieléctrico también se deposita sobre el material crecido alrededor de la cresta QC para guiar la corriente inyectada hacia el medio de ganancia QC. Las guías de ondas de heteroestructura enterradas son eficientes para eliminar el calor del área activa de CC cuando se produce luz.

Tipos de láser

Aunque el medio de ganancia en cascada cuántica se puede usar para producir luz incoherente en una configuración superluminiscente, se usa más comúnmente en combinación con una cavidad óptica para formar un láser.

Láseres Fabry-Perot

Este es el más simple de los láseres de cascada cuántica. Primero se fabrica una guía de ondas óptica a partir del material de la cascada cuántica para formar el medio de ganancia. Los extremos del dispositivo semiconductor cristalino se cortan para formar dos espejos paralelos en cada extremo de la guía de ondas, formando así un resonador Fabry-Pérot . La reflectividad residual en las facetas escindidas de la interfaz semiconductor-aire es suficiente para crear un resonador. Fabry-Perot láseres de cascada cuántica son capaces de producir altos poderes, pero suelen ser multi- modo con corrientes de funcionamiento más altas. La longitud de onda se puede cambiar principalmente cambiando la temperatura del dispositivo de control de calidad.

Láseres de retroalimentación distribuida

Un láser de cascada cuántica de retroalimentación distribuida (DFB) es similar a un láser Fabry-Pérot, excepto por un reflector de Bragg distribuido (DBR) construido en la parte superior de la guía de ondas para evitar que emita en una longitud de onda diferente a la deseada. Esto fuerza el funcionamiento monomodo del láser, incluso con corrientes de funcionamiento más altas. Los láseres DFB se pueden sintonizar principalmente cambiando la temperatura, aunque se puede obtener una variante interesante de sintonización pulsando un láser DFB. En este modo, la longitud de onda del láser se " chirría " rápidamente durante el curso del pulso, lo que permite un escaneo rápido de una región espectral.

Láseres de cavidad externa

Esquema del dispositivo de CC en la cavidad externa con retroalimentación óptica selectiva de frecuencia proporcionada por rejilla de difracción en configuración Littrow

En un láser de cascada cuántica de cavidad externa (EC), el dispositivo de cascada cuántica sirve como medio de ganancia del láser. Una, o ambas, de las facetas de la guía de ondas tiene un revestimiento antirreflectante que anula la acción de la cavidad óptica de las facetas escindidas. Luego, los espejos se colocan en una configuración externa al dispositivo de control de calidad para crear la cavidad óptica.

Si se incluye un elemento selectivo de frecuencia en la cavidad externa, es posible reducir la emisión del láser a una sola longitud de onda e incluso sintonizar la radiación. Por ejemplo, se han utilizado rejillas de difracción para crear un láser sintonizable que puede sintonizar más del 15% de su longitud de onda central.

Dispositivos de sintonización extendidos

Existen varios métodos para ampliar el rango de sintonización de los láseres de cascada cuántica utilizando solo elementos integrados monolíticamente. Los calentadores integrados pueden extender el rango de sintonización a una temperatura de operación fija al 0.7% de la longitud de onda central y las rejillas de la superestructura que operan a través del efecto Vernier pueden extenderlo al 4% de la longitud de onda central, en comparación con <0.1% para un dispositivo DFB estándar.

Crecimiento

Las capas alternas de los dos semiconductores diferentes que forman la heteroestructura cuántica pueden cultivarse sobre un sustrato utilizando una variedad de métodos, como la epitaxia de haz molecular (MBE) o la epitaxia en fase de vapor metalorgánico (MOVPE), también conocida como deposición química de vapor metalorgánico ( MOCVD).

Aplicaciones

Los láseres de cascada cuántica Fabry-Perot (FP) se comercializaron por primera vez en 1998, los dispositivos de retroalimentación distribuida (DFB) se comercializaron por primera vez en 2004 y los láseres de cascada cuántica de cavidad externa ampliamente sintonizables se comercializaron por primera vez en 2006. La salida de alta potencia óptica, el rango de sintonización y El funcionamiento a temperatura ambiente hace que los QCL sean útiles para aplicaciones espectroscópicas como la detección remota de gases y contaminantes ambientales en la atmósfera y la seguridad. Eventualmente, pueden usarse para control de crucero vehicular en condiciones de poca visibilidad , radar para evitar colisiones , control de procesos industriales y diagnósticos médicos , como analizadores de aliento. Los QCL también se utilizan para estudiar la química del plasma.

Cuando se utiliza en sistemas de láser múltiple, la espectroscopia QCL intrapulso ofrece una cobertura espectral de banda ancha que se puede utilizar potencialmente para identificar y cuantificar moléculas pesadas complejas, como las que se encuentran en sustancias químicas tóxicas, explosivos y fármacos.

En ficción

El videojuego Star Citizen imagina láseres de cascada cuántica de cavidad externa como armas de alta potencia.

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