Лазерные структуры с пониженной размерностью

С развитием технологии наноэлектроники, переходом на субмикронные приборы значительный интерес проявился к лазерам на структурах с пониженной размерностью. К таким структурам относятся прежде всего гетероструктуры с ограничением по одной из координат. В этом случае образуется область с двумерным электронным газам. Такие структуры получили название «квантовые ямы». Структуры с ограничением по двум координатам получили название «квантовые нити». Для структур с трехмерным ограничение принят термин «квантовые точки». В такого типа структурах наблюдается снижение пороговой плотности тока.

На рис. 5.84 представлен сравнительный анализ снижения пороговой плотности тока для разных типов лазерных структур.

Различают два фактора, стимулирующих уменьшение пороговой плотности. Первый фактор — объем активной среды. В лазерах первого поколения или гомоструктурах инжектированные носители могли свободно мигрировать в полупроводниковой среде. Поэтому активный объем не имел строго очерченных границ, и плотность порогового тока принимала достаточно большие значения.

Значительное снижение порога генерации было достигнуто при использовании гетероструктур. В таких структурах фактическая область локализации носителей определяется профилями плотности вероятности соответствующих волновых функций. Эти функции зависят от толщины квантовой ямы, главного квантового числа, эффективной массы носителей и высоты барьера.

Второй фактор связан с квантоворазмерными эффектами. Такие эффекты влияют на характер движения носителей в объемах, сопоставимых с дли;

Рис. 5.84. Зависимость пороговой плотности тока для различных лазерных структур:

1 — GaAs-структуры; 2 — структуры на основе InP; I — гомоструктуры; II — двойные гетероструктуры; III, IV — структуры с квантовыми ямами и квантовыми точками соответственно ной волны электрона или дырки. В то же время эти объемы должны быть достаточными для выполнения законов зонной теории, например наличия ширины запрещенной зоны, эффективной массы. При локализации носителей в квантовой яме возникают дискретные разрешенные энергетические уровни.

Основное, или нижнее, состояние характеризуется кинетической энергией локализации, отделяющей основной уровень от дна потенциальной ямы. Энергия локализации Е₀ в прямоугольной яме с бесконечными барьерами определяется значением Е₀ = (nh/rrfd)², где т* — эффективная масса носителей; d — толщина квантовой ямы. Минимальную толщину ямы d_min, при которой уже не обеспечивается локализация носителей, можно оценить из соотношения Е₀ > АЕ, где АЕ — глубина ямы. В арсенид-галлиевых структурах величина d_m[n составляет 4—5 нм. Энергия перехода между основными состояниями в квантовой яме оказывается больше энергии межзонного перехода в том же материале. Это позволяет изменять длину волны излучения за счет размеров квантовой ямы.

Возможность управлять плотностью состояний обеспечивает существенный ресурс дальнейшего улучшения лазерных характеристик. Дискретизация спектра сводится к модификации распределения плотности состояний по энергии. Для работы лазера необходимо и достаточно, чтобы были инвертированы рабочие уровни. Именно рабочие уровни в зонах фактически обеспечивают пороговое усиление и необходимую скорость вынужденных переходов при сверхпороговой накачке.

В полупроводниковых гомостуктурах необходимо также заполнять некоторое число уровней в зонах, которые прямо не участвуют в генерации. Обычная, или невынужденная, рекомбинация с участием этих уровней входит в выражение для пороговых потерь. Эти уровни расположены по энергии ниже или выше рабочих уровней. Более низкие уровни приходится заполнять, поскольку сами они не обеспечивают достаточного усиления, и для его увеличения требуется мощная накачка. В объемном полупроводнике плотность состояний растет примерно как корень квадратный из кинетической энергии.

Совсем иная картина в низкоразмерных структурах. В квантовой яме плотность состояний возрастает скачком, и если она достаточна для получения эффекта генерации, то нет «неработающих» уровней. Населенность уровней энергии, находящихся выше рабочих уровней, связана с температурным размытием квазиравновесной функции заполнения. Число носителей на этих уровнях соответствует интегралу от произведения плотности состояния на функцию заполнения, но указанному интервалу энергии. Функция заполнения определяется положением уровня Ферми и температурой. Плотность состояний квантовых нитей и точек убывает с энергией, превышающей квантовый уровень. Благодаря этому можно оптимизировать энергетический спектр и уменьшить вклад нерабочих состояний, лежащих выше рабочего уровня. В таких лазерных средах можно существенно ослабить температурную зависимость усиления и порога генерации.

Использование квантовых эффектов в наноструктурах для снижения пороговой плотности тока полупроводникового лазера заключается в оптимизации профиля плотности состояний.

Другими словами, речь идет о продуманной зонной инженерии или о создании структуры с наперед заданной зонной структурой.

Для работы лазера, как это было рассмотрено выше, необходимо наличие активной среды, содержащей атомы с дискретными уровнями энергии. Между этими уровнями должны иметь место квантовые переходы. Должен быть известен механизм накачки активной среды с целью создания инверсной населенности, при которой на более высокоэнергетичном уровне должно накапливаться большее количество возбужденных атомов, чем на нижнем уровне.

В лазерных наноструктурах в качестве активной среды обычно используются квантовые точки или квантовые штрихи. Под квантовыми штрихами будем понимать небольшие квантовые нити.

Квантовые точки имеют дискретный энергетический спектр. При дискретном спектре не возникает тепловое уширение полосы излучения, а коэффициент усиления имеет тенденцию к стабилизации. Излучательное время жизни возбужденного нульмерного состояния не зависит от температуры, что позволяет улучшить температурную стабильность такого типа лазеров. Заметим, что для лазеров на квантовых структурах имеет место низковольтная электрическая накачка.

Рассмотрим некоторые типовые конструкции лазеров на структурах с пониженной размерностью.

На рис. 5.85 представлена диодная конструкция лазера на квантовых точках. На подложке из п типа GaAs выращивается гетероструктура, между слоями Al₀₈₅Ga_{0 15}As которой содержится 12 монослоев In₀₅Ga₀₅As квантовых точек. Верхний металлический слой контактирует с арсенидом галлия. Волновой канал Al_{0 05}Ga₀₉₅As имеет толщину 190 нм и служит проводником излучения к выходным окнам на границах структуры. Длина L_c и ширина канала W может меняться от 1—5 мм и 5—60 мкм соответственно.

Рис. 5.85. Конструкция лазера на квантовых точках:

а — диодная арсенид-галлиевая структура; б — волновод, состоящий из 12 монослоев квантовых точек (слой QD)

Торцы лазера покрыты высокоотражающим слоями ZnSe/MgF₂, формирующими своеобразный резонатор Фабри — Перо. Лазер работает в инфракрасной области спектра на длине волны 1,32 мкм.

Другой тип перспективной конструкции лазера с вертикальным резонатором представлен на рис. 5.86. Квантовое усиление в активной области достигается за счет процессов инжекции и рекомбинации электронов и дырок. Активная область состоит из нескольких квантовых ям или нескольких слоев квантовых точек.

Предложена конструкция каскадного лазера, в котором используются оптические переходы между мини-зонами сверхрешеток. В сверхрешетках с постепенно меняющимся периодом при приложении внешнего постоянного электрического поля уровни энергии в отдельных квантовых ямах сливаются в мини-полосы. Происходит генерация в непрерывном режиме. На рис. 5.87 приведена схема, реализованная на сверхрешетках. Лазер излучает в инфракрасном диапазоне длин волн (7,6 мкм) и при комнатной температуре достигает пиковой мощности 0,5 Вт. Пороговая плотность тока составляет 5 кА/см².

Разработан лазер нового поколения, использующий в качестве активной среды фотонные кристаллы. Такой лазер обладает уникальными свойствами. Например, его излучение может быть направлено в любом, заранее выбранном направлении, что позволяет встраивать его в обычную полупроводниковую микросхему.

Фотонный кристалл, являющийся активной средой этого типа лазера, представляет собой полупрозрачный диэлектрик с определенной периоди;

Рис. 5.86. Структура лазера с вертикальным резонатором.

Рис. 5.87. Схема использования сверхрешеток для генерации излучения.

ческой структурой и уникальными оптическими свойствами. Уникальность его заключается в том, что фотонный кристалл обеспечивает почти полное управление движением проходящего через него света. Такие возможности достигаются за счет наличия в кристалле диэлектрика равномерно распределенных мельчайших отверстий. Их диаметр подобран таким образом, что они пропускают световые волны лишь определенной длины, а остальные — частично отражают или поглощают. При определенном физическом воздействии на кристалл, например звуковыми волнами, длина световой волны, пропускаемой кристаллом, и направление ее движения могут значительно меняться.

Многокаскадный полупроводниковый лазер представляет собой сэндвич, состоящий из нескольких (более двух) тончайших, в несколько нанометров толщиной, чередующихся слоев полупроводника с немного отличающейся проводимостью. Если приложить к разным концам такого сэндвича электрическое напряжение, то электроны потекут сквозь эти слои весьма специфичным образом: накопив достаточно энергии, они синхронно «перепрыгивают» сквозь слой и надают в квантовую яму, излучая затраченную на переход энергию в виде фотонов. Характерной особенностью такого лазера является то, что он излучает непрерывно и равномерно, строго параллельно плоскости, в которой лежат слои полупроводников.

Лазерный излучатель имеет размер всего 50 мкм, что вдвое тоньше человеческого волоса. С помощью встроенных фотонных кристаллов удалось направить поток излучения от боков к поверхности пленки и заставить лазер излучать в вертикальном направлении. Таким образом, для использования нового лазера не нужны дополнительные устройства фокусировки, что позволит расширить область применения полупроводниковых лазеров.

Велика вероятность того, что в будущем микросхемы, содержащие огромные массивы подобных лазерных излучателей, будут широко применяться в оптических телекоммуникациях, а также в качестве чувствительных сенсоров для различных датчиков.

Весьма перспективно использовать волоконный лазер. Он представляет собой оптический квантовый генератор, в котором рабочей средой является активное волокно, внутри него полностью или частично генерируется излучение, а накачка осуществляется излучением чаще всего диода.

Активное одномодовое волокно световода имеет диаметр сердцевины примерно пределах от 10 до 30 мкм. Имеются участки волокна, в которых чередуются области с разным показателем преломления, играющие роль полупрозрачных зеркал лазера (рис. 5.88).

Волоконные лазеры могут быть созданы на основе активного оптического волокна — кварцевого волокна, легированного редкоземельными элементами (иттербием, эрбием, неодимом, тулием, гольмием и др.). Возможно применение пассивного волокна с использованием эффекта вынужденного рамановского рассеяния. В этом случае оптический резонатор образует световод в сочетании с брэгговскими решетками показателя преломления, «записанными» в волокне. Такие лазеры называются волоконными рамановскими лазерами.

Рис. 5.88. Схема волоконно-оптического лазера.

Волоконные лазеры бывают цельноволоконные, которые полностью реализованы на оптическом волокне, и волоконно-дискретные, или гибридные, в которых комбинируются волоконные и другие элементы в конструкции.

У волоконных лазеров отсутствуют свойственные обычным твердотельным лазерам недостатки, такие как искажение волнового фронта вследствие дефектов кристалла и флуктуации мощности излучения. Волоконные устройства экономичны — им практически не требуется техническое обслуживание, их системы охлаждения значительно проще в силу более высокого КПД, и, как следствие, волоконные лазеры значительно более компактны. Волоконные лазеры обеспечивают выходную мощность до 50 кВт.

Излучение лазера распространяется внутри оптического волокна, поэтому резонатор волоконного лазера не требует юстировки. Именно это обстоятельство обусловило интенсивное развитие волоконных лазеров. В волоконном лазере можно получать как одночастотную генерацию, так и генерацию ультракоротких (фемто-, пикосекундных) световых импульсов. Ключевую роль в достижении высоких мощностных показателей сыграло применение нанотехнологий в наноструктрированных волокнах и лазерных диодах, толщина активных слоев которых составляет менее 100 нм.

Квантовая электроника родилась около полувека назад. Одновременно развивалась оптическая электроника. На стыке наук оптики, физики твердого тела, квантовой механики, электроники произошло слияние и взаимопроникновение идей, конструктивных решений, технологий. Сегодня трудно представить себе какой-либо сектор бытия, культуры, науки, промышленного производства, телекоммуникаций без приборов квантовой и оптической электроники.

Новые идеи и технологии в квантовую и оптическую электронику вдохнули нанотехнологии в электронике. Можно сказать, что луч лазера осветил тайны микромира, высветил новые подходы и идеи создания миниатюрных приборов и устройств. Интернет пестрит сообщениями о новых достижениях, успешном освоении нанометрового диапазона структур, структур на стыке живой и неживой природы.

Новым направлением в развитии волоконных лазеров являются конструкции на фотонных кристаллах или на фотонно-кристаллическом оптическом волокне — ФКОВ.

Традиционный световод формируется слоями с различными показателями преломления. Это позволяет создавать волноводные моды путем внутреннего отражения луча при распространении вдоль волокна. В ФКОВ светопередающая структура образуется воздушными каналами вокруг сердцевины волокна. Другими словами, формируется двумерный фотонный кристалл с гексагонально упакованными воздушными каналами, в которых волноводные моды образуются вследствие появления запрещенных зон в спектре пропускания микроструктуры (рис. 5.89). Главной особенностью такого волокна является поддержка только основной моды независимо от длины волны или диаметра сердцевины. Поэтому микроструктуры позволяют создавать оптическое волокно с любой заданной числовой апертурой, а значит, и мощные одномодовые лазеры.

В волоконных лазерах генерация излучения происходит непосредственно в волокне, которое имеет высокое оптическое качество, что позволяет.

Рис. 5.89. Сечение фотонно-кристаллического волокна диаметром 200 мкм, в которое включены дополнительные поляризационные элементы (в сечении группы из трех каналов более темного цвета).

снять мощность более 500Вт/м при КПД более 80%. К недостатками данного типа лазеров следует отнести опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшую выходную энергию в импульсе, обусловленную малым объемом активного вещества.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Что представляют собой квантовые структуры с пониженной добротностью?
• 2. Расскажите о диодной структуре лазера па квантовых точках.
• 3. Расскажите о лазерах на квантовых ямах с вертикальным резонатором.
• 4. Расскажите о кремниевом транзисторе с квантовыми точками германия.
• 5. Как устроен волоконный лазер?

Литература

• 1 .Астапенко, В. Л. Введение в фемтонанофотонику: учеб, пособие / В. А. Астапенко. — М.: Изд-во МФТИ, 2009.
• 2. Манцызов, Б. И. Когерентная и нелинейная оптика фотонных кристаллов / Б. И. Манцызов. — М.: Физматлит, 2009.
• 3. Тучин, В. В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях / В. В. Тучин. — М.: Физматлит, 2010.
• 4. Щука, А. А. Наноэлектроника: учеб, пособие / под ред. А. С. Сигова. — 2-е изд. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.