Квантовый лазер — это лазерный диод , в котором активная область устройства настолько узка, что возникает квантовое ограничение . Лазерные диоды формируются из сложных полупроводниковых материалов, которые (совершенно в отличие от кремния ) способны эффективно излучать свет. Длина волны света, излучаемого квантовым лазером, определяется шириной активной области, а не только шириной запрещенной зоны материалов, из которых он изготовлен. [1] Это означает, что с помощью квантовых лазеров можно получить гораздо более короткие длины волн, чем с помощью обычных лазерных диодов, использующих определенный полупроводниковый материал. Эффективность квантового лазера также выше, чем у обычного лазерного диода из-за ступенчатой формы его функции плотности состояний .
В 1972 году Чарльз Х. Генри , физик и недавно назначенный руководитель отдела исследований полупроводниковой электроники в Bell Laboratories , проявил живой интерес к теме интегральной оптики — изготовлению оптических схем, в которых свет распространяется по волноводам.
Позже в том же году, размышляя о физике волноводов, Генри добился глубокого понимания. Он понял, что двойная гетероструктура является волноводом не только для световых волн, но одновременно и для электронных волн. Генри опирался на принципы квантовой механики, согласно которым электроны ведут себя и как частицы, и как волны. Он усматривал полную аналогию между ограничением света волноводом и ограничением электронов потенциальной ямой, которая образуется из-за разницы в запрещенных зонах в двойной гетероструктуре .
CH Henry понял, что, так же как существуют дискретные моды, в которых свет распространяется внутри волновода, должны существовать дискретные моды электронной волновой функции в потенциальной яме, каждая из которых имеет уникальный уровень энергии. Его оценка показала, что если активный слой гетероструктуры будет иметь толщину в несколько десятков нанометров, то уровни энергии электронов будут разделены на десятки миллиэлектронвольт. Такое количество расщепления уровней энергии можно наблюдать. Структура, которую проанализировал Henry, сегодня называется « квантовой ямой ».
Генри приступил к расчетам того, как это «квантование» (т. е. существование дискретных электронных волновых функций и дискретных уровней энергии электронов) изменит оптические поглощающие свойства («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 выглядеть как ряд ступенек.
В дополнение к вкладу Генри, квантовая яма (которая является типом лазера с двойной гетероструктурой) была фактически впервые предложена в 1963 году Гербертом Кремером в Трудах IEEE [2] и одновременно (в 1963 году) в СССР Ж. И. Алферовым и Р. Ф. Казариновым. [3] Алферов и Кремером разделили Нобелевскую премию в 2000 году за их работу в области полупроводниковых гетероструктур. [4]
В начале 1973 года Генри предложил Рэймонду Динглу, [5] физику из его отдела, поискать эти предсказанные ступеньки. Очень тонкие гетероструктуры были изготовлены В. Вигманном с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии . Драматический эффект ступеней наблюдался в последующем эксперименте, опубликованном в 1974 году. [6]
После того, как этот эксперимент показал реальность предсказанных уровней энергии квантовой ямы, Генри попытался придумать применение. Он понял, что структура квантовой ямы изменит плотность состояний полупроводника и приведет к созданию улучшенного полупроводникового лазера, требующего меньше электронов и электронных дырок для достижения порога лазера. 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 слоев. Такой лазер, рассуждал он, будет иметь превосходные эксплуатационные 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 , включающего пару широкозонных слоев с активной областью, зажатой между ними, в которой «активные слои достаточно тонкие (например, около 1–50 нанометров), чтобы разделить квантовые уровни электронов, заключенных в них. Эти лазеры демонстрируют возможность перестройки длины волны путем изменения толщины активных слоев. Также описана возможность снижения порога в результате изменения плотности электронных состояний». Патент был выдан 21 сентября 1976 года под названием «Квантовые эффекты в гетероструктурных лазерах», патент США № 3 982 207. [7]
Квантовые лазеры требуют меньше электронов и дырок для достижения порога, чем обычные лазеры с двойной гетероструктурой . Хорошо спроектированный квантовый лазер может иметь чрезвычайно низкий пороговый ток.
Более того, поскольку квантовая эффективность (количество выходящих фотонов на количество входящих электронов) в значительной степени ограничена оптическим поглощением электронами и дырками, с помощью лазера на квантовых ямах можно достичь очень высокой квантовой эффективности.
Для компенсации уменьшения толщины активного слоя часто используют небольшое количество одинаковых квантовых ям. Это называется многоквантовым лазером.
Хотя термин «лазер с квантовыми ямами» был придуман в конце 1970-х годов Ником Холоньяком и его студентами в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн , первое наблюдение работы лазера с квантовыми ямами было сделано [8] в 1975 году в Bell Laboratories . [1] Первый лазер с квантовыми ямами с электрической накачкой и «инжекционным» эффектом наблюдали [9] П. Дэниел Дапкус и Рассел Д. Дюпюи из Rockwell International в сотрудничестве с группой Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн (Holonyak) в 1977 году. К тому времени Дапкус и Дюпюи были пионерами в области парофазной эпитаксии металлорганических соединений (MOVPE) (также известной как OMCVD, OMVPE и MOCVD) для изготовления полупроводниковых слоев. В то время метод MOVPE обеспечивал превосходную эффективность излучения по сравнению с молекулярно-лучевой эпитаксией (MBE), используемой Bell Labs. Однако позже Вон Т. Цанг из Bell Laboratories преуспел в использовании методов MBE в конце 1970-х и начале 1980-х годов, чтобы продемонстрировать кардинальные улучшения в производительности лазеров с квантовыми ямами. Цанг показал, что при оптимизации квантовых ям они имеют чрезвычайно низкий пороговый ток и очень высокую эффективность преобразования входного тока в выходной свет, что делает их идеальными для широкого использования.
Первоначальная демонстрация 1975 года оптически накачиваемых квантово-размерных лазеров имела пороговую плотность мощности 35 кВт/см 2 . В конечном итоге было обнаружено, что самая низкая практическая пороговая плотность тока в любом квантово-размерном лазере составляет 40 Ампер/см 2 , что соответствует уменьшению примерно в 1000 раз. [10] [ необходима полная цитата ]
Была проделана обширная работа по квантово-размерным лазерам на основе пластин арсенида галлия и фосфида индия . Однако сегодня лазеры, использующие квантовые ямы и дискретные электронные моды, исследованные CH Henry в начале 1970-х годов, изготовленные как с помощью методов MOVPE, так и MBE, производятся на различных длинах волн от ультрафиолетового до терагерцового режима. Лазеры с самой короткой длиной волны основаны на материалах на основе нитрида галлия . Лазеры с самой длинной длиной волны основаны на конструкции квантово-каскадного лазера .
История возникновения концепции квантовых ям, ее экспериментальной проверки и изобретения лазера на квантовых ямах более подробно изложена Генри в предисловии к книге «Лазеры на квантовых ямах» под редакцией Питера С. Зори-младшего [1].
Лазеры с квантовыми ямами важны, поскольку они являются основным активным элементом (источником лазерного света) волоконно-оптической магистрали связи Интернета . [ требуется ссылка ] Ранние работы над этими лазерами были сосредоточены на ямах на основе арсенида галлия GaAs , ограниченных стенками Al–GaAs, но длины волн, передаваемых по оптическим волокнам , лучше всего достигаются со стенками из фосфида индия с ямой на основе арсенида галлия индия . Центральным практическим вопросом источников света, зарытых в кабели, является их срок службы до выгорания. Среднее время выгорания ранних лазеров с квантовыми ямами составляло менее одной секунды, поэтому многие ранние научные успехи были достигнуты с использованием редких лазеров со временем выгорания в течение дней или недель. [ необходима цитата ] Коммерческий успех был достигнут Lucent (отпочковавшейся компанией Bell Laboratories ) в начале 1990-х годов с контролем качества производства лазеров с квантовыми ямами с помощью MOVPE эпитаксии из паровой фазы металлорганических соединений , как это было сделано с использованием рентгеновских лучей высокого разрешения Джоанной (Йокой) Марией Ванденберг . Ее контроль качества привел к созданию коммуникационных лазерных диодов со средним временем выгорания более 25 лет. [ необходима цитата ]
Несколько квантовых колодцев III- нитридных диодов имеют область перекрытия между длинами волн, которые они излучают и обнаруживают. Это позволяет им одновременно использоваться как передатчик и приемник для создания многоканальной линии связи по воздуху через один оптический путь. [11]
{{cite journal}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )