Láser de cascada cuántica

Los láseres de cascada cuántica (QCL) son láseres semiconductores que emiten en la porción infrarroja media a lejana del espectro electromagnético y fueron demostrados por primera vez por Jérôme Faist , Federico Capasso , Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson y Alfred Cho en los Laboratorios Bell en 1994. ^[1]

A diferencia de los láseres semiconductores interbanda típicos que emiten radiación electromagnética a través de la recombinación de pares electrón-hueco a través del intervalo de banda 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 propuesta por primera vez en el artículo "Posibilidad de amplificación de ondas electromagnéticas en un semiconductor con una superred " de R. F. Kazarinov y R. A. Suris en 1971. ^[2]

Transiciones entre subbandas y entre bandas

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

Dentro de un cristal semiconductor , los electrones pueden ocupar estados en una de dos bandas de energía continuas: la banda de valencia , que está muy poblada de electrones de baja energía, y la banda de conducción , que está escasamente poblada de electrones de alta energía. Las dos bandas de energía están separadas por una brecha de banda 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 único fotón cuando un electrón de alta energía en la banda de conducción se recombina con un hueco en la banda de valencia. La energía del fotón y, por lo tanto, la longitud de onda de emisión de los diodos láser están determinadas por la brecha de banda del sistema 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 material variable que forman una superred . La superred introduce un potencial eléctrico variable a lo largo de la longitud del dispositivo, lo que significa que existe una probabilidad variable de que los electrones ocupen diferentes posiciones a lo largo de la longitud del dispositivo. Esto se conoce como confinamiento de pozo cuántico múltiple unidimensional y conduce a la división de la banda de energías permitidas en una serie de subbandas electrónicas discretas. Mediante un diseño adecuado de los espesores de las capas, es posible diseñar una inversión de población entre dos subbandas en el sistema, lo 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 las capas 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 materiales.

En las estructuras en 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 brecha de banda y no pueden desempeñar ningún papel 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 superred, puede hacer un túnel hacia el siguiente período de la estructura donde puede emitirse otro fotón. Este proceso en el que un solo electrón provoca la emisión de múltiples fotones a medida que atraviesa la estructura del 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 funcionamiento

Ecuaciones de velocidad

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 . ^[3] Suponiendo que la formación de las funciones de onda es un proceso rápido comparado con la dispersión entre estados, se pueden aplicar las soluciones independientes del tiempo a la ecuación de Schrödinger y el sistema se puede modelar utilizando ecuaciones de velocidad. Cada subbanda contiene una cantidad de electrones (donde es el índice de subbanda) que se dispersan entre niveles con una vida útil (recíproca de la tasa de dispersión intersubbanda promedio ), 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 se dan por: ${\displaystyle n_{i}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle \tau _{if}}$ ${\displaystyle W_{if}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle f}$

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

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

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

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

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

Suponiendo que los procesos de absorción se pueden ignorar (es decir , válidos a bajas temperaturas), la ecuación de velocidad 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 lo tanto, si (es decir ) entonces y existirá una inversión de población. La razón 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 velocidad en estado estacionario, el lado derecho se vuelve 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 total de portadoras en el sistema, entonces la población absoluta de portadoras en cada subbanda se puede determinar utilizando: ${\displaystyle N_{\mathrm {2D} }}$

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

Como aproximación, se puede suponer que todos los portadores del sistema son suministrados por dopaje . Si la especie dopante tiene una energía de ionización despreciable , entonces es aproximadamente igual a la densidad de dopaje. ${\displaystyle N_{\mathrm {2D} }}$

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

Diseños de regiones activas

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

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

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

Sistemas materiales

El primer QCL se fabricó en el sistema de material GaInAs / AlInAs con una red adaptada a un sustrato InP . ^[1] 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 todo el rango espectral del infrarrojo medio, logrando una emisión de onda continua de alta potencia, por encima de la temperatura ambiente . ^[4]

En 1998, Sirtori et al. demostraron que los QCL de GaAs / AlGaAs no se limitan a un sistema de materiales. ^[5] Este sistema de materiales tiene una profundidad de pozo cuántico variable según la fracción de aluminio en las barreras. ^{[ cita requerida ]} 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. ^[6]

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 materiales con pozos cuánticos muy profundos para lograr una emisión de longitud de onda corta. El sistema 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. ^[7] Los QCL 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. ^[8]

La pareja InAs/AlSb es la familia de materiales QCL más reciente en comparación con las aleaciones cultivadas en sustratos de InP y GaAs. La principal ventaja del sistema de materiales InAs/AlSb es la pequeña masa electrónica efectiva en pozos cuánticos, que favorece una alta ganancia entre subbandas. ^[9] Este beneficio se puede explotar mejor en QCL de longitud de onda larga donde los niveles de transición láser están cerca de la parte inferior de la banda de conducción y el efecto de la no parabolicidad es débil. Los QCL basados ​​en InAs han demostrado un funcionamiento en onda continua (CW) a temperatura ambiente (RT) en longitudes de onda de hasta con una densidad de corriente umbral pulsada tan baja como . ^[10] También se han logrado valores bajos de en QCL basados ​​en InAs que emiten en otras regiones espectrales: a , ^[11] en ^[12] y en ^[13] (QCL cultivados en InAs). Más recientemente, se han demostrado QCL basados ​​en InAs que funcionan cerca con tan solo a temperatura ambiente. El umbral obtenido es inferior al de los mejores QCL basados ​​en InP informados hasta la fecha sin tratamiento facetario. ^[14] ${\displaystyle 17.7~\mu m}$ ${\displaystyle J_{th}}$ ${\displaystyle 1~kA/cm^{2}}$ ${\displaystyle J_{th}}$ ${\displaystyle 0.715~kA/cm^{2}}$ ${\displaystyle 15~\mu m}$ ${\displaystyle 0.99~kA/cm^{2}}$ ${\displaystyle 11~\mu m}$ ${\displaystyle 0.75~kA/cm^{2}}$ ${\displaystyle 7.7~\mu m}$ ${\displaystyle 14~\mu m}$ ${\displaystyle J_{th}}$ ${\displaystyle 0.6~kA/cm^{2}}$ ${\displaystyle J_{th}}$

Los QCL también pueden permitir la operación láser en materiales que tradicionalmente se han considerado con propiedades ópticas pobres. Los materiales con banda prohibida indirecta, como el silicio, tienen energías mínimas de electrones y huecos en diferentes valores de momento . Para las transiciones ópticas entre bandas, los portadores cambian el momento a través de un proceso de dispersión lento e intermedio, 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 la banda de valencia y se han hecho propuestas teóricas para emisores en cascada cuántica de Si / SiGe . ^[15] Se ha observado electroluminiscencia entre subbandas a partir de heteroestructuras de SiGe no polares para longitudes de onda de infrarrojo medio e infrarrojo lejano, tanto en la banda de valencia ^{[16] [17] [18]} como en la de conducción. ^[19]

Longitudes de onda de emisión

Los QCL cubren actualmente el rango de longitud de onda de 2,63 μm ^[20] a 250 μm ^[21] (y se extiende a 355 μm con la aplicación de un campo magnético. ^{[ cita requerida ]} )

Guías de ondas ópticas

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

El primer paso para procesar el material de ganancia en cascada cuántica y crear un dispositivo útil que emita luz es confinar el medio de ganancia en una guía de ondas óptica . Esto permite dirigir la luz emitida hacia un haz colimado y permite construir un resonador láser de modo que la luz pueda volver a acoplarse al medio de ganancia.

Se utilizan habitualmente dos tipos de guías de ondas ópticas. Una guía de ondas de cresta se crea grabando surcos paralelos en el material de ganancia de cascada cuántica para crear una franja aislada de material de QC, normalmente de unos 10 um de ancho y varios mm de largo. Normalmente se deposita un material dieléctrico en los surcos para guiar la corriente inyectada hacia la cresta, y luego se recubre toda la cresta con oro para proporcionar contacto eléctrico y ayudar a eliminar el calor de la cresta cuando produce luz. La luz se emite desde los extremos hendidos 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 . En este caso, el material QC también se graba para producir una cresta aislada. Sin embargo, ahora se cultiva un nuevo material semiconductor sobre la cresta. El cambio en el índice de refracción entre el material QC y el material que crece sobre la cresta es suficiente para crear una guía de ondas. También se deposita material dieléctrico sobre el material que crece sobre 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 QC cuando se produce luz.

Tipos de láser

Aunque el medio de ganancia en cascada cuántica se puede utilizar para producir luz incoherente en una configuración superluminiscente, ^[22] se utiliza 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. Luego, 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 cortadas de la interfaz semiconductor-aire es suficiente para crear un resonador. Los láseres de cascada cuántica Fabry-Pérot son capaces de producir altas potencias, ^[23] pero son típicamente multimodo a corrientes de operación más altas. La longitud de onda se puede cambiar principalmente modificando la temperatura del dispositivo de control de calidad.

Láseres de retroalimentación distribuida

Un láser de cascada cuántica con retroalimentación distribuida (DFB) ^[24] es similar a un láser Fabry-Pérot, excepto por un reflector Bragg distribuido (DBR) construido sobre la guía de ondas para evitar que emita en una longitud de onda distinta a la deseada. Esto obliga al funcionamiento en modo único del láser, incluso con corrientes de funcionamiento más altas. Los láseres DFB se pueden ajustar principalmente modificando la temperatura, aunque se puede obtener una variante interesante de ajuste pulsando un láser DFB. En este modo, la longitud de onda del láser se " reproduce " rápidamente durante el transcurso del pulso, lo que permite un escaneo rápido de una región espectral. ^[25]

Láseres de cavidad externa

Esquema del dispositivo de control de calidad en 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 actúa como medio de ganancia del láser. Una o ambas facetas de la guía de ondas tienen un revestimiento antirreflejo que anula la acción de cavidad óptica de las facetas escindidas. Luego, se disponen espejos 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 única longitud de onda e incluso sintonizar la radiación. Por ejemplo, se han utilizado rejillas de difracción para crear ^[26] 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 únicamente elementos integrados monolíticamente. Los calentadores integrados pueden ampliar el rango de sintonización a una temperatura de operación fija hasta el 0,7 % de la longitud de onda central ^[27] y las rejillas de superestructura que funcionan a través del efecto Vernier pueden ampliarlo hasta el 4 % de la longitud de onda central, ^[28] en comparación con <0,1 % para un dispositivo DFB estándar.

Crecimiento

Las capas alternas de los dos semiconductores diferentes que forman la heteroestructura cuántica se pueden cultivar 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 en fase de vapor metalorgánico (MOCVD).

Aplicaciones

Los láseres de cascada cuántica Fabry-Perot (FP) se comercializaron por primera vez en 1998, ^[29] los dispositivos de retroalimentación distribuida (DFB) se comercializaron por primera vez en 2004, ^[30] y los láseres de cascada cuántica de cavidad externa ampliamente sintonizables se comercializaron por primera vez en 2006. ^[31] La alta potencia óptica de salida, el rango de sintonización y el funcionamiento a temperatura ambiente hacen que los QCL sean útiles para aplicaciones espectroscópicas como la detección remota de gases ambientales y contaminantes en la atmósfera ^[32] y la seguridad. Con el tiempo, pueden usarse para el control de crucero vehicular en condiciones de poca visibilidad , ^{[ cita requerida ]} radar anticolisión , ^{[ cita requerida ]} control de procesos industriales, ^{[ cita requerida ]} y diagnósticos médicos como analizadores de aliento. ^[33] Los QCL también se utilizan para estudiar la química del plasma. ^[34]

Cuando se utiliza en sistemas de láser múltiple, la espectroscopia QCL intrapulso ofrece una cobertura espectral de banda ancha que puede utilizarse potencialmente para identificar y cuantificar moléculas pesadas complejas, como las que se encuentran en productos químicos tóxicos, explosivos y medicamentos. ^{[ aclaración necesaria ] [35]}

Referencias

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Enlaces externos

• Resumen de Bell Labs
• Optipedia: Láser de cascada cuántica