Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

obszarów czynnych w postaci supersieci zmniejszony jestczłon η 2 τ 2 [3]. W tej sytuacji dolnym poziomem laserowym jestnajwyższa energia wewnątrz dolnego minipasma. Właśnieprzez obecność minipasma w obszarze czynnym, wstrzykiwanietam nośników jest bardzo mało prawdopodobne (małeη 2 ), dodatkowo wartość τ 2 jest bardzo mała przez bardzoefektywne rozpraszanie wewnątrzpasmowe. Wadą tych konstrukcjijest natomiast względnie niska wartość η 3 , w porównaniudo struktur 3QW.Obecnie najlepsze konstrukcje, posiadające optymalnewartości powyższych współczynników, to struktura z podwójnymrezonansem fononowym (two-phonon-resonance) oraz(bound-to-continuum). W pierwszej, dzięki dwustopniowejekstrakcji zmniejsza się znacznie czas życia nośników na dolnympoziomie laserowym. Wykorzystanie trzeciej studni, jakw konstrukcji 3QW, zwiększa skuteczność wstrzykiwania nagórny poziom laserowy. W drugiej, podobny efekt osiąga siędzięki lepszemu sprzężeniu dolnego poziomu laserowegoz następnym injektorem, które pozwala na szczególnie efektywneodprowadzanie nośników do minipasma. Skutecznośćwstrzykiwania nośników jest zaś porównywalna do tej dlastruktury 3QW [15].Zakres spektralny fal emitowanych przezlasery kaskadoweDługości emitowanych przez lasery kaskadowe fal mogą byćzmieniane poprzez odpowiednie zmiany szerokości studnii wysokości barier w obszarze aktywnym. Dzięki temu spektrumfal emitowanych przez te urządzenia jest bardzo szerokie.Ograniczeniem przedziału emitowanych fal od dołu jest wartośćnieciągłości pasma przewodnictwa ∆E c , jednak wartość tanie może być dowolna ze względu na zwiększone rozpraszanienośników do dolin X i L większych energii. Wartość tazwykle nie przekracza połowy ∆E c . Od strony fal długich ograniczeniestanowi rosnąca absorpcja na swobodnych nośnikachproporcjonalna do λ 2 . Szeroki zakres długości fal możliwy doosiągnięcia z konkretnego materiału pozytywnie wyróżnia laserykaskadowe na tle laserów bipolarnych, w przypadku którychzmiana długości fali wiąże się ze zmianą materiału, a tymsamym z koniecznością opracowania nowej technologii.Obecne lasery kaskadowe emitują światło w zakresie od3 do ok. 240 µm (rys. 5). Dalszą podczerwień emitują laseryna podłożu GaAs, w skład których wchodzą lasery terahercowe(λ > 60 µm). Oprócz tego GaAs QCL są równieżźródłem światła z zakresu 8...30 µm. Pierwsze wykonane laseryna InP działały na długości fali 4,2 µm, obecnie działająw zakresie 3,5...24 µm. Nieosiągalnym przez lasery kaskadowejest tzw. obszar Reststrahlen czyli promieniowania resztkowego.Związane jest to z bliskim jedności współczynnikiemodbicia i bardzo silnym pochłanianiem dla kryształów półprzewodnikowychw tym przedziale częstotliwości. Zjawisko tospowodowane jest oddziaływaniem podczerwieni z fononamigałęzi optycznej.W ostatnich latach miał miejsce bardzo duży postępw dziedzinie laserów z zakresu 3...4 µm. W ciągu ostatnichośmiu lat próbowano zejść poniżej granicy długości fali 3,5 µm[4]. 2006 r. przyniósł trzy różne podejścia do tego problemu.Pierwszym z nich jest laser InGaAs/AlAsSb na InP [5], drugito naprężona heterostruktura (Ga)InAs/Al(In)As na InP [6],zaś trzeci to laser InAs/AlSb na InP [7]. Właśnie trzecia strukturapozwoliła na uzyskanie generacji nieco poniżej 3 µm [8].W roku 2007 zademonstrowano pracę na rekordowej długościfali 2,7 µm [9]. Obszar czynny złożony był z warstw studnia/bariera- InAs/AlSb, zaś cały laser zbudowany został napodłożu InAs.Dalsze badania nad laserami z zakresu fal krótkich będąwymagały wykorzystania materiałów o większej przerwieenergetycznej, takich jak heterostruktura GaN/Al x Ga 1-x N lubzwiązków II-VI. Lasery GaN/Al x Ga 1-x N będą mogły emitowaćfale z zakresu 1,52...4,2 µm [10]. Obecnie rozwój w tym kierunkuutrudniony jest przez jeszcze niedojrzałą technologięotrzymywania tych materiałów.Zastosowanie laserów kaskadowychLasery kaskadowe ze względu na zakres długości emitowanychfal znalazły oraz znajdą bardzo szerokie zastosowaniew rozmaitych branżach. Mogą one być wykorzystywane w takichdziedzinach jak telekomunikacja, spektroskopia, medycynaoraz wojsko i bezpieczeństwo publiczne.W zakresie telekomunikacji lasery kaskadowe mogą okazaćsię bardzo przydatne z powodu emitowania fal z zakresuatmosferycznych okien optycznych wykorzystywanych przezkomunikację w wolnej przestrzeni. Pierwsze okno znajduje sięw przedziale długości fal 3...5 µm, zaś drugie okno znajdujesię w przedziale 8...14 µm (rys. 6).Lasery kaskadowe emitujące w tym zakresie oraz systemyodbiorcze wykorzystujące bardzo szybkie detektory, będąmogły stać się podstawą układów komunikacyjnych z bardzoszybkim przesyłem danych. Przykładem są układy do komunikacjiz satelitami, gdzie używa się fal z zakresu bliskiej pod-Rys. 5. Zakres spektralny długości fal emitowanych przez laserykaskadowe oraz maksymalne temperatury w jakich one pracują.Dane pochodzą z roku 2007Fig. 5. The spectral range covered by quantum cascade lasers andmaximum operating temperatures. Data are as of the year 2007Rys. 6. Transmisja fal elektromagnetycznych dla atmosfery orazdwa okna optyczne przy 3...5 µm i 8...14 µmFig. 6. Electromagnetic transmission through the atmosphere. Notetwo transmission windows at 3...5 µm and 8...14 µm32 ELEKTRONIKA 5/2009