Laser en cascade interbande - Interband cascade laser
Les lasers à cascade interbande (ICL) sont un type de diode laser qui peut produire un rayonnement cohérent sur une grande partie de la région infrarouge moyen du spectre électromagnétique . Ils sont fabriqués à partir d' épitaxie -grown semi - conducteurs des hétérostructures composées de couches d' arséniure d'indium (InAs), le gallium antimoniure (GaSb), l' antimoniure d'aluminium (AlSb), et des alliages connexes. Ces lasers sont similaires aux lasers à cascade quantique (QCL) de plusieurs manières. Comme les QCL, les ICL utilisent le concept de l'ingénierie de la structure de bande pour obtenir une conception laser optimisée et réutiliser les électrons injectés pour émettre plusieurs photons. Cependant, dans les ICL, les photons sont générés avec des transitions interbandes, plutôt qu'avec les transitions inter-sous-bandes utilisées dans les QCL. Par conséquent, la vitesse à laquelle les porteurs injectés dans la sous-bande laser supérieure se détendent thermiquement vers la sous-bande inférieure est déterminée par la recombinaison des porteuses Auger interbande, radiative et Shockley-Read . Ces processus se produisent généralement sur une échelle de temps beaucoup plus lente que les interactions de phonons optiques longitudinales qui interviennent dans la relaxation inter-sous-bande des électrons injectés dans les QCL infrarouges moyens. L'utilisation de transitions interbandes permet une action laser dans les ICL à des puissances d'entrée électriques inférieures à celles possibles avec les QCL.
Le concept de base d'une ICL a été proposé par Rui Q. Yang en 1994. L'idée clé qu'il avait était que l'incorporation d'une hétérostructure de type II similaire à celles utilisées dans les diodes à effet tunnel résonantes interbandes faciliterait la possibilité de lasers en cascade qui utilisent l'interbande transitions pour la génération de photons. Des améliorations supplémentaires dans la conception et le développement de la technologie ont été effectuées par Yang et ses collaborateurs dans plusieurs institutions, ainsi que par des groupes du Laboratoire de recherche navale et d'autres institutions. Le laser ICL en mode onde continue (cw) à température ambiante a été démontré pour la première fois en 2008. Ce laser avait une longueur d'onde d'émission de 3,75 μm. Par la suite, le fonctionnement en courant continu des ICL à température ambiante a été démontré avec des longueurs d'onde d'émission allant de 2,9 μm à 5,7 μm. Des ICL à des températures plus froides ont été démontrées avec des longueurs d'onde d'émission comprises entre 2,7 μm et 11,2 μm. Les ICL fonctionnant en mode cw à température ambiante sont capables d'obtenir des lasers à des puissances d'entrée beaucoup plus faibles que les technologies laser semi-conductrices à infrarouge moyen concurrentes.
Théorie de fonctionnement
Dans un laser à puits quantiques multiples standard , les puits quantiques actifs utilisés pour générer des photons sont connectés en parallèle. Par conséquent, un courant important est nécessaire pour reconstituer chaque puits actif avec des électrons lorsqu'il émet de la lumière. Dans un laser en cascade, les puits sont connectés en série, ce qui signifie que la tension est plus élevée mais le courant est plus faible. Ce compromis est avantageux car la puissance d'entrée dissipée par la résistance série de l'appareil , R s , est égale à I 2 R s , où I est le courant électrique circulant dans l'appareil. Ainsi, le courant plus faible dans un laser en cascade entraîne moins de perte de puissance de la résistance série de l'appareil. Cependant, les appareils avec plus d'étages ont tendance à avoir des performances thermiques plus faibles, car plus de chaleur est générée dans des endroits plus éloignés du dissipateur thermique . Le nombre optimal d'étages dépend de la longueur d'onde, du matériau utilisé et de plusieurs autres facteurs. L'optimisation de ce nombre est guidée par des simulations, mais finalement déterminée empiriquement en étudiant les performances expérimentales du laser.
Les ICL sont fabriquées à partir d'hétérostructures semi-conductrices cultivées en utilisant l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE). Les matériaux utilisés dans la structure sont InAs, GaSb, AlSb et alliages associés. Ces trois matériaux binaires sont très étroitement liés au réseau avec des paramètres de réseau proches de 6,1 Å. Ainsi, ces matériaux peuvent être incorporés ensemble dans la même hétérostructure sans introduire une quantité significative de contrainte . La croissance MBE est généralement effectuée sur un substrat GaSb ou InAs.
La structure épitaxiale entière se compose de plusieurs étages en cascade qui sont pris en sandwich entre deux couches de confinement séparées (SCL), avec d'autres matériaux entourant les SCL pour fournir une gaine optique . En plus de produire de la lumière, la structure épitaxiale en couches doit également jouer le rôle de guide d'ondes pour que les étages en cascade amplifient les modes optiques guidés.
Conception de scène en cascade
Dans chaque étage en cascade, les couches minces d'InAs agissent comme des couches de puits quantiques confinés (QW) pour les électrons et des barrières pour les trous . Les couches GaSb (ou GaInSb) agissent à l'inverse comme des QW pour les trous et des barrières pour les électrons, tandis que les couches AlSb servent de barrières à la fois pour les électrons et les trous. La caractéristique clé qui permet la réalisation de la mise en cascade dans une diode interbande est l'alignement de bande dit de "type II", ou à intervalle interrompu, entre InAs et GaSb. Alors que dans la classe plus habituelle des QW de type I, les électrons et les trous sont confinés dans la même couche de matériau, le système InAs-GaSb est de type II car le minimum de bande de conduction d'InAs se situe à une énergie inférieure au maximum de la bande de valence. de GaSb. Cette disposition moins courante permet de réinjecter facilement des électrons de la bande de valence d'un étage de l'ICL dans la bande de conduction de l'étage suivant via une simple diffusion élastique .
Chaque étage en cascade agit efficacement comme un générateur de photons individuel. Un étage unique est composé d'un injecteur d'électrons, d'un injecteur de trous et d'une région de gain active constituée d'un trou QW et d'un ou deux électrons QW. Lorsque le dispositif est polarisé, des électrons et des trous en excès sont générés et s'écoulent dans la région active , où ils se recombinent et émettent de la lumière. Afin de minimiser les pertes optiques à l'interface semi-métallique formant la frontière entre les injecteurs d'électrons et de trous, une couche d'AlSb est placée entre les couches InAs et GaSb pour empêcher la réabsorption interbande des photons générés.
Une région active typique utilise la configuration de puits quantique dite "W". Dans cette conception, le trou GaInSb QW est pris en sandwich entre deux QW d'électrons InAs, qui sont à leur tour entourés par deux couches barrières AlSb. Cet agencement maximise le gain optique en augmentant le chevauchement spatial entre les fonctions d'onde d' électrons et de trous qui sont nominalement séparées en différentes couches. La longueur d'onde laser, déterminée par la bande interdite créée entre les niveaux d'énergie de l'électron et du trou de l'état fondamental, peut être modifiée simplement en modifiant l'épaisseur QW de l'électron InAs (alors qu'elle est beaucoup moins sensible à l'épaisseur QW du trou).
Les deux régions d'injecteur sont chacune conçues pour transférer efficacement ses porteurs homonymes (électrons ou trous) de l'interface semi-métallique vers la région active. Ils doivent également servir de barrières de redressement pour le type de support opposé afin d'éviter les courants de fuite entre les étages. L'injecteur total (injecteur d'électrons plus injecteur à trous) doit également être globalement suffisamment épais pour éviter que les champs électriques se formant sous polarisation ne deviennent suffisamment importants pour induire un claquage diélectrique du matériau. L'injecteur d'électrons est généralement allongé en raison du taux de diffusion inter-puits relativement rapide des électrons par rapport à celui des trous. Cela garantit une contribution de résistance en série plus petite du transport total de l'injecteur. L'injecteur de trous est composé de puits quantiques GaSb / AlSb. Il est juste assez épais (typiquement avec juste un ou deux puits) pour assurer une suppression efficace du tunnel d' électrons de la région active à l'injecteur d'électrons de l'étage suivant. L'injecteur d'électrons consiste généralement en une série plus longue de puits quantiques InAs / AlSb. Pour maximiser la largeur de mini-bande du super-réseau InAs / AlSb, les épaisseurs de couche InAs varient à travers l'injecteur de sorte que leurs énergies à l'état fondamental s'alignent presque lorsque le dispositif est polarisé. Les écarts d'énergie du puits quantique dans l'injecteur doivent être suffisamment grands pour empêcher la réabsorption des photons générés par les puits quantiques actifs.
Une caractéristique supplémentaire qui différencie l'ICL de toutes les autres diodes laser est sa disposition pour un fonctionnement à pompage électrique sans jonction pn . Ceci est possible car les injecteurs fonctionnent comme des barrières de redressement qui maintiennent le courant circulant dans une seule direction. Néanmoins, il est très avantageux de doper certaines couches dans chaque étage de cascade comme moyen de contrôler les densités actives d'électrons et de trous, via une technique de conception appelée «rééquilibrage des porteurs». Alors que la combinaison la plus favorable des populations d'électrons et de trous dépend des forces relatives de divers processus d' absorption des porteurs libres et de recombinaison Auger, les études effectuées jusqu'à présent indiquent que les performances de l'ICL sont optimales lorsque, au seuil, les deux concentrations sont à peu près égales. Étant donné que la population de trous a tendance à dépasser considérablement la population d'électrons dans les ICL non dopées ou modérément dopées, le rééquilibrage des porteurs est obtenu en dopant fortement l'injecteur d'électrons (généralement avec Si ) afin d'ajouter des électrons aux QW actifs.
Guide d'ondes optique
Le gain dans un guide d'ondes donné nécessaire pour atteindre le seuil d'émission laser est donné par l'équation:
où α wg est la perte du guide d'ondes, α mirr est la perte du miroir et Γ est le facteur de confinement optique. La perte de miroir est due aux photons s'échappant à travers les miroirs du résonateur optique . Les pertes de guide d'ondes peuvent être dues à l'absorption dans le confinement actif, séparé, les matériaux de gaine optique et les contacts métalliques (si les gaines ne sont pas assez épaisses), ou résulter d'une diffusion au niveau des parois latérales de la crête. Le facteur de confinement est le pourcentage de l'énergie optique concentrée dans les étages en cascade. Comme avec les autres lasers à semi-conducteurs, les ICL ont un compromis entre la perte optique dans le guide d'ondes et Γ. L'objectif global de la conception de guides d'ondes est de trouver la structure appropriée qui minimise le gain de seuil.
Le choix du matériau du guide d'ondes dépend du substrat utilisé. Pour les ICL cultivées sur GaSb, les couches de confinement séparées sont généralement du GaSb faiblement dopé tandis que les couches de gaine optique sont des super- réseaux InAs / AlSb mis en correspondance avec le substrat GaSb. La gaine inférieure doit être assez épaisse pour éviter les fuites du mode guidé dans le substrat, car l'indice de réfraction du GaSb (environ 3,8) est plus grand que l'indice effectif du mode laser (typiquement 3,4-3,6).
Une configuration alternative de guide d'ondes qui convient à la croissance sur des substrats en InAs utilise des InAs hautement dopés en n pour la gaine optique. La densité électronique élevée de cette couche abaisse l'indice de réfraction conformément au modèle de Drude . Dans cette approche, la structure épitaxiale est développée sur un substrat InAs de type n et elle utilise également InAs pour les couches de confinement séparées. Pour un fonctionnement à plus longue longueur d'onde, les avantages comprennent la conductivité thermique beaucoup plus élevée des InAs en vrac par rapport à un super-réseau InAs / AlSb à courte période, ainsi qu'une couche de gaine beaucoup plus mince en raison de son plus grand contraste d'indice avec la région active. Cela raccourcit le temps de croissance du MBE et améliore également la dissipation thermique. Cependant, le guide d'ondes doit être conçu avec soin pour éviter une perte d'absorption excessive des porteurs libres dans les couches fortement dopées.
État actuel des performances ICL
Les ICL émettant à 3,7 um ont fonctionné en mode cw jusqu'à une température maximale de 118 ° C. Une puissance de sortie maximale en courant continu de près de 0,5 W a été démontrée à température ambiante, avec 200 à 300 mW dans un faisceau presque limité en diffraction . Une efficacité maximale de la prise murale cw à température ambiante de près de 15% a également été atteinte. Alors que les QCL nécessitent généralement des puissances électriques d'entrée de près de 1 W et plus pour fonctionner à température ambiante, les ICL sont capables de réduire des puissances d'entrée aussi faibles que 29 mW en raison de la durée de vie de la porteuse interbande beaucoup plus longue. Un fonctionnement en courant continu à température ambiante avec de faibles puissances dissipées peut être obtenu pour des longueurs d'onde comprises entre environ 3,0 um et 5,6 um.
La figure de droite montre les caractéristiques de performance des lasers en cascade interbandes à guide d'ondes à crête étroite à température ambiante fonctionnant en mode cw. Plus précisément, la figure montre des graphiques de la quantité de puissance émise par des lasers avec différentes largeurs de crête pour un courant d'injection donné. Chacun de ces lasers avait cinq étages en cascade et des longueurs de cavité de 4 mm. Ces lasers ont été montés de sorte que le sommet de la structure épitaxiale (plutôt que le substrat) soit en contact avec le dissipateur thermique en cuivre (généralement appelé configuration épitaxiale vers le bas) afin d'obtenir une dissipation thermique optimale. De plus, ils ont été fabriqués avec des parois latérales ondulées. L'ondulation de la paroi latérale réduit les pertes optiques en garantissant que moins de photons sont générés dans les modes optiques d' ordre supérieur qui sont plus sensibles aux pertes de diffusion optique.
Applications
Les lasers à infrarouge moyen sont des outils importants pour les applications de détection spectroscopique . De nombreuses molécules telles que celles de la pollution et des gaz à effet de serre ont de fortes résonances rotationnelles et vibrationnelles dans la région infrarouge moyen du spectre. Pour la plupart des applications de détection, la longueur d'onde du laser doit également se trouver dans l'une des fenêtres atmosphériques pour éviter l'atténuation du signal.
Une exigence importante pour ce type d'application est l'obtention d'une émission monomode. Avec les ICL, cela peut être fait en fabriquant des lasers à rétroaction distribués . Une ICL à rétroaction distribuée, conçue pour l'excitation du gaz méthane , a été développée au laboratoire de propulsion par jet de la NASA et incluse comme instrument sur le spectromètre laser accordable sur le rover Curiosity qui a été envoyé pour explorer l'environnement de Mars. Une ICL à rétroaction distribuée plus récente émettait jusqu'à 27 mW dans un mode spectral unique à 3,79 μm lorsqu'elle fonctionnait à 40 ° C et 1 mW pour un fonctionnement à 80 ° C.