Laser em cascata interband - Interband cascade laser
Lasers em cascata entre bandas (ICLs) são um tipo de diodo laser que pode produzir radiação coerente em uma grande parte da região do infravermelho médio do espectro eletromagnético . Eles são fabricados a partir de heteroestruturas semicondutoras de crescimento epitaxial compostas por camadas de arseneto de índio (InAs), antimoneto de gálio (GaSb), antimoneto de alumínio (AlSb) e ligas relacionadas. Esses lasers são semelhantes aos lasers em cascata quântica (QCLs) de várias maneiras. Como os QCLs, os ICLs empregam o conceito de engenharia de estrutura de banda para obter um design de laser otimizado e reutilizar elétrons injetados para emitir vários fótons. No entanto, em ICLs, os fótons são gerados com transições entre bandas , em vez das transições entre bandas usadas em QCLs. Consequentemente, a taxa na qual as portadoras injetadas na sub-banda de laser superior relaxam termicamente para a sub-banda inferior é determinada pela recombinação de portadora Auger interband, radiativa e Shockley-Read . Esses processos ocorrem normalmente em uma escala de tempo muito mais lenta do que as interações de fônons ópticos longitudinais que medeiam o relaxamento intersubband de elétrons injetados em QCLs de infravermelho médio. O uso de transições entre bandas permite que a ação do laser em ICLs seja alcançada em potências de entrada elétrica mais baixas do que é possível com QCLs.
O conceito básico de uma ICL foi proposto por Rui Q. Yang em 1994. A principal conclusão que ele teve foi que a incorporação de uma heteroestrutura do tipo II semelhante àquelas usadas em diodos de tunelamento ressonantes interbandas facilitaria a possibilidade de lasers em cascata que usam interband transições para geração de fótons. O aperfeiçoamento do projeto e desenvolvimento da tecnologia foi realizado por Yang e seus colaboradores em várias instituições, bem como por grupos no Laboratório de Pesquisa Naval e outras instituições. ICLs lasing em modo de onda contínua (cw) em temperatura ambiente foram demonstrados pela primeira vez em 2008. Esse laser tinha um comprimento de onda de emissão de 3,75 μm. Posteriormente, a operação cw de ICLs à temperatura ambiente foi demonstrada com comprimentos de onda de emissão variando de 2,9 μm a 5,7 μm. Os ICLs em temperaturas mais frias foram demonstrados com comprimentos de onda de emissão entre 2,7 μm a 11,2 μm. ICLs operando no modo cw à temperatura ambiente são capazes de obter lasing em potências de entrada muito mais baixas do que as tecnologias de laser de semicondutor de infravermelho médio concorrentes.
Teoria de Operação
Em um laser de poço quântico múltiplo padrão , os poços quânticos ativos usados para gerar fótons são conectados em paralelo. Consequentemente, uma grande corrente é necessária para reabastecer cada poço ativo com elétrons conforme ele emite luz. Em um laser em cascata, os poços são conectados em série, o que significa que a voltagem é maior, mas a corrente é menor. Essa compensação é benéfica porque a potência de entrada dissipada pela resistência em série do dispositivo , R s , é igual a I 2 R s , onde I é a corrente elétrica fluindo através do dispositivo. Assim, a corrente mais baixa em um laser em cascata resulta em menos perda de potência da resistência em série do dispositivo. No entanto, dispositivos com mais estágios tendem a ter pior desempenho térmico, uma vez que mais calor é gerado em locais mais distantes do dissipador . O número ideal de estágios depende do comprimento de onda, do material usado e de vários outros fatores. A otimização desse número é guiada por simulações, mas, em última análise, determinada empiricamente pelo estudo do desempenho do laser experimental.
ICLs são fabricados a partir de heteroestruturas semicondutoras crescidas usando epitaxia de feixe molecular (MBE). Os materiais usados na estrutura são InAs, GaSb, AlSb e ligas relacionadas. Esses três materiais binários são muito parecidos com os parâmetros da rede próximos a 6,1 Å. Assim, esses materiais podem ser incorporados juntos na mesma heteroestrutura sem introduzir uma quantidade significativa de deformação . O crescimento do MBE é normalmente feito em um substrato GaSb ou InAs.
Toda a estrutura epitaxial consiste em vários estágios de cascata que são ensanduichados entre duas camadas de confinamento separadas (SCLs), com outros materiais envolvendo os SCLs para fornecer revestimento óptico . Além de produzir luz, a estrutura epitaxial em camadas também deve atuar como um guia de ondas para que os estágios em cascata ampliem os modos ópticos guiados.
Cascade Stage Design
Em cada estágio da cascata, as camadas finas de InAs atuam como camadas de poço quântico confinado (QW) para elétrons e barreiras para buracos . As camadas de GaSb (ou GaInSb) atuam inversamente como QWs para buracos e barreiras para elétrons, enquanto as camadas de AlSb servem como barreiras para elétrons e buracos. A principal característica que permite a realização da cascata dentro de um diodo entre bandas é o chamado "tipo II", ou gap quebrado, alinhamento de banda entre InAs e GaSb. Enquanto na classe mais comum de QWs do tipo I, tanto os elétrons quanto os buracos estão confinados na mesma camada de material, o sistema InAs-GaSb é do tipo II porque a banda de condução mínima de InAs está em uma energia inferior à da banda de valência máxima de GaSb. Esse arranjo menos comum torna mais fácil reinjetar elétrons da banda de valência de um estágio do ICL na banda de condução do próximo estágio por meio de espalhamento elástico simples .
Cada estágio em cascata atua efetivamente como um gerador individual de fótons. Um único estágio é composto por um injetor de elétrons, um injetor de orifício e uma região de ganho ativa que consiste em um QW de orifício e um ou dois QWs de elétrons. Quando o dispositivo é polarizado, o excesso de elétrons e buracos são gerados e fluem para a região ativa , onde se recombinam e emitem luz. A fim de minimizar as perdas ópticas na interface semimetálica que forma a fronteira entre o elétron e os injetores de buraco, uma camada de AlSb é colocada entre as camadas InAs e GaSb para evitar a reabsorção entre bandas dos fótons gerados.
Uma região ativa típica emprega a chamada configuração de poço quântico "W". Neste projeto, o buraco GaInSb QW é imprensado entre dois elétrons QWs de InAs, que por sua vez são cercados por duas camadas de barreira de AlSb. Este arranjo maximiza o ganho óptico aumentando a sobreposição espacial entre as funções de onda de elétron e buraco que são nominalmente separadas em camadas diferentes. O comprimento de onda de laser, conforme determinado pelo intervalo de banda criado entre o elétron do estado fundamental e os níveis de energia do buraco, pode ser variado simplesmente alterando a espessura QW do elétron InAs (embora seja muito menos sensível à espessura QW do buraco).
As duas regiões injetoras são projetadas para transferir com eficiência seus portadores homônimos (elétrons ou lacunas) da interface semimetálica para a região ativa. Eles também devem funcionar como barreiras retificadoras para o tipo oposto de portador, a fim de evitar correntes de fuga entre estágios. O injetor total (injetor de elétrons mais injetor de orifício) também deve ser suficientemente espesso no geral para evitar que os campos elétricos formados sob polarização se tornem grandes o suficiente para induzir a quebra dielétrica do material. O injetor de elétrons é geralmente feito mais longo por causa da taxa de espalhamento entre poços relativamente rápida dos elétrons em comparação com os buracos. Isso garante uma contribuição de resistência em série menor do transporte total do injetor. O injetor de orifício é composto de poços quânticos GaSb / AlSb. Ele é feito apenas espesso o suficiente (normalmente com apenas um ou dois poços) para garantir a supressão eficaz do tunelamento de elétrons da região ativa para o injetor de elétrons do próximo estágio. O injetor de elétrons normalmente consiste em uma série mais longa de poços quânticos InAs / AlSb. Para maximizar a largura da minibanda da superrede InAs / AlSb, as espessuras da camada InAs são variadas ao longo do injetor para que suas energias de estado fundamental quase se alinhem quando o dispositivo é polarizado. As lacunas de energia do poço quântico no injetor devem ser grandes o suficiente para impedir a reabsorção dos fótons gerados pelos poços quânticos ativos.
Um recurso adicional que diferencia o ICL de todos os outros diodos laser é o seu fornecimento para operação com bombeamento elétrico sem uma junção PN . Isso é possível porque os injetores funcionam como barreiras retificadoras que mantêm a corrente fluindo em uma única direção. No entanto, é altamente vantajoso dopar certas camadas em cada estágio da cascata como um meio de controlar o elétron ativo e as densidades de lacunas, por meio de uma técnica de design chamada "rebalanceamento de portadora". Enquanto a combinação mais favorável de populações de elétrons e lacunas depende das forças relativas de vários processos de absorção de portadores livres e recombinação Auger, os estudos feitos até agora indicam que o desempenho de ICL é ideal quando no limiar as duas concentrações são aproximadamente iguais. Uma vez que a população de lacunas tende a exceder substancialmente a população de elétrons em ICLs não dopados ou moderadamente dopados, o rebalanceamento da portadora é obtido por dopagem forte do injetor de elétrons (normalmente, com Si ) de modo a adicionar elétrons aos QWs ativos.
Guia de ondas óptico
O ganho dentro de um determinado guia de ondas necessário para atingir o limite de laser é dado pela equação:
onde α wg é a perda do guia de ondas, α mirr é a perda do espelho e Γ é o fator de confinamento óptico. A perda do espelho se deve aos fótons que escapam pelos espelhos do ressonador óptico . As perdas do guia de ondas podem ser devido à absorção no confinamento ativo, separado, materiais de revestimento óptico e contatos de metal (se os revestimentos não forem grossos o suficiente), ou resultar de espalhamento nas paredes laterais da crista. O fator de confinamento é aquela porcentagem da energia óptica concentrada nos estágios da cascata. Tal como acontece com outros lasers semicondutores, os ICLs têm uma compensação entre a perda óptica no guia de onda e Γ. O objetivo geral do projeto de guia de ondas é encontrar a estrutura adequada que minimize o ganho de limiar.
A escolha do material do guia de ondas depende do substrato usado. Para ICLs cultivadas em GaSb, as camadas separadas de confinamento são tipicamente de fraca dopagem GaSb enquanto as camadas de revestimento ópticos são InAs / ALSB superredes treliça, adequadas ao substrato GaSb. O revestimento inferior deve ser bastante espesso para evitar vazamento do modo guiado no substrato, uma vez que o índice de refração de GaSb (cerca de 3,8) é maior do que o índice efetivo do modo de laser (normalmente 3,4-3,6).
Uma configuração de guia de onda alternativa que é adequada para o crescimento em substratos InAs usa InAs altamente n- dopado para o revestimento óptico. A alta densidade de elétrons nesta camada diminui o índice de refração de acordo com o modelo de Drude . Nesta abordagem, a estrutura epitaxial é cultivada em um substrato de InAs tipo n e também utiliza InAs para as camadas de confinamento separadas. Para operação de comprimento de onda mais longo, as vantagens incluem a condutividade térmica muito maior de InAs em massa em comparação com uma superrede de InAs / AlSb de curto período, bem como uma camada de revestimento muito mais fina devido ao seu maior índice de contraste com a região ativa. Isso reduz o tempo de crescimento do MBE e também melhora ainda mais a dissipação térmica. No entanto, o guia de ondas deve ser projetado com cuidado para evitar a perda excessiva de absorção de transportador livre nas camadas fortemente dopadas.
Status Atual de Desempenho ICL
ICLs emitindo a 3,7 um operaram no modo cw até uma temperatura máxima de 118 ° C. Uma potência de saída cw máxima de quase 0,5 W foi demonstrada à temperatura ambiente, com 200-300 mW em um feixe quase limitado por difração . Uma eficiência máxima da tomada de parede cw à temperatura ambiente de quase 15% também foi alcançada. Enquanto os QCLs normalmente requerem energia elétrica de entrada de quase 1 W ou mais para operar em temperatura ambiente, os ICLs são capazes de fornecer energia de entrada tão baixa quanto 29 mW devido à vida útil muito mais longa da portadora interband. A operação cw à temperatura ambiente com baixas potências dissipadas pode ser alcançada para comprimentos de onda entre aproximadamente 3,0 um e 5,6 um.
A figura à direita mostra as características de desempenho dos lasers em cascata entre bandas de guia de onda estreito em temperatura ambiente operando no modo cw. Especificamente, a figura mostra gráficos da quantidade de energia emitida por lasers com diferentes larguras de cristas para uma determinada corrente de injeção. Cada um desses lasers tinha cinco estágios em cascata e comprimentos de cavidade de 4 mm. Esses lasers foram montados de forma que a parte superior da estrutura epitaxial (em vez do substrato) ficasse em contato com o dissipador de calor de cobre (normalmente referido como uma configuração com o lado epitaxial voltado para baixo) para obter a dissipação de calor ideal. Além disso, eles foram fabricados com paredes laterais onduladas. A corrugação da parede lateral reduz as perdas ópticas, garantindo que menos fótons sejam gerados nos modos ópticos de ordem superior que são mais suscetíveis a perdas por espalhamento óptico.
Formulários
Lasers de infravermelho médio são ferramentas importantes para aplicações de detecção espectroscópica . Muitas moléculas , como as da poluição e dos gases de efeito estufa, têm fortes ressonâncias rotacionais e vibracionais na região do infravermelho médio do espectro. Para a maioria das aplicações de detecção, o comprimento de onda do laser também deve estar dentro da janela atmosférica para evitar a atenuação do sinal.
Um requisito importante para este tipo de aplicação é que a emissão monomodo seja obtida. Com ICLs, isso pode ser feito criando lasers de feedback distribuídos . Um ICL de feedback distribuído, projetado para a excitação de gás metano , foi desenvolvido no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA e incluído como um instrumento no espectrômetro de laser sintonizável no rover Curiosity que foi enviado para explorar o ambiente de Marte. Um ICL de feedback distribuído mais recente emitiu até 27 mW em um único modo espectral a 3,79 μm quando operado a 40 ° C e 1 mW para operação a 80 ° C.