Laser à cascade quantique - Quantum cascade laser

Les "Quantum Cascade Lasers" (QCL) sont des lasers à semi-conducteurs qui émettent dans la partie infrarouge moyen à lointain du spectre électromagnétique et ont été démontrés pour la première fois par Jerome Faist, Federico Capasso , Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson et Alfred Cho à Laboratoires Bell en 1994.

Contrairement à interbande typiques des lasers à semi - conducteurs qui émettent un rayonnement électromagnétique à travers la recombinaison des paires électron-trou à travers le matériau de bande interdite , QCL sont unipolaires et l' émission laser est obtenu grâce à l'utilisation de transitions intersousbandes dans un empilement répété de plusieurs semi-conducteur à puits quantiques hétérostructures , une idée proposé pour la première fois dans l'article "Possibilité d'amplification des ondes électromagnétiques dans un semi-conducteur avec un super - réseau " par RF Kazarinov et RA Suris en 1971.

Transitions intersous-bandes vs interbandes

Les transitions interbandes dans les lasers à semi-conducteur conventionnels émettent un seul photon.

Dans un cristal semi-conducteur massif , les électrons peuvent occuper des états dans l'une des deux bandes d'énergie continues - la bande de valence , qui est fortement peuplée d'électrons de faible énergie et la bande de conduction , qui est peu peuplée d'électrons de haute énergie. Les deux bandes d'énergie sont séparées par une bande interdite d'énergie dans laquelle il n'y a pas d'états autorisés disponibles pour les électrons à occuper. Les diodes laser à semi-conducteur conventionnelles génèrent de la lumière par un seul photon émis lorsqu'un électron de haute énergie dans la bande de conduction se recombine avec un trou dans la bande de valence. L'énergie du photon et donc la longueur d'onde d'émission des diodes laser est donc déterminée par la bande interdite du système matériel utilisé.

Cependant, un QCL n'utilise pas de matériaux semi-conducteurs en vrac dans sa région optiquement active. Au lieu de cela, il se compose d'une série périodique de couches minces de composition matérielle variable formant un super - réseau . Le super-réseau introduit un potentiel électrique variable sur toute la longueur du dispositif, ce qui signifie qu'il existe une probabilité variable que les électrons occupent des positions différentes sur la longueur du dispositif. Ceci est appelé confinement de puits quantiques multiples unidimensionnels et conduit à la division de la bande d'énergies autorisées en un certain nombre de sous-bandes électroniques discrètes. Par une conception appropriée des épaisseurs de couche, il est possible de concevoir une inversion de population entre deux sous-bandes dans le système qui est nécessaire pour obtenir une émission laser. Étant donné que la position des niveaux d'énergie dans le système est principalement déterminée par les épaisseurs de couche et non par le matériau, il est possible d'ajuster la longueur d'onde d'émission des QCL sur une large plage dans le même système de matériau.

Dans les structures en cascade quantique, les électrons subissent des transitions intersous-bandes et des photons sont émis. Les électrons passent à la période suivante de la structure et le processus se répète.

De plus, dans les diodes laser à semi-conducteur, les électrons et les trous sont annihilés après recombinaison à travers la bande interdite et ne peuvent plus jouer aucun rôle dans la génération de photons. Cependant, dans un QCL unipolaire, une fois qu'un électron a subi une transition inter -sous et émet un photon en une période de super - réseau, il peut tunnel dans la période suivante de la structure où un autre photon peut être émis. Ce processus d'un seul électron provoquant l'émission de plusieurs photons lorsqu'il traverse la structure QCL donne naissance au nom de cascade et rend possible une efficacité quantique supérieure à l'unité, ce qui conduit à des puissances de sortie plus élevées que les diodes laser à semi-conducteur.

Principes de fonctionnement

Équations de taux

Les populations de sous-bandes sont déterminées par les taux de diffusion inter-sous-bandes et le courant d'injection/extraction.

Les QCL sont généralement basées sur un système à trois niveaux . En supposant que la formation des fonctions d'onde est un processus rapide par rapport à la diffusion entre les états, les solutions indépendantes du temps de l' équation de Schrödinger peuvent être appliquées et le système peut être modélisé à l'aide d'équations de vitesse. Chaque sous-bande contient un certain nombre d'électrons (où est l'indice de sous-bande) qui se dispersent entre les niveaux avec une durée de vie (inverse du taux de diffusion inter- sous-bande moyen ), où et sont les indices de sous-bande initiaux et finaux. En supposant qu'aucune autre sous-bande n'est peuplée, les équations de taux pour les lasers à trois niveaux sont données par : ${\style d'affichage n_{i}}$ ${\style d'affichage i}$ $\tau _{if}$ $W_{if}$ ${\style d'affichage i}$ ${\style d'affichage f}$

{\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}}}

{\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} }}

{\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 {out} }

En régime permanent , les dérivées temporelles sont égales à zéro et . L'équation générale du taux pour les électrons dans la sous-bande i d'un système à N niveaux est donc : $I_{\mathrm {in} }=I_{\mathrm {out} }=I$

{\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})

,

Sous l'hypothèse que les processus d'absorption peuvent être ignorés (c'est -à- dire valables à basse température), l'équation du taux moyen donne ${\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}=0$

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

Par conséquent, si (c'est-à-dire ) alors et une inversion de population existera. Le ratio de population est défini comme $\tau _{32}>\tau _{21}$ $W_{21}>W_{32}$ ${\style d'affichage n_{3}>n_{2}}$

{\frac {n_{3}}{n_{2}}}={\frac {\tau _{32}}{\tau _{21}}}={\frac {W_{21}} {W_{32}}}

Si toutes les N équations de taux en régime permanent sont additionnées, le côté droit devient zéro, ce qui signifie que le système est sous- déterminé et qu'il n'est possible de trouver que la population relative de chaque sous-bande. Si la densité de feuille totale des porteurs dans le système est également connue, alors la population absolue de porteurs dans chaque sous-bande peut être déterminée en utilisant : $N_{\mathrm {2D} }$

\sum \limits _{i=1}^{N}n_{i}=N_{\mathrm {2D} }

.

A titre indicatif, on peut supposer que tous les porteurs du système sont alimentés par dopage . Si l'espèce dopante a une énergie d'ionisation négligeable, elle est alors approximativement égale à la densité de dopage. $N_{\mathrm {2D} }$

Les fonctions d'onde électronique sont répétées dans chaque période d'une région active QCL à trois puits quantiques. Le niveau laser supérieur est indiqué en gras.

Conceptions de régions actives

Les vitesses de diffusion sont adaptées par une conception appropriée des épaisseurs de couche dans le super-réseau qui déterminent les fonctions d'onde électronique des sous-bandes. Le taux de diffusion entre deux sous-bandes dépend fortement du chevauchement des fonctions d'onde et de l'espacement d'énergie entre les sous-bandes. La figure montre les fonctions d'onde dans une région active et un injecteur QCL à trois puits quantiques (3QW).

Afin de diminuer , le chevauchement des niveaux laser supérieur et inférieur est réduit. Ceci est souvent réalisé en concevant les épaisseurs de couche de telle sorte que le niveau laser supérieur soit principalement localisé dans le puits gauche de la région active 3QW, tandis que la fonction d'onde du niveau laser inférieur réside principalement dans les puits central et droit. . C'est ce qu'on appelle une transition diagonale . Une transition verticale est une transition dans laquelle le niveau laser supérieur est localisé principalement dans les puits central et droit. Cela augmente le chevauchement et donc ce qui réduit l'inversion de population, mais cela augmente la force de la transition radiative et donc le gain . ${\style d'affichage W_{32}}$ ${\style d'affichage W_{32}}$

Afin d'augmenter , le niveau laser inférieur et les fonctions d'onde au niveau du sol sont conçus de telle sorte qu'ils aient un bon chevauchement et pour augmenter davantage, l'espacement d'énergie entre les sous-bandes est conçu de telle sorte qu'il soit égal au phonon optique longitudinal (LO) (~36 meV dans GaAs) de sorte que la diffusion résonante des phonons-électrons LO puisse rapidement dépeupler le niveau laser inférieur. ${\style d'affichage W_{21}}$ ${\style d'affichage W_{21}}$

Systèmes matériels

Le premier QCL a été fabriqué dans le système de matériaux GaInAs / AlInAs adapté en réseau à un substrat InP . Ce système matériel particulier a un décalage de bande de conduction (profondeur de puits quantique) de 520 meV . Ces dispositifs basés sur InP ont atteint des niveaux de performance très élevés dans la gamme spectrale de l' infrarouge moyen , atteignant une puissance élevée, au-dessus de la température ambiante, une émission d' ondes continues .

En 1998, les QCL GaAs / AlGaAs ont été démontrées par Sirtori et al. prouvant que le concept de CQ n'est pas limité à un seul système matériel. Ce système de matériaux a une profondeur de puits quantique variable en fonction de la fraction d'aluminium dans les barrières. Bien que les QCL à base de GaAs n'aient pas atteint les niveaux de performance des QCL à base d'InP dans l'infrarouge moyen, ils se sont avérés très efficaces dans la région térahertz du spectre.

La limite de courte longueur d'onde des QCL est déterminée par la profondeur du puits quantique et récemment, les QCL ont été développées dans des systèmes matériels avec des puits quantiques très profonds afin d'obtenir une émission à courte longueur d'onde. Le système de matériaux InGaAs/AlAsSb possède des puits quantiques de 1,6 eV de profondeur et a été utilisé pour fabriquer des QCL émettant à 3,05 m. Les QCL InAs/AlSb ont des puits quantiques de 2,1 eV de profondeur et une électroluminescence à des longueurs d'onde aussi courtes que 2,5 m a été observée.

Les QCL peuvent également permettre le fonctionnement au laser dans des matériaux traditionnellement considérés comme ayant de mauvaises propriétés optiques. Les matériaux à bande interdite indirecte tels que le silicium ont des énergies minimales des électrons et des trous à différentes valeurs de quantité de mouvement. Pour les transitions optiques interbandes, les porteurs changent de moment par un processus de diffusion lent et intermédiaire, réduisant considérablement l'intensité d'émission optique. Cependant, les transitions optiques intersous-bandes sont indépendantes de la quantité de mouvement relative des minima de bande de conduction et de bande de valence et des propositions théoriques pour les émetteurs à cascade quantique Si / SiGe ont été faites.

Longueurs d'onde d'émission

Les QCL couvrent actuellement la gamme de longueurs d'onde de 2,63 m à 250 m (et s'étend jusqu'à 355 m avec l'application d'un champ magnétique.)

Guides d'ondes optiques

Vue d'extrémité de la facette QC avec guide d'onde de crête. Gris plus foncé : InP, gris plus clair : couches QC, noir : diélectrique, or : revêtement Au. Crête ~ 10 um de large.

Vue en bout de la facette QC avec guide d'ondes à hétérostructure enterré. Gris plus foncé : InP, gris plus clair : couches QC, noir : diélectrique. Hétérostructure ~ 10 um de large

La première étape du traitement du matériau de gain en cascade quantique pour en faire un dispositif électroluminescent utile consiste à confiner le milieu de gain dans un guide d' ondes optique . Cela permet de diriger la lumière émise dans un faisceau collimaté et permet de construire un résonateur laser de telle sorte que la lumière puisse être recouplée dans le milieu à gain.

Deux types de guides d'ondes optiques sont couramment utilisés. Un guide d'ondes de crête est créé en gravant des tranchées parallèles dans le matériau de gain en cascade quantique pour créer une bande isolée de matériau QC, généralement d'environ 10 um de large et de plusieurs mm de long. Un matériau diélectrique est généralement déposé dans les tranchées pour guider le courant injecté dans la crête, puis toute la crête est généralement recouverte d'or pour fournir un contact électrique et aider à éliminer la chaleur de la crête lorsqu'elle produit de la lumière. La lumière est émise par les extrémités clivées du guide d'ondes, avec une zone active qui n'a généralement que quelques micromètres de dimension.

Le deuxième type de guide d'onde est une hétérostructure enterrée . Ici, le matériau QC est également gravé pour produire une crête isolée. Maintenant, cependant, un nouveau matériau semi-conducteur est développé sur la crête. Le changement d'indice de réfraction entre le matériau QC et le matériau envahi par la végétation est suffisant pour créer un guide d'ondes. Un matériau diélectrique est également déposé sur le matériau envahi par la végétation autour de la crête QC pour guider le courant injecté dans le milieu de gain QC. Les guides d'ondes à hétérostructure enterrés sont efficaces pour éliminer la chaleur de la zone active QC lorsque la lumière est produite.

Types de laser

Bien que le milieu de gain en cascade quantique puisse être utilisé pour produire une lumière incohérente dans une configuration superluminescente, il est le plus souvent utilisé en combinaison avec une cavité optique pour former un laser.

Lasers Fabry–Pérot

C'est le plus simple des lasers à cascade quantique. Un guide d'ondes optique est d'abord fabriqué à partir du matériau de cascade quantique pour former le milieu de gain. Les extrémités du dispositif semi-conducteur cristallin sont ensuite clivées pour former deux miroirs parallèles à chaque extrémité du guide d'ondes, formant ainsi un résonateur Fabry-Pérot . La réflectivité résiduelle sur les facettes clivées de l'interface semi-conducteur-air est suffisante pour créer un résonateur. Les lasers à cascade quantique Fabry-Pérot sont capables de produire des puissances élevées, mais sont généralement multimodes à des courants de fonctionnement plus élevés. La longueur d'onde peut être modifiée principalement en changeant la température du dispositif QC.

Lasers à rétroaction distribuée

Un laser à cascade quantique à rétroaction distribuée (DFB) est similaire à un laser Fabry-Pérot, à l'exception d'un réflecteur de Bragg distribué (DBR) construit au-dessus du guide d'ondes pour l'empêcher d'émettre à une longueur d'onde autre que souhaitée. Cela force le fonctionnement monomode du laser, même à des courants de fonctionnement plus élevés. Les lasers DFB peuvent être réglés principalement en changeant la température, bien qu'une variante intéressante de réglage puisse être obtenue en pulsant un laser DFB. Dans ce mode, la longueur d'onde du laser est rapidement « chirpée » au cours de l'impulsion, permettant un balayage rapide d'une région spectrale.

Lasers à cavité externe

Schéma du dispositif QC dans la cavité externe avec rétroaction optique sélective en fréquence fournie par le réseau de diffraction en configuration Littrow.

Dans un laser à cascade quantique à cavité externe (EC), le dispositif à cascade quantique sert de milieu de gain laser. L'une des facettes du guide d'ondes, ou les deux, possède un revêtement antireflet qui neutralise l'action de la cavité optique des facettes clivées. Les miroirs sont ensuite disposés dans une configuration externe au dispositif QC pour créer la cavité optique.

Si un élément sélectif en fréquence est inclus dans la cavité externe, il est possible de réduire l'émission laser à une seule longueur d'onde, voire d'accorder le rayonnement. Par exemple, des réseaux de diffraction ont été utilisés pour créer un laser accordable qui peut régler plus de 15 % de sa longueur d'onde centrale.

Dispositifs de réglage étendus

Il existe plusieurs méthodes pour étendre la plage de réglage des lasers à cascade quantique en utilisant uniquement des éléments intégrés de manière monolithique. Les éléments chauffants intégrés peuvent étendre la plage de réglage à température de fonctionnement fixe à 0,7 % de la longueur d'onde centrale et les réseaux de superstructure fonctionnant par effet Vernier peuvent l'étendre à 4 % de la longueur d'onde centrale, contre < 0,1 % pour un dispositif DFB standard.

Croissance

Les couches alternées des deux semi-conducteurs différents qui forment l' hétérostructure quantique peuvent être cultivées sur un substrat à l'aide de diverses méthodes telles que l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) ou l' épitaxie en phase vapeur métalorganique (MOVPE), également connue sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur métalorganique ( MOCVD).

Applications

Les lasers à cascade quantique Fabry-Perot (FP) ont été commercialisés pour la première fois en 1998, les dispositifs à rétroaction distribuée (DFB) ont été commercialisés pour la première fois en 2004, et les lasers à cascade quantique à cavité externe largement accordables ont été commercialisés pour la première fois en 2006. La puissance optique de sortie élevée, la plage de réglage et le fonctionnement à température ambiante rend les QCL utiles pour les applications spectroscopiques telles que la télédétection des gaz et polluants environnementaux dans l'atmosphère et la sécurité. Ils peuvent éventuellement être utilisés pour le régulateur de vitesse des véhicules dans des conditions de mauvaise visibilité , le radar anticollision , le contrôle des processus industriels et les diagnostics médicaux tels que les analyseurs d'haleine. Les QCL sont également utilisées pour étudier la chimie du plasma.

Lorsqu'elle est utilisée dans des systèmes à lasers multiples, la spectroscopie QCL intrapulse offre une couverture spectrale à large bande qui peut potentiellement être utilisée pour identifier et quantifier des molécules lourdes complexes telles que celles des produits chimiques toxiques, des explosifs et des médicaments.

Dans la fiction

Le jeu vidéo Star Citizen imagine des lasers à cascade quantique à cavité externe comme des armes de grande puissance.

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