양자 캐스케이드 레이저

양자 캐스케이드 레이저(QCLs)는 전자기 스펙트럼의 중·원적외선 부분에서 방출되는 반도체 레이저로 1994년 벨 연구소에서 제롬 파이스트, 페데리코 카파소, 데보라 시브코, 카를로 시토리, 알버트 허친슨, 알프레드 조가 처음 시연했다.^[1]

재료 대역 간극을 가로질러 전자-홀 쌍의 재조합을 통해 전자기 방사선을 방출하는 일반적인 인터밴드 반도체 레이저와 달리 QCL은 단극이며, 아이디어 첫 번째 프로포(propo)인 반도체 다중 양자 이질 구조의 반복 스택에서 서브밴드 간 전환의 사용을 통해 레이저 방출이 달성된다.1971년 R.F.카자리노프와 R.A.수리스가 작성한 "초기파 반도체에서의 전자파 증폭 가능성" 논문에서 sed.^[2]

Intersubband vs.

기존 반도체 레이저의 인터밴드 전환은 단일 광자를 방출한다.

벌크 반도체 결정 내에서 전자는 두 개의 연속 에너지 대역 중 하나인 낮은 에너지 전자로 많이 채워지는 발란스 대역과 높은 에너지 전자로 희박하게 채워지는 전도 대역에서 상태를 차지할 수 있다. 두 에너지 대역은 전자가 점유할 수 있는 허용 상태가 없는 에너지 대역 갭에 의해 분리된다. 기존의 반도체 레이저 다이오드는 전도 대역의 고에너지 전자가 발랑스 대역의 구멍과 재결합할 때 단일 광자가 방출되어 빛을 발생시킨다. 따라서 광자의 에너지와 따라서 레이저 다이오드의 방출 파장은 사용된 재료 시스템의 밴드 갭에 의해 결정된다.

그러나 QCL은 광학적으로 활성화된 지역에서 벌크 반도체 재료를 사용하지 않는다. 대신에 그것은 초유래성을 형성하는 다양한 재료 구성의 일련의 얇은 층들로 구성되어 있다. 초박막은 소자의 길이에 걸쳐 다양한 전위를 도입하는데, 이는 소자의 길이에 걸쳐 전자가 서로 다른 위치를 점유할 확률은 다양하다는 것을 의미한다. 이를 1차원 다중 양자 우물 구속이라고 하며, 허용된 에너지 대역을 다수의 이산형 전자 서브밴드(subband)로 분할한다. 레이어 두께의 적절한 설계를 통해 레이저 방출을 달성하기 위해 필요한 시스템 내 두 서브밴드 사이의 모집단 역전을 설계할 수 있다. 시스템 내 에너지 레벨의 위치는 재료가 아닌 층 두께에 의해 주로 결정되기 때문에 동일한 재료 시스템에서 광범위한 범위에 걸쳐 QCL의 방출 파장을 조정할 수 있다.

양자 캐스케이드 구조에서는 전자가 서브밴드 간 전환을 거치고 광자가 방출된다. 구조물의 다음 시기로 가는 전자의 터널과 과정이 반복된다.

또한 반도체 레이저 다이오드에서는 대역 간극을 재조합한 후 전자와 홀이 전멸되어 광자 생성에 더 이상 관여할 수 없다. 그러나 단극 QCL에서는 전자가 한 번 서브밴드 간 전환을 거치고 초광자의 한 기간에 광자를 방출하면 다른 광자를 방출할 수 있는 구조물의 다음 시기로 터널을 뚫을 수 있다. 단일 전자가 QCL 구조를 통과할 때 다중 광자의 방출이 발생하는 이 과정은 캐스케이드라는 이름을 갖게 하고, 단일성 이상의 양자 효율을 가능하게 하여 반도체 레이저 다이오드보다 높은 출력 파워로 이어진다.

작동 원리

비율 방정식

서브밴드 모집단은 서브밴드 간 산란율과 주입/추출 전류에 의해 결정된다.

QCL은 일반적으로 3단계 시스템에 기초한다. ^[3] 파형 기능 형성이 상태 간의 산란과 비교하여 빠른 프로세스라고 가정하면 슈뢰딩거 방정식에 대한 시간 독립 솔루션을 적용할 수 있고 속도 방정식을 사용하여 시스템을 모델링할 수 있다. 각 서브밴드에는 수 $\tau _{if}$ 전자 $n_{i}$ $n_{i}$ ${\$ $i$ 서 i $i$ 은 $i$ (여기서는 i {\ $displaystyle \tau$ $_{if$ $})$ 가 포함되어 있으며, $W_{if}$ 여기서 $i$ 는 ${\displate$ $W_{if}$ 서브밴드 간 산란율 W $W_{if}$ ${$ procale $}$ 인 레벨 사이에 산란된다. $aystyle i}$ 및 $i$ $f$ $f$ 은 $f$ (는) 초기 및 최종 서브밴드 색인이다. 다른 서브밴드가 채워지지 않는다고 가정할 때, 3레벨 레이저의 속도 방정식은 다음을 통해 제공된다.

{\displaystyle {\frac {\mathrm {d}n_{3}{\mathrm {d}t}=I_{\mathrm{in}}+{\frac {n_{1}{{13}}+{\frac {n_{2}}:{{23}-{n_{3}-{31}-{\frac{n_{3}}-{\frac{n_{3}}}}-{{32}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}:{\frac {\frac {\frac {\frac

{\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} }

안정상태에서 시간파생물은 0과 같고 $I_{\mathrm {in} }=I_{\mathrm {out} }=I$ = $I_{\mathrm {in} }=I_{\mathrm {out} }=I$ $I_{\mathrm {in} }=I_{\mathrm {out} }=I$ $I_{\mathrm {in} }=I_{\mathrm {out} }=I$ t $I_{\mathrm {in} }=I_{\mathrm {out} }=I$ = $I_{\mathrm {in} }=I_{\mathrm {out} }=I$ $I_{\mathrm {in} }=I_{\mathrm {out$ 따라서 N 레벨 시스템의 서브밴드 i에서 전자에 대한 일반 속도 방정식은 다음과 같다.

{\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})

,

흡수 공정을 무시할 수 있다는 가정 하에( ${\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}=0$ , n ${\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}=0$ ${\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}=0$ ${\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}=0$ = n ${\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}=0$ ${\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}=0$ ${\frac {n_{1}}{\tau _{12}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}=0$ = 0 ${\frac {{n_{1}:{12}}={12}}={\frac{n_{$ 2}}}}}={{ $n_{23}}=0$ 저온에서 유효) 중간 비율 방정식은 다음과 같다.

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

따라서 $\tau _{32}>\tau _{21}$ $\tau _{32}>\tau _{21}$ > $\tau _{32}>\tau _{21}$ $\tau _{32}>\tau _{21}$ ${\$ 21}( $W_{21}>W_{32}$ , $W_{21}>W_{32}$ W $W_{21}>W_{32}$ > W $W_{21}>W_{32}$ {\ $displaystyle W_{$ 21}) $\tau _{32}>\tau _{21}$ 인 경우 $W_{32}}$ ) 다음에 $n_{3}>n_{2}$ 3 $n_{3}>n_{2}$ > $n_{3}>n_{2}$ $n_{3}>n_{2}$ ${\$ 2}} $인구$ 가 존재하며, 인구 $n_{3}>n_{2}$ 역전이 존재할 것이다. 인구 비율은 다음과 같이 정의된다.

{{\frac{n_{3}}{n_{2}}={\frac {\tau_{32}}}{{21}}}}{\frac {W_{32}}}}}}}}}}}}}}}}}}{{32}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

N개의 정상 상태 속도 방정식을 모두 합하면 오른손은 0이 되는데, 이는 시스템이 충분히 결정되지 않았다는 것을 의미하며, 각 서브밴드의 상대 모집단만 찾을 수 있다. 시스템에서 $N_{\mathrm {2D} }$ 캐리어 $N_{\mathrm {2D} }$ $N_{\mathrm {2D} }$ ${\$ 의 총 시트 밀도도 알려진 경우, 각 서브밴드 내 캐리어 절대 모집단을 다음을 사용하여 결정할 수 있다.

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

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

=

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

N

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

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

=

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

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

D

{\

근사치로, 시스템의 모든 캐리어가 도핑에 의해 공급된다고 가정할 수 있다. 도판트종이 무시할 수 있는 이온화 에너지를 가지고 있다면 N $N_{\mathrm {2D} }$ $N_{\mathrm {2D} }$ ${\$ 은 도핑 밀도와 거의 같다 $N_{\mathrm {2D} }$ .

전자파 함수는 3개의 양자 우물 QCL 활성 영역의 각 기간에 반복된다. 상단 레이저 레벨은 굵게 표시된다.

활성 영역 설계

산란 속도는 서브밴드의 전자파 기능을 결정하는 수퍼래티스 내 층 두께의 적절한 설계에 의해 맞춤화된다. 두 서브밴드 사이의 산란율은 파동함수의 중복과 서브밴드 사이의 에너지 간격에 크게 좌우된다. 그림은 3개의 양자 우물(3QW) QCL 활성 영역과 인젝터에서 파동 기능을 보여준다.

W $W_{32}$ W ${\$ 을(를) 줄이기 위해 레이저 상부와 하부의 중첩을 줄인다 $W_{32}$ 이는 종종 상부 레이저 레벨이 대부분 3QW 활성 영역의 왼쪽 웰에 국부화되도록 레이어 두께 설계를 통해 달성되는 반면, 하단 레이저 레벨 파형 기능은 대부분 중앙 및 오른쪽 웰에 위치하도록 만들어진다. 이것은 대각선 전환이라고 알려져 있다. 수직 전환은 주로 중앙 및 우측 웰에 상부 레이저 레벨이 국부적으로 배치되는 전환이다. 이렇게 하면 중복이 증가하여 W ${\$ 모집단의 역전을 감소시키지만 $W_{32}$ 복사 전환의 강도가 증가하여 이득이 증가한다.

$W_{21}$ $W_{21}$ ${\$ 스타일 $W_{21$ 를 증가시키기 위해 하단 레이저 레벨과 지면파 기능을 중복이 잘 되도록 설계하고, $W_{21}$ {\ $디스플레이$ 스타일 $W_{21}$ 더 증가시키기 $W_{21}$ 위해 서브밴드 사이의 에너지 간격은 종방향 광학(LO) 음소와 같도록 설계한다.rgy(GaAs에서 약 36 meV)를 사용하여 공명 LO 음소 전자 산란으로 인해 레이저 하위가 빠르게 감소할 수 있다.

재료 시스템

첫 번째 QCL은 InP 기질에 일치하는 GaInAs/AlInAs 재료 시스템에서 제작되었다.^[1] 이 특정 재료 시스템은 520mV의 전도 대역 오프셋(수량 웰 깊이)을 가지고 있다. 이러한 InP 기반 장치는 중간 적외선 스펙트럼 범위에 걸쳐 매우 높은 성능 수준에 도달하여 상온의 연속파 방출 이상의 높은 출력을 달성했다.^[4]

1998년에 Sirtori 등에서는 QC 개념이 하나의 재료 시스템으로 제한되지 않는다는 것을 증명하여 GaAs/AlGaAs QCLs를 시연하였다.^[5] 이 재료 시스템은 장벽의 알루미늄 분율에 따라 양자 웰 깊이가 달라진다.^{[citation needed]} GaAs 기반 QCL은 중간적외선에서의 InP 기반 QCL의 성능 수준과 일치하지 않았지만, 주파수의 테라헤르츠 영역에서 매우 성공적인 것으로 입증되었다.^[6]

QCL의 단파장 한계는 양자 우물의 깊이에 의해 결정되며, 최근에는 단파장 방출을 달성하기 위해 양자 우물이 매우 깊은 물질 시스템에서 QCL이 개발되고 있다. InGaAs/AlAsSb 재료 시스템은 양자 웰 1.6 eV 깊이를 가지며 3.05 μm에서 방출되는 QCL을 제작하는 데 사용되어 왔다.^[7] InAs/^[8]AlSb QCL은 양자 웰 2.1 eV 깊이를 가지며 2.5 μm의 짧은 파장에서 전기 발광이 관찰되었다.

QCL은 또한 전통적으로 광학적 특성이 좋지 않다고 여겨지는 재료에서 레이저 작동을 허용할 수 있다. 실리콘과 같은 간접 밴드갭 소재는 모멘텀 값이 다른 최소 전자와 구멍 에너지를 갖는다. 대역 간 광학 전환의 경우 캐리어가 느린 중간 산란 과정을 통해 모멘텀을 변화시켜 광학 방출 강도를 획기적으로 감소시킨다. 그러나 서브밴드 간 광전환은 전도대역 및 발랑대역 미니마의 상대적 모멘텀과는 무관하며, Si/SiGe 양자 캐스케이드 방출체에 대한 이론적 제안이 이루어졌다.^[9] 비극성 SiGe 이질 구조에서 발생하는 서브밴드 간 전기 발광은 발랑스와^[10]^[11]^[12] 전도 대역 모두에서 중간 적외선과 원적외선 파장에 대해 관찰되었다.^[13]

방출 파장

QCL은 현재 2.63μm ~ 250μm의 파장 범위를 커버한다(자기장을 적용하면 355μm까지 확장).^{[citation needed]}

광학 도파관

능선 도파관이 있는 QC 전면의 끝 보기. 진한 회색: InP, 밝은 회색: QC 레이어, 검은색: 유전체, 금색: Au 코팅. 산등성이에서 너비가 10mm이다.

이질 구조 도파관이 묻혀 있는 QC 면의 엔드 뷰 진한 회색: InP, 밝은 회색: QC 레이어, 검은색: 유전체 헤테로스트 구조 ~ 10 um 폭

유용한 발광 장치를 만들기 위한 양자 캐스케이드 게인 물질을 처리하는 첫 번째 단계는 게인 매체를 광학 도파관에 제한하는 것이다. 이를 통해 방출된 빛을 시준된 빔으로 유도할 수 있으며, 레이저 공명기를 제작할 수 있어 빛이 다시 이득 매체에 결합될 수 있다.

두 종류의 광학 도파관이 공통적으로 사용된다. 능선 도파관은 양자 캐스케이드 게인 재료에 평행 참호를 에칭하여 QC 재료의 격리된 줄무늬(일반적으로 너비가 약 10mm, 길이 수 mm)를 생성한다. 유전 물질은 일반적으로 참호 안에 침전되어 용마루에 주입된 전류를 유도한 다음, 용마루 전체를 금으로 코팅하여 전기 접촉을 제공하고 빛을 낼 때 용마루에서 열을 제거하도록 돕는다. 빛은 도파관의 갈라진 끝에서 방출되며, 일반적으로 치수는 몇 마이크로미터에 불과한 활성 영역이다.

두 번째 도파관 유형은 매몰된 이질 구조물이다. 여기서 QC 소재도 식각하여 고립된 능선을 생산한다. 그러나 지금은 반도체 신소재가 산등성이 너머로 재배되고 있다. QC 물질과 과대 재배 물질 사이의 굴절 지수 변화는 도파관을 만들기에 충분하다. 또한 유전 물질은 QC 용마루 주변의 과다 성장 물질에 침전되어 주입된 전류를 QC 이득 매질로 유도한다. 매립된 이질 구조 도파관은 빛이 생성될 때 QC 활성 영역에서 열을 제거하는데 효율적이다.

레이저 종류

양자 캐스케이드 이득 매체는 초광성 구성에서 일관성이 없는 빛을 내는 데 사용될 수 있지만,^[16] 레이저를 형성하기 위해 광학 공동과 결합하여 가장 흔히 사용된다.

파브리-페로 레이저

이것은 양자 계단식 레이저 중 가장 간단한 것이다. 광학 도파관은 먼저 양자 계단식 재료로 제작되어 이득 매체를 형성한다. 그런 다음 결정 반도체 소자의 끝을 쪼개어 도파관 양쪽 끝에 두 개의 평행 거울을 형성하여 파브리-페로트 공명기를 형성한다. 반도체 대 공기 인터페이스에서 갈라진 면에 대한 잔류 반사율은 공명기를 만들기에 충분하다. 파브리-페로트 양자 캐스케이드 레이저는 높은 파워를 낼 ^[17]수 있지만 일반적으로 높은 작동 전류에서 멀티 모드다. 파장은 주로 QC 기기의 온도를 변경하여 변경할 수 있다.

분산 피드백 레이저

분산 피드백(DFB) 양자 캐스케이드 레이저는^[18] 원하는 파장 이외의 파장에서 방출되는 것을 방지하기 위해 도파관 위에 구축된 분산형 브래그 반사체(DBR)를 제외하면 파브리-페로 레이저와 유사하다. 이는 높은 작동 전류에서도 레이저의 단일 모드 작동을 강제한다. 튜닝 시 흥미로운 변형은 DFB 레이저를 펄싱하여 얻을 수 있지만 DFB 레이저를 주로 온도 변화로 튜닝할 수 있다. 이 모드에서는 맥박의 진행 중에 레이저의 파장이 빠르게 "거품"되어 스펙트럼 부위의 빠른 스캐닝이 가능하다.^[19]

외부 캐비티 레이저

외부 캐비티 내 QC 장치의 개략도. Littrow 구성에서 회절 그링에 의해 제공되는 주파수 선택적 광학 피드백.

외부 캐비티(EC) 양자 캐스케이드 레이저에서 양자 캐스케이드 장치는 레이저 게인 매개체 역할을 한다. 도파관 면의 하나 또는 둘 다 반반사 코팅이 되어 있어 갈라진 면의 광학 공동 작용을 무력화시킨다. 그런 다음 거울은 QC 장치 외부의 구성으로 배치되어 광학 공동이 생성된다.

외부 공동에 주파수 선택 요소가 포함되면 레이저 방출을 단일 파장으로 줄이고 방사선까지 튜닝할 수 있다. 예를 들어 회절 그라프트는 중심 파장의 15% 이상을 튜닝할 수 있는 튜닝 가능한 레이저를 만들기^[20] 위해 사용되어 왔다.

확장 튜닝 장치

단석학적으로 통합된 요소만을 사용하여 양자 캐스케이드 레이저의 튜닝 범위를 확장하는 몇 가지 방법이 있다. 통합 히터는 고정 작동 온도에서 조정 범위를 중앙 파장의^[21] 0.7%까지 확장할 수 있으며 버니어 효과를 통해 작동하는 상부 구조 그리팅은 표준 DFB 장치의 경우 <0.1%>와 비교하여 중앙 파장의 4%까지 확장할 수 있다.^[22]

성장

양자 이질 구조를 형성하는 두 개의 서로 다른 반도체의 교배층은 MOCVD라고도 알려진 분자 빔 에피택시(MBE) 또는 금속 유기 증기상 에피택시(MOVPE)와 같은 다양한 방법을 사용하여 기질 위에 자랄 수 있다.

적용들

파브리-페로(FP) 양자 캐스케이드 레이저는 1998년 처음 상용화됐고,^[23] 분산 피드백(DFB) 장치는 2004년 처음 상용화됐으며,^[24] 광범하게 튜닝이 가능한 외부 캐비티 양자 캐스케이드 레이저는 2006년 상용화됐다.^[25] 높은 광학 출력, 튜닝 범위 및 실온 작동으로 QCL은 대기^[26] 중 환경 가스 및 오염물질의 원격 감지 및 보안과 같은 분광 애플리케이션에 유용하다. 시야 불량,^{[citation needed]} 충돌 회피 레이더,^{[citation needed]} 산업 공정 제어 ^{[citation needed]}및 호흡 분석기와 같은 의료 진단 조건의 차량 순항 제어에 사용될 수 있다.^[27] QCL은 플라즈마 화학 연구에도 사용된다.^[28]

다중 레이저 시스템에 사용되는 경우, 내부 QCL 스펙트럼 분석은 독성 화학물질, 폭발물 및 약물과 같은 복잡한 중분자를 식별하고 정량화하는 데 잠재적으로 사용될 수 있는 광대역 스펙트럼 커버리지를 제공한다.^{[clarification needed]}^[29]

소설로

비디오 게임 스타 시티즌은 외부 캐비티 양자 캐스케이드 레이저를 고출력 무기로 상상한다.^[30]

참조

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