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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 prime...

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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 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 semiconductores , una idea propuesta por primera vez en el artículo "Posibilidad de amplificación de ondas electromagnéticas en un semiconductor con una superred " por R. F. Kazarinov y R. A. Suris en 1971. [ 2 ]  

Transiciones entre subbandas frente a transiciones entre bandas

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

En un cristal semiconductor masivo , los electrones pueden ocupar estados en una de dos bandas de energía continuas: la banda de valencia , densamente poblada por electrones de baja energía, y la banda de conducción , escasamente poblada por electrones de alta energía. Ambas bandas están separadas por una brecha de energía en la que no existen estados permitidos para la ocupación electrónica. 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 hueco en la banda de valencia. Por lo tanto, la energía del fotón y, en consecuencia, la longitud de onda de emisión de los diodos láser, están determinadas por la brecha de energía del material utilizado.

Un láser de cascada cuántica (QCL) no utiliza materiales semiconductores masivos en su región ópticamente activa. En cambio, consiste en una serie periódica de capas delgadas de composición variable que forman una superred . Esta superred introduce un potencial eléctrico variable a lo largo del dispositivo, lo que da lugar a funciones de onda electrónicas confinadas espacialmente en pozos cuánticos a lo largo del mismo. Esto se conoce como confinamiento de pozos cuánticos múltiples y produce la división de la banda de energías permitidas en varias subbandas electrónicas discretas. Mediante un diseño adecuado del espesor de las capas, es posible generar una inversión de población entre dos subbandas del sistema, necesaria para lograr la emisión láser. Dado que la posición de los niveles de energía en el sistema está determinada principalmente por el espesor de las capas y no por el material, es posible ajustar la longitud de onda de emisión de los QCL en un amplio rango dentro del mismo sistema de materiales.

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

Además, en los diodos láser semiconductores, los electrones y los huecos se aniquilan tras recombinarse a través de la banda prohibida y no pueden participar más en la generación de fotones. Sin embargo, en un láser de cascada cuántica unipolar (QCL), una vez que un electrón ha experimentado una transición entre subbandas y ha emitido un fotón en un periodo de la superred, puede atravesar por efecto túnel el siguiente periodo de la estructura, donde puede emitir otro fotón. Este proceso, en el que un solo electrón provoca la emisión de múltiples fotones al atravesar la estructura del QCL, da origen al término cascada y posibilita una eficiencia cuántica superior a la unidad, lo que se traduce en potencias de salida mayores que las de 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 en comparación 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 un número de electrones.nortei{\displaystyle n_{i}}(dóndei{\displaystyle i}es el índice de subbanda) que se dispersan entre niveles con una vida útilτiF{\displaystyle \tau _{if}}(recíproco de la tasa de dispersión intersubbanda promedio)WiF{\displaystyle W_{si}}), dóndei{\displaystyle i}yF{\displaystyle f}son los índices de subbanda inicial y final. Suponiendo que no se ocupan otras subbandas, las ecuaciones de velocidad para los láseres de tres niveles vienen dadas por:

dnorte3dt=Iinorte+norte1τ13+norte2τ23−norte3τ31−norte3τ32{\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}}}}
dnorte2dt=norte3τ32+norte1τ12−norte2τ21−norte2τ23{\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}}}}
dnorte1dt=norte2τ21+norte3τ31−norte1τ13−norte1τ12−Iotút{\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 {fuera} }}

En el estado estacionario , las derivadas temporales son iguales a cero yIinorte=Iotút=I{\displaystyle I_{\mathrm {entrada} }=I_{\mathrm {salida} }=I}Por lo tanto , la ecuación de velocidad general para los electrones en la subbanda i de un sistema de N niveles es:

dnorteidt=∑j=1nortenortejτji−nortei∑j=1norte1τij+I(δinorte−δi1){\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,norte1τ12=norte2τ23=0{\displaystyle {\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}=0}(válido a bajas temperaturas) la ecuación de velocidad media da

norte3τ32=norte2τ21{\displaystyle {\frac {n_{3}}{\tau _{32}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{21}}}}

Por lo tanto, siτ32>τ21{\displaystyle \tau _{32}>\tau _{21}}(es decirW21>W32{\displaystyle W_{21}>W_{32}}) entoncesnorte3>norte2{\displaystyle n_{3}>n_{2}}y existirá una inversión de población. La proporción de población se define como

norte3norte2=τ32τ21=W21W32{\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 la densidad superficial total de portadoresnorte2D{\displaystyle N_{\mathrm {2D} }}En el sistema también se conoce, entonces la población absoluta de portadores en cada subbanda se puede determinar utilizando:

∑i=1nortenortei=norte2D{\displaystyle \sum \limits _{i=1}^{N}n_{i}=N_{\mathrm {2D} }}.

Como aproximación, se puede suponer que todos los portadores en el sistema son suministrados por dopaje . Si la especie dopante tiene una energía de ionización despreciable, entoncesnorte2D{\displaystyle N_{\mathrm {2D} }}es aproximadamente igual a la densidad de dopaje.

Las funciones de onda electrónicas se repiten en cada período de la región activa de un láser de cascada cuántica (QCL) de tres pozos cuánticos. El nivel láser superior se muestra en negrita.

diseños de región activa

Las tasas de dispersión se ajustan mediante un diseño adecuado de los espesores de las capas en la superred, que determinan las funciones de onda electrónicas de las subbandas. La tasa de dispersión entre dos subbandas depende en gran medida del solapamiento de las funciones de onda y del espaciado energético entre ellas. La figura muestra las funciones de onda en la región activa y el inyector de un láser de cascada cuántica (QCL) de tres pozos cuánticos (3QW).

Para disminuirW32{\displaystyle W_{32}}, se reduce la superposición de los niveles láser superior e inferior. Esto se logra a menudo diseñando los espesores de las capas de manera que el nivel láser superior se localice principalmente en el pozo izquierdo de la región activa de 3QW, mientras que la función de onda del nivel láser inferior se hace residir principalmente en los pozos central y derecho. Esto se conoce como 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,W32{\displaystyle W_{32}}lo cual reduce la inversión de población, pero aumenta la fuerza de la transición radiativa y, por lo tanto, la ganancia .

Para aumentarW21{\displaystyle W_{21}}, las funciones de onda del nivel láser inferior y del nivel del suelo están diseñadas de manera que tengan una buena superposición y para aumentarW21{\displaystyle W_{21}}Además, el espaciado de energía entre las subbandas está diseñado de tal manera que sea igual a la energía del fonón óptico longitudinal (LO) (~36 meV en GaAs) para que la dispersión resonante fonón-electrón LO pueda despoblar rápidamente el nivel láser inferior.

Sistemas de materiales

El primer láser de cascada cuántica (QCL) se fabricó en el sistema de materiales GaInAs / AlInAs con adaptación de red a un sustrato de InP . [ 1 ] Este sistema de materiales en particular tiene un desfase de banda de conducción (profundidad del pozo cuántico) de 520 meV . Estos dispositivos basados ​​en InP han alcanzado niveles de rendimiento muy altos 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 la viabilidad de los QCL de GaAs / AlGaAs, lo que demostró que el concepto de QC no se limita a un solo sistema de materiales. [ 5 ] Este sistema de materiales presenta una profundidad de pozo cuántico variable según la fracción de aluminio en las barreras. Si bien los QCL basados ​​en GaAs no han alcanzado el rendimiento de los QCL basados ​​en InP en el infrarrojo medio, han demostrado ser muy eficaces 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 de materiales con pozos cuánticos muy profundos para lograr la emisión de longitud de onda corta. El sistema de materiales 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 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. [ 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 efectiva del electrón en los pozos cuánticos, lo 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 del fondo de la banda de conducción y el efecto de la no parabolicidad es débil. Los QCL basados ​​en InAs han demostrado operación de onda continua (CW) a temperatura ambiente (RT) en longitudes de onda de hasta17.7 μmetro{\displaystyle 17.7~\mu m}con una densidad de corriente umbral pulsadaJth{\displaystyle J_{th}}tan bajo como1 kA/dometro2{\displaystyle 1~kA/cm^{2}}. [ 10 ] Valores bajos deJth{\displaystyle J_{th}}También se han logrado en láseres de cascada cuántica basados ​​en InAs que emiten en otras regiones espectrales:0,715 kA/dometro2{\displaystyle 0.715~kA/cm^{2}}en15 μmetro{\displaystyle 15~\mu m}, [ 11 ]0,99 kA/dometro2{\displaystyle 0.99~kA/cm^{2}}en11 μmetro{\displaystyle 11~\mu m}[ 12 ] y0,75 kA/dometro2{\displaystyle 0.75~kA/cm^{2}}en7.7 μmetro{\displaystyle 7.7~\mu m}[ 13 ] (QCL cultivado en InAs). Más recientemente, QCL basados ​​en InAs que operan cerca14 μmetro{\displaystyle 14~\mu m}conJth{\displaystyle J_{th}} tan bajo como0,6 kA/dometro2{\displaystyle 0.6~kA/cm^{2}}Se han demostrado a temperatura ambiente. El umbral obtenido es inferior alJth{\displaystyle J_{th}}de los mejores QCL basados ​​en InP reportados hasta la fecha sin tratamiento de facetas. [ 14 ]

Los QCL también pueden permitir la operación láser en materiales tradicionalmente considerados con propiedades de emisión óptica deficientes. Los materiales de banda prohibida indirecta como el silicio tienen energías mínimas de electrones y huecos en diferentes valores de momento . Para las transiciones ópticas interbanda, los portadores cambian de momento a través de un proceso de dispersión intermedio lento, reduciendo drásticamente la intensidad de la emisión óptica. Sin embargo, las transiciones ópticas intersubbanda 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 de cascada cuántica Si / SiGe . [ 15 ] Se ha observado electroluminiscencia intersubbanda de heteroestructuras SiGe no polares para longitudes de onda del infrarrojo medio y lejano, primero en la banda de valencia. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] Se puede lograr una mayor ganancia utilizando tensión para empujar estados parásitos de hueco ligero por encima de las transiciones de hueco pesado a hueco pesado. [ 19 ] Ahora se han demostrado diseños de banda de conducción [ 20 ] con una ganancia mayor que todos los diseños de banda de valencia debido a la eliminación de muchos de los canales parásitos que reducen la ganancia en los diseños de banda de valencia.

Longitudes de onda de emisión

Actualmente, los QCL cubren el rango de longitud de onda de 2,63 μm [ 21 ] a 250 μm [ 22 ] (y se extiende a 355 μm con la aplicación de un campo magnético ) .

guías de onda ópticas

Vista frontal de la faceta QC con guía de onda de cresta. Gris oscuro: InP, gris claro: capas QC, negro: dieléctrico, dorado: recubrimiento de Au. Cresta de aproximadamente 10 µm de ancho.
Vista frontal de la faceta QC con guía de onda de heteroestructura enterrada. Gris oscuro: InP, gris claro: capas QC, negro: dieléctrico. Heteroestructura de aproximadamente 10 µm de ancho.

El primer paso para procesar un material de ganancia en cascada cuántica y convertirlo en un dispositivo emisor de luz útil consiste en confinar el medio de ganancia en una guía de ondas óptica . Esto permite dirigir la luz emitida hacia un haz colimado y construir un resonador láser que acople la luz de nuevo al medio de ganancia.

Se utilizan comúnmente dos tipos de guías de onda ópticas. Una guía de onda de cresta se crea grabando surcos paralelos en el material de ganancia de cascada cuántica para formar una franja aislada de dicho material, típicamente de unos 10  µm de ancho y varios milímetros de largo. Generalmente, se deposita un material dieléctrico en los surcos para guiar la corriente inyectada hacia la cresta. Posteriormente, toda la cresta se recubre con oro para proporcionar contacto eléctrico y disipar el calor generado durante la emisión de luz. La luz se emite desde los extremos cortados de la guía de onda, con un área activa que suele tener tan solo unos pocos micrómetros.

El segundo tipo de guía de onda es una heteroestructura enterrada . En este caso, el material QC también se graba para producir una cresta aislada. Sin embargo, ahora se deposita un nuevo material semiconductor sobre la cresta. El cambio en el índice de refracción entre el material QC y el material depositado sobre ella es suficiente para crear una guía de onda. También se deposita material dieléctrico sobre el material depositado alrededor de la cresta QC para guiar la corriente inyectada hacia el medio de ganancia QC. Las guías de onda de heteroestructura enterrada son eficientes para disipar el calor del área activa QC durante la producción de luz.

Tipos de láser

Aunque el medio de ganancia de cascada cuántica se puede utilizar para producir luz incoherente en una configuración superluminiscente, [ 23 ] 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 onda óptica a partir del material de 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 onda, 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, [ 24 ] pero suelen ser multimodo a corrientes de operación elevadas. La longitud de onda se puede cambiar principalmente modificando la temperatura del dispositivo QC.

láseres de retroalimentación distribuida

Un láser de cascada cuántica de retroalimentación distribuida (DFB) [ 25 ] es similar a un láser Fabry-Pérot, excepto por un reflector de Bragg distribuido (DBR) construido sobre la guía de ondas para evitar que emita en longitudes de onda distintas a la deseada. Esto fuerza el funcionamiento en modo único del láser, incluso con corrientes de operación elevadas. Los láseres DFB se pueden sintonizar principalmente cambiando la temperatura, aunque se puede obtener una variante interesante de sintonización mediante la pulsación de un láser DFB. En este modo, la longitud de onda del láser se modula rápidamente durante el pulso, lo que permite un escaneo rápido de una región espectral. [ 26 ]

láseres de cavidad externa

Esquema de un dispositivo QC en una cavidad externa con retroalimentación óptica selectiva en frecuencia proporcionada por una rejilla de difracción en configuración de Littrow.

En un láser de cascada cuántica de cavidad externa (EC), el dispositivo de cascada cuántica actúa como medio de ganancia láser. Una o ambas facetas de la guía de ondas cuentan con un recubrimiento antirreflectante que anula el efecto de cavidad óptica de las facetas cortadas. Posteriormente, se disponen espejos en una configuración externa al dispositivo de cascada cuántica para crear la cavidad óptica.

Si se incluye un elemento selectivo de frecuencia en la cavidad externa, es posible reducir la emisión láser a una sola longitud de onda e incluso sintonizar la radiación. Por ejemplo, se han utilizado rejillas de difracción para crear [ 27 ] un láser sintonizable que puede sintonizar más del 15 % de su longitud de onda central.

Dispositivos de ajuste extendido

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 funcionamiento fija hasta el 0,7 % de la longitud de onda central [ 28 ] , y las rejillas de superestructura que operan mediante el efecto Vernier pueden ampliarlo hasta el 4 % de la longitud de onda central [ 29 ] , 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 diversos métodos, como la epitaxia de haces moleculares (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, [ 30 ] los dispositivos de retroalimentación distribuida (DFB) se comercializaron por primera vez en 2004, [ 31 ] y los láseres de cascada cuántica de cavidad externa ampliamente sintonizables se comercializaron por primera vez en 2006. [ 32 ] 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 [ 33 ] y seguridad. Eventualmente podrían usarse para el control de crucero vehicular en condiciones de baja visibilidad , radar de evitación de colisiones , control de procesos industriales y diagnósticos médicos como analizadores de aliento. [ 34 ] Los QCL también se utilizan para estudiar la química del plasma. [ 35 ]

Cuando se utiliza en sistemas de láseres múltiples, la espectroscopia QCL intrapulso ofrece una cobertura espectral de banda ancha que potencialmente puede utilizarse para identificar y cuantificar moléculas pesadas complejas como las que se encuentran en productos químicos tóxicos, explosivos y fármacos. [ 36 ]

Los láseres de cascada cuántica (QCL) encuentran aplicaciones en el rango de frecuencias de terahercios. Se utilizan activamente en la obtención de imágenes de fase computacionales, recuperando perfiles de amplitud y fase de objetos translúcidos. [ 37 ]

Referencias

  1. 1 2 Faist, Jerome; Federico Capasso; Deborah L. Sivco; Carlo Sirtori; Albert L. Hutchinson; Alfred Y. Cho (abril de 1994). "Láser en cascada cuántica". Ciencia . 264 (5158): 553– 556. Bibcode : 1994Sci...264..553F . doi : 10.1126/ciencia.264.5158.553 . PMID 17732739 . S2CID 220111282 .  
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  • Resumen de Bell Labs
  • Optipedia: Láser de cascada cuántica