Лазер на квантовой яме - Quantum well laser
Лазера квантовая яма представляет собой лазерный диод , в котором активная области устройства настолько узка , что квантовое удержание происходит. Лазерные диоды сформированы из сложных полупроводниковых материалов, которые (в отличие от кремния ) способны эффективно излучать свет. Длина волны света, излучаемого лазером с квантовыми ямами, определяется шириной активной области, а не только шириной запрещенной зоны материалов, из которых он построен. Это означает, что с помощью лазеров с квантовыми ямами можно получить гораздо более короткие длины волн, чем от обычных лазерных диодов, использующих конкретный полупроводниковый материал. Эффективность лазера с квантовой ямой также выше, чем у обычного лазерного диода, из-за ступенчатой формы его функции плотности состояний .
Происхождение концепции квантовых ям
В 1972 году Чарльз Х. Генри , физик и недавно назначенный руководителем отдела исследований полупроводниковой электроники в Bell Laboratories , проявил большой интерес к предмету интегральной оптики, изготовлению оптических схем, в которых свет распространяется в волноводах.
Позже в том же году, размышляя о физике волноводов, Генри пришел к глубокому пониманию. Он понял, что двойная гетероструктура - это не только волновод для световых волн, но и одновременно для электронных волн. Генри опирался на принципы квантовой механики, согласно которым электроны ведут себя как частицы и как волны. Он усмотрел полную аналогию между ограничением света волноводом и ограничением электронов потенциальной ямой, которая образуется из-за разницы в ширине запрещенной зоны в двойной гетероструктуре .
Ч. Х. Генри понял, что точно так же, как существуют дискретные моды, в которых свет распространяется внутри волновода, в потенциальной яме должны быть дискретные режимы волновой функции электронов, каждая из которых имеет уникальный уровень энергии. Его оценка показала, что если активный слой гетероструктуры имеет толщину в несколько десятков нанометров, уровни энергии электронов будут разделены на десятки миллиэлектронвольт. Такое расщепление уровней энергии можно наблюдать. Структура, проанализированная Генри, сегодня называется « квантовой ямой ».
Генри приступил к вычислению того, как это «квантование» (то есть наличие дискретных электронных волновых функций и дискретных уровней энергии электронов) изменило бы свойства оптического поглощения («край» поглощения) этих полупроводников. Он понял, что вместо плавного увеличения оптического поглощения, как это происходит в обычных полупроводниках, поглощение тонкой гетероструктуры (при построении графика зависимости от энергии фотона) будет представлять собой серию ступеней.
В дополнение к вкладам Генри квантовая яма (которая является разновидностью лазера с двойной гетероструктурой) была фактически впервые предложена в 1963 году Гербертом Кремером в Proceedings of the IEEE и одновременно (в 1963 году) в СССР Ж. И. Алферов и Р.Ф. Казаринов. Алферов и Кремер разделили Нобелевскую премию 2000 года за свои работы в области полупроводниковых гетероструктур.
Экспериментальная проверка квантовых ям
В начале 1973 года Генри предложил Р. Динглу, физику своего отдела, поискать эти предсказанные шаги. Очень тонкие гетероструктуры были созданы В. Вигманном методом молекулярно-лучевой эпитаксии . Драматический эффект шагов наблюдался в последующем эксперименте, опубликованном в 1974 году.
Изобретение лазера на квантовой яме
После того, как этот эксперимент показал реальность предсказанных уровней энергии квантовой ямы, Генри попытался придумать приложение. Он понял, что структура квантовой ямы изменит плотность состояний полупроводника и приведет к созданию улучшенного полупроводникового лазера, требующего меньшего количества электронов и электронных дырок для достижения лазерного порога. Кроме того, он понял, что длину волны лазера можно изменить, просто изменив толщину тонких слоев квантовой ямы , тогда как в обычном лазере изменение длины волны требует изменения состава слоя. Он предположил, что такой лазер будет иметь лучшие рабочие характеристики по сравнению со стандартными лазерами с двойной гетероструктурой, которые производились в то время.
Дингл и Генри получили патент на этот новый тип полупроводникового лазера, состоящего из пары слоев с широкой запрещенной зоной, между которыми расположена активная область, в которой «активные слои достаточно тонкие (например, примерно от 1 до 50 нанометров), чтобы разделить квантовый слой. уровни удерживаемых в них электронов. Эти лазеры демонстрируют возможность перестройки длины волны за счет изменения толщины активных слоев. Также описывается возможность снижения пороговых значений в результате изменения плотности электронных состояний ». Патент был выдан 21 сентября 1976 г. и озаглавлен «Квантовые эффекты в лазерах на гетероструктурах», патент США № 3,982,207.
Лазерам с квантовыми ямами для достижения порога требуется меньше электронов и дырок, чем для обычных лазеров с двойной гетероструктурой . Хорошо спроектированный лазер с квантовыми ямами может иметь чрезвычайно низкий пороговый ток.
Более того, поскольку квантовая эффективность (количество выходящих фотонов на входящие электроны) в значительной степени ограничена оптическим поглощением электронами и дырками, с помощью лазера с квантовой ямой можно достичь очень высокой квантовой эффективности.
Чтобы компенсировать уменьшение толщины активного слоя, часто используется небольшое количество идентичных квантовых ям. Это называется лазером с несколькими квантовыми ямами.
Ранние демонстрации
Хотя термин «лазер на квантовых ямах» был придуман в конце 1970-х Ником Холоньяком и его студентами из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн , первое наблюдение работы лазера на квантовых ямах было сделано в 1975 году в Bell Laboratories . Первый «инжекционный» лазер на квантовых ямах с электрической накачкой наблюдали П. Даниэль Дапкус и Рассел Д. Дюпюи из Rockwell International в сотрудничестве с группой Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (Холоньяк) в 1977 году. Дапкус и Дюпюи к тому времени уже имели является пионером в технологии газофазной эпитаксии металлоорганических соединений MOVPE (также известной как OMCVD, OMVPE и MOCVD) для изготовления полупроводниковых слоев. В то время метод MOVPE обеспечивал лучшую эффективность излучения по сравнению с молекулярно-лучевой эпитаксией (MBE), используемой Bell Labs. Позже, однако, Вон Т. Цанг из Bell Laboratories преуспел в использовании методов МЛЭ в конце 1970-х - начале 1980-х годов, чтобы продемонстрировать резкое улучшение характеристик лазеров с квантовыми ямами. Цанг показал, что при оптимизации квантовых ям они имеют чрезвычайно низкий пороговый ток и очень высокую эффективность преобразования тока на входе в свет, что делает их идеальными для широкого использования.
Первоначальная демонстрация лазеров с квантовыми ямами с оптической накачкой в 1975 г. имела пороговую плотность мощности 35 кВт / см 2 . В конечном итоге было обнаружено, что наименьшая практическая пороговая плотность тока в любом лазере с квантовыми ямами составляет 40 Ампер / см 2 , что примерно в 1000 раз меньше.
Большой объем работ был выполнен по лазерам с квантовыми ямами на основе пластин арсенида галлия и фосфида индия . Однако сегодня лазеры, использующие квантовые ямы и дискретные электронные моды, исследованные Ч. Х. Генри в начале 1970-х годов, изготовленные как методами MOVPE, так и MBE, производятся с различными длинами волн от ультрафиолетового до ТГц. В лазерах с самой короткой длиной волны используются материалы на основе нитрида галлия . Лазеры с самой длинной длиной волны основаны на конструкции квантово-каскадного лазера .
История происхождения концепции квантовой ямы, ее экспериментальной проверки и изобретения лазера на квантовой яме более подробно рассказана Генри в предисловии к «Лазерам с квантовыми ямами», изд. Питер С. Зори-младший.
Создание Интернета
Лазеры на квантовых ямах важны, потому что они являются основным активным элементом (источником лазерного света) волоконно-оптической связи в Интернете . Ранние работы над этими лазерами были сосредоточены на ямах на основе арсенида галлия GaAs, ограниченных стенками Al-GaAs, но длины волн, передаваемых оптическими волокнами , лучше всего достигаются с помощью стенок из фосфида индия с лунками на основе фосфида арсенида галлия . Центральным практическим вопросом источников света, закопанных в кабели, является их срок службы до перегорания. Среднее время перегорания первых лазеров с квантовыми ямами составляло менее одной секунды, так что многие ранние научные успехи были достигнуты с использованием редких лазеров со временем перегорания в дни или недели. Коммерческий успех был достигнут Lucent ( дочерняя компания Bell Laboratories ) в начале 1990-х годов благодаря контролю качества производства лазеров с квантовыми ямами с помощью MOVPE. Металлоорганическая эпитаксия из паровой фазы , как это было сделано с использованием рентгеновских лучей высокого разрешения Джоанной (Джока) Марией Ванденберг . Ее служба контроля качества производила интернет-лазеры со средним временем перегорания более 25 лет.