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

Rys. 13. Schematyczna struktura energetyczna pierwszego lasera zośrodkiem czynnym typu bound-to-continuumFig. 13. Band diagram of the first bound-to-continuum quantumcascade laserpłynnie w obszarze aktywnym. Górny poziom laserowy jestdobrze oddzielony od stanów leżących nad nim w supersieci,dzięki czemu nie musi być ograniczany poprzez podział strukturyna obszar aktywny oraz injector i obszar relaksacyjny.Dzięki temu oddzieleniu (60 meV), skuteczność wstrzykiwaniana górny poziom nie jest zmniejszana przez wstrzykiwanie nawyższe stany energetyczne w supersieci. Otrzymana strukturama podobnie jak poprzednia bardzo dobrą sprawnośćwstrzykiwania nośników oraz szybkość relaksacji, co dajew wyniku bardzo dobre właściwości cieplne oraz niskie prądyprogowe. Ze względu na „rozszerzony” dolny poziom laserowy,spektrum emisji tych laserów jest nieco szersze niżw pozostałych przypadkach. Opisana konstrukcja obszaruczynnego umożliwia emisję o długości fali nawet do 16 µm[32]. Wykorzystując rezonator DFB, udało się otrzymać pracęCW dla długości fali λ = 5,4 µm [33]. Laser działał do temperatury30°C i wówczas gęstość prądu progowego wynosiła2,05 kA/cm 2 , zaś emitowana wiązka miała moc 0,35 mW.Lasery na podłożu InPFosforek indu był podłożem pierwszych laserów kaskadowych.Materiały wykorzystywane w tych laserach to głównieIn x Ga 1-x As oraz In x Al 1-x As, które pełnią funkcje falowodóworaz claddingów. Z powyższych materiałów wytwarzane sąrównież obszary czynne. Pomimo, że pierwsze tunelowaniepomiędzy studniami kwantowymi zostało zaobserwowane dlamateriałów GaAs/AlAs, to pierwsze konstrukcje laserów wykonanoprzy wykorzystaniu GaInAs/AlInAs. Materiały te zostaływykorzystane z dwóch powodów. Pierwszym powodemsą wartości nieciągłości pasma przewodnictwa ∆E c , któraokreśla zakres spektralny, a dokładniej ogranicza go od dołu.Dla tej konfiguracji ∆E c wynosi około 520 meV [34], co odpowiadafali o długości ok. 2,39 µm. Natomiast drugim parametremjest masa efektywna, która determinuje grubośćstudni dla której może mieć miejsce emisja o określonejdługości fali. Względnie mała masa nośników w tego typu laserachuniemożliwia pracę na większych długościach fal, ponieważabsorpcja na swobodnych nośnikach zależy odwrotnieproporcjonalnie do masy efektywnej. Oba te parametry były istotnedo otrzymania pierwszego lasera kaskadowego emitującegofalę o długości 4,2 µm. Ta długość fali jest najkrótsząosiągniętą w układzie GaInAs/AlInAs. Warto zaznaczyć, żepodłoże InP ma dużą przewodność cieplna wynoszącąk = 68 W/mK [35].Ze względu na masę efektywną oraz fakt, że absorpcja naswobodnych nośnikach zależy od kwadratu długości fali, to laseryna tym podłożu nie są przeznaczone do emisji fal o zbytdużej długości. Z tych materiałów nie zostały wytworzone laseryterahercowe, jednak mogą one emitować długość fali nawet do24 µm [36]. Ze względu na to, że współczynnik załamania InPjest mniejszy niż obszaru czynnego zbudowanego na bazie In-GaAs/InAlAs, może on być używany jako warstwa claddingowa,bez nadmiernego domieszkowania, co dodatkowo zmniejszastraty optyczne w tych warstwach. Kolejną ważną cechą laserówna podłożu InP jest możliwość konstruowania na bazie tegomateriału laserów typu buried-heterostructure (z zagrzebaną heterostrukturą).Lasery takie mają znacznie lepsze własnościcieplne od standardowych laserów typu ridge waveguide (z falowodemgrzbietowym), a dzięki mniejszym stratom optycznymmoc emitowana z tych laserów jest znacznie większa [37].Od czasu zbudowania pierwszego lasera kaskadowego w1994 r., urządzenia na podłożu InP poczyniły olbrzymiepostępy. Ważnym krokiem naprzód było osiągniecie pracyCW w temperaturach pokojowych w roku 2001 [44]. Obecnielasery zbudowane na tym podłożu w pracy impulsowej emitująświatło nawet o średniej mocy 0,85 W [38], zaś mocy szczytowej7 W [39]. Obecne osiągi laserów pracujących w pracyCW zwykle nie przekraczają 200 mW w temperaturach pokojowych.Są jednak źródła, w których opisane są lasery o bardzodużej emitowanej mocy nawet dla pracy CW [40].Wartości tych mocy to 750 mW (300K), ponad 1 W (poniżej200K) oraz 1,4 W dla temperatury otoczenia 80K. Osiągniętoto przy względnie dużych, jak na te konstrukcje sprawnościachodpowiednio 5, 10; 10 i 18%.Lasery na podłożu GaAsLasery kaskadowe na podłożu GaAs pojawiły się w 1998 r.,kiedy to zespół C. Sirtoriego zbudował pierwszy laser tego typu[41]. Pomyślnie zakończone prace nad tym laserem potwierdziłyprzypuszczenie, że lasery kaskadowe mogą być wykonanerównież dla innych grup materiałów. Pomimo, żetechnologia GaAs była znacznie bardziej dojrzała niż InP, laseryte zostały wytworzone później z kilku powodów wynikającychz cech fizycznych tej grupy materiałów. Jednymz nich jest fakt, że współczynnik załamania GaAs jest niewieleniższy niż obszaru czynnego. Nie nadaje się on, więc na materiałcladdingowy, zaś poprzez wprowadzenie warstw AlGaAs,które mają niską przewodność elektryczną, znacznie zwiększamyspadek napięcia w całym laserze, co przy wysokichprądach progowych daje bardzo dużo wydzielonej mocy. Bardzoduży prąd progowy w pierwszych laserach wykonanychna tym podłożu brał się też z faktu, że duża cześć nośnikówuciekała do kontinuum, przez co spadała inwersja obsadzeń.Obszary czynne GaAs/AlGaAs w tych laserach możnamodyfikować przede wszystkim pod względem zawartości Alw barierach. Dla pierwszej konstrukcji zawartość Al w barierachwynosiła 33%. Powodowało to bardzo łatwą ucieczkęelektronów do kontinuum, co skutkowało bardzo wysokimiprądami progowymi. Zwiększanie zawartości Al w barierachpowoduje wzrost różnicy energetycznej pomiędzy górnym poziomemlaserowym a kontinuum. Optymalnym składem jestAlGaAs z 45% Al. Powyżej tej wartości w studni pojawiają siędoliny X oraz L, których obecność zmniejsza inwersję obsadzeń.Nieciągłość pasma przewodnictwa dla 33% Al w barierzewynosi 295 meV i ze wzrostem zawartości Al rośnie,osiągając 1 eV przy barierze AlAs. Dodatkowo, wraz zewzrostem zawartości Al, poprawia się znacznie zależnośćprądu progowego od temperatury [42].36 ELEKTRONIKA 5/2009