量子カスケードレーザー

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』
ナビゲーションに移動 検索に移動

量子カスケードレーザー(りょうしカスケードレーザー、: Quantum cascade laser, QCL)は遠赤外線を発する半導体レーザーである。1994年にベル研究所のJerome Faist、Federico Capasso、Deborah Sivco、Carlo Sirtori、Albert Hutchinson、Alfred Choにより実証された[1]

典型的な半導体レーザーではバルク材料のバンドギャップを横切って電子正孔対が再結合することにより光子が放出されるが、QCLはユニポーラであり、ヘテロ接合を繰り返すことによって形成される多重量子井戸内のサブバンド間遷移英語版を発光原理とする。このアイデアは1971年に提案された[2]

サブバンド間 vs. バンド間遷移[編集]

従来の半導体レーザーにおけるバンド間遷移は単一光子を放出する。

バルク半導体結晶内では、電子は低エネルギーの電子が集中している価電子帯と、高エネルギーの電子がまばらに分布している伝導帯の2つの連続的なエネルギーバンドの1つで状態を占めることがある。2つのエネルギーバンドは電子が占有できる状態が存在しないエネルギーバンドギャップにより分離される。従来の半導体レーザーダイオードは伝導帯の高エネルギー電子が価電子帯の正孔と再結合する際の単一光子の放出により光が発生する。光子のエネルギーつまりレーザーダイオードの発光波長は使用する材料系のバンドギャップにより決まる。

しかし、QCLは光学活性領域におけるバルク半導体材料を用いない。代わりに超格子を形成する様々な材料組成の周期的な一連の薄層からなる。超格子はデバイス長にわたり様々な電位を導入し、これはデバイス長にわたり異なる位置を占める電子の確率が変化することを意味している。これは1次元多重量子井戸閉じ込めと呼ばれ、許容されるエネルギー帯域を多数の離散電子サブバンドに分割する。層の厚さを適切に設計することにより、レーザー放射を達成するために必要とされるシステム内の2つのサブバンド間の反転分布を作ることが可能である。システム内のエネルギー準位の位置は主に材料ではなく層の厚さにより決まるため、QCLの発光波長を同じ材料系で広範囲で調整することが可能である。

量子カスケード構造では、電子はサブバンド間遷移を受け光子が放出される。電子は構造の次の周期に入り、この過程が繰り返される。

さらに半導体レーザーダイオードでは電子および正孔はバンドギャップを横切って再結合した後に消滅し、光子生成においてそれ以上の役割をすることはない。しかし、単極のQCLでは1度電子がサブバンド間遷移を経て超格子の1周期で光子を放出すると、別の光子が放出される次の周期にトンネルすることができる。QCL構造を横切る際に単一の電子が複数の光子を放出させるこの過程によりこの「カスケード」という名前が生まれており、これにより半導体レーザーダイオードよりも高い出力パワーにつながる1より大きい量子効率を可能にする。

動作原理[編集]

レート方程式[編集]

サブバンドの集団はサブバンド間散乱率および注入/抽出流により決定される。

QCLは通常、3準位系を基礎とする。波動関数の形成が状態間の散乱と比較して十分速い過程であると仮定すると、非時間依存シュレーディンガー方程式の解として与えられる準位間の、遷移速度をレート方程式により記述することで系をモデル化することができる。各サブバンド間は寿命 (平均サブバンド間の散乱速度 の逆数、は始状態と終状態を指定する添字)で散乱され、各サブバンドの占有電子数は はサブバンドを指定する添字)、サブバンドは3準位のみとすると、次のレート方程式を得る。

定常状態において、時間微分は0に等しくである。N準位系に一般化した定常状態レート方程式は次のように得られる。

吸収過程は無視できる、すなわちと仮定すると、中段のレート方程式より次の等式を得る。

よって (すなわち) のときとなり、反転分布が存在する。分布比は

になる。N個の定常状態速度式を全て足し合わせると両辺が恒等的に0となる自明な式が得られるため、この方程式系は劣決定系英語版であることがわかる。すなわち、これらの式のみからはサブバンドの相対的な分布を見つけることしかできない。各サブバンドにおけるキャリアの絶対分布は、系の総キャリア面密度

が既知の場合のみこれを用いて導くことが可能である。近似的には、系内のすべてのキャリアがドープにより供給されると仮定することができる。もしドーパント種のイオン化エネルギーが無視できる場合、はドープ密度にほぼ等しくなる。

電子の波動関数は3つの量子井戸QCL活性領域の各周期において繰り返される。上側のレーザー準位は太線で示されている。

活性領域の設計[編集]

散乱率は、サブバンドの電子波動関数を決定する超格子における層の厚さを適切に設計することで調整される。2つのサブバンド間の散乱率はサブバンド間の波動関数とエネルギー間隔の重なりに大きく依存する。図は3量子井戸(3QW)QCL活性領域および注入器における波動関数を示す。

を減少させるために、上部および下部レーザー準位の重複を低減する。これは上部レーザー準位が主に3QW活性領域の左側井戸に局在するように層の厚さを設計することによりしばしば達成されるが、より低いレーザー準位波動関数は主に中央および右側井戸に存在するようになる。これは対角遷移として知られている。垂直遷移は上部レーザー準位が主に中央・右側井戸に局在するものである。これは重複を増加させ、したがって反転分布を減少させる を増加させるが、これは放射遷移の強度を増加させ結果的に利得が増加する。

を増加させるために、より低いレーザー準位および接地準位の波動関数は良い重複を有し、さらに増加させるためにはサブバンド間のエネルギー間隔は縦方向光学(LO)フォノンエネルギーと等しくし共鳴LOフォノン-電子散乱がより低いレーザー準位を急速に減少することができるように設計される。

材料系[編集]

最初のQCLはInP基板に格子整合したGaInAs/AlInAs材料系で製造された[1]。この材料系は520meVの伝導帯オフセット(量子井戸深さ)を有する。これらのInPベースのデバイスは中赤外線スペクトル範囲にわたり非常に高レベルの性能に達し、室温以上で高出力で連続波発光を達成する[3]

1998年、GaAs/AlGaAsのQCLが Sirtoriらにより実証され、量子カスケードの発想が1つの材料系に限定されないことを証明した。この材料系は障壁のアルミニウム率に依存して量子井戸深さが変化する[4]。GaAsベースのQCLは中赤外線でInPベースのQCLの性能レベルと一致しないが、スペクトルのテラヘルツ領域で非常に成功していることが証明されている。[要出典]

QCLの短波長限界は量子井戸深さにより決定され、近年では短波長発光を達成するために非常に深い量子井戸を有する材料系で開発されている。InGaAs/AlAsSb材料系は深さ1.6eVの量子井戸を有し3μmで発光するQCLを製造するために使われている[要出典]。 InAs/AlSbのQCLは2.1eVの量子井戸を有し、2.5μmの短波長でのエレクトロルミネセンスが観測されている。[要出典]

QCLは伝統的に光学特性が悪いと考えられていた材料でのレーザー動作を可能にすることがある。シリコンのような間接バンドギャップ材料は異なる運動量の値で最小の電子および正孔エネルギーを有する。バンド間光学遷移についてはキャリアは遅い中間散乱過程により運動量を変化させ、光放出強度が劇的に低減する。しかしサブバンド間の光学遷移は伝導帯および価電子帯の最小値の相対運動量とは無関係であり、Si/SiGe量子カスケードエミッタの理論的提案がなされている[5]

発光波長[編集]

現在は2.63μm[6]から250μm[7]の範囲をカバーしている(磁場を印加すると355μmまでなる)[要出典]

光導波路[編集]

End view of QC facet with ridge waveguide. Darker gray: InP, lighter gray: QC layers, black: dielectric, gold: Au coating. Ridge ~ 10 um wide.
End view of QC facet with buried heterostructure waveguide. Darker gray: InP, lighter gray: QC layers, black: dielectric. Heterostructure ~ 10 um wide

有用な発光デバイスを作製するために量子カスケード利得材料を処理する最初のステップは、利得媒質を光導波路に閉じ込めることである。これにより放出された光をコリメートされたビームに向けることが可能になり、光が利得媒質に戻り結合するというレーザー共振器が構築される。

2種類の光導波路が一般的に使われている。リッジ導波路は量子カスケード利得材料中に平行な溝をエッチングして、普通~10umの幅、数mmの長さの量子カスケード材料の孤立したストライプが生成される。普通、注入電流をリッジにガイドするために溝内に誘電材料が堆積され、リッジ全体が金で被覆され電気的接触を提供し、リッジが光を発するときに熱を取り除くのを助ける。光は導波路のへき開された端から放射され、普通は寸法がほんの数マイクロメートルの活性領域を有する。

2番目は埋め込みヘテロ構造である。Here, the QC material is also etched to produce an isolated ridge. Now, however, new semiconductor material is grown over the ridge. The change in index of refraction between the QC material and the overgrown material is sufficient to create a waveguide. Dielectric material is also deposited on the overgrown material around QC ridge to guide the injected current into the QC gain medium. Buried heterostructure waveguides are efficient at removing heat from the QC active area when light is being produced.

Laser types[編集]

Although the quantum cascade gain medium can be used to produce incoherent light in a superluminescent configuration,[8] it is most commonly used in combination with an optical cavity to form a laser.

Fabry–Perot lasers[編集]

This is the simplest of the quantum cascade lasers. An optical waveguide is first fabricated out of the quantum cascade material to form the gain medium. The ends of the crystalline semiconductor device are then cleaved to form two parallel mirrors on either end of the waveguide, thus forming a Fabry–Pérot resonator. The residual reflectivity on the cleaved facets from the semiconductor-to-air interface is sufficient to create a resonator. Fabry–Pérot quantum cascade lasers are capable of producing high powers,[9] but are typically multi-mode at higher operating currents. The wavelength can be changed chiefly by changing the temperature of the QC device.

Distributed feedback lasers[編集]

A distributed feedback (DFB) quantum cascade laser[10] is similar to a Fabry–Pérot laser, except for a distributed Bragg reflector (DBR) built on top of the waveguide to prevent it from emitting at other than the desired wavelength. This forces single mode operation of the laser, even at higher operating currents. DFB lasers can be tuned chiefly by changing the temperature, although an interesting variant on tuning can be obtained by pulsing a DFB laser. In this mode, the wavelength of the laser is rapidly “chirped” during the course of the pulse, allowing rapid scanning of a spectral region.[11]

External cavity lasers[編集]

Schematic of QC device in external cavity with frequency selective optical feedback provided by diffraction grating in Littrow configuration.

In an external cavity (EC) quantum cascade laser, the quantum cascade device serves as the laser gain medium. One, or both, of the waveguide facets has an anti-reflection coating that defeats the optical cavity action of the cleaved facets. Mirrors are then arranged in a configuration external to the QC device to create the optical cavity.

If a frequency-selective element is included in the external cavity, it is possible to reduce the laser emission to a single wavelength, and even tune the radiation. For example, diffraction gratings have been used to create[12] a tunable laser that can tune over 15% of its center wavelength.

Extended tuning devices[編集]

There exists several methods to extend the tuning range of quantum cascade lasers using only monolithically integrated elements. Integrated heaters can extend the tuning range at fixed operation temperature to 0.7% of the central wavelength[13] and superstructure gratings operating through the Vernier effect can extend it to 4% of the central wavelength,[14] compared to <0.1% for a standard DFB device.

Growth[編集]

The alternating layers of the two different semiconductors which form the quantum heterostructure may be grown on to a substrate using a variety of methods such as molecular beam epitaxy (MBE) or metalorganic vapour phase epitaxy (MOVPE), also known as metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD).

Applications[編集]

Fabry-Perot (FP) quantum cascade lasers were first commercialized in 1998,[15] Distributed feedback (DFB) devices were first commercialized in 2004,[16] and broadly-tunable external cavity quantum cascade lasers first commercialized in 2006.[17] The high optical power output, tuning range and room temperature operation make QCLs useful for spectroscopic applications such as remote sensing of environmental gases and pollutants in the atmosphere[18] and security. They may eventually be used for vehicular cruise control in conditions of poor visibility,[要出典] collision avoidance radar,[要出典] industrial process control,[要出典] and medical diagnostics such as breath analyzers.[19] QCLs are also used to study plasma chemistry.[20]

When used in multiple-laser systems, intrapulse QCL spectroscopy offers broadband spectral coverage that can potentially be used to identify and quantify complex heavy molecules such as those in toxic chemicals, explosives, and drugs.[要説明][21]

In fiction[編集]

The upcoming video game Star Citizen imagines external-cavity quantum cascade lasers as high-power weapons.[22]

脚注[編集]

  1. ^ a b Faist, Jerome; Federico Capasso; Deborah L. Sivco; Carlo Sirtori; Albert L. Hutchinson; Alfred Y. Cho (1994年4月). “Quantum Cascade Laser” (abstract). Science 264 (5158): 553–556. Bibcode 1994Sci...264..553F. doi:10.1126/science.264.5158.553. PMID 17732739. http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/264/5158/553 2007年2月18日閲覧。. 
  2. ^ Kazarinov, R.F; Suris, R.A. (1971年4月). “Possibility of amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice”. Fizika I Tekhnika Poluprovodnikov 5 (4): 797–800. 
  3. ^ Razeghi, Manijeh (2009年). “High-Performance InP-Based Mid-IR Quantum Cascade Lasers” (abstract). IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 15 (3): 941–951. Bibcode 2009IJSTQ..15..941R. doi:10.1109/JSTQE.2008.2006764. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=5069088 2011年7月13日閲覧。. 
  4. ^ Sirorti et al. (1998年). “GaAs/AlxGa1−xAs quantum cascade lasers”. Appl. Phys. Lett. 73 (24): 3486. Bibcode 1998ApPhL..73.3486S. doi:10.1063/1.122812. 
  5. ^ Paul, Douglas J (2004年). “Si/SiGe heterostructures: from material and physics to devices and circuits” (abstract). Semicond. Sci. Technol. 19 (10): R75–R108. Bibcode 2004SeScT..19R..75P. doi:10.1088/0268-1242/19/10/R02. http://www.iop.org/EJ/abstract/0268-1242/19/10/R02 2007年2月18日閲覧。. 
  6. ^ Cathabard, O.; Teissier, R.; Devenson, J.; Moreno, J.C.; Baranov, A.N. (2010年). “Quantum cascade lasers emitting near 2.6 μm”. Applied Physics Letters 96 (14): 141110. Bibcode 2010ApPhL..96n1110C. doi:10.1063/1.3385778. 
  7. ^ Walther, C.; Fischer, M.; Scalari, G.; Terazzi, R.; Hoyler, N.; Faist, J. (2007年). “Quantum cascade lasers operating from 1.2 to 1.6 THz”. Applied Physics Letters 91 (13): 131122. Bibcode 2007ApPhL..91m1122W. doi:10.1063/1.2793177. 
  8. ^ Zibik, E. A.; W. H. Ng; D. G. Revin; L. R. Wilson; J. W. Cockburn; K. M. Groom; M. Hopkinson (2006年3月). “Broadband 6 µm < λ < 8 µm superluminescent quantum cascade light-emitting diodes”. Appl. Phys. Lett. 88 (12): 121109. Bibcode 2006ApPhL..88l1109Z. doi:10.1063/1.2188371. 
  9. ^ Slivken, S.; A. Evans; J. David; M. Razeghi (2002年12月). “High-average-power, high-duty-cycle (λ ~ 6 µm) quantum cascade lasers”. Applied Physics Letters 81 (23): 4321–4323. Bibcode 2002ApPhL..81.4321S. doi:10.1063/1.1526462. 
  10. ^ Faist, Jérome; Claire Gmachl; Frederico Capasso; Carlo Sirtori; Deborah L. Silvco; James N. Baillargeon; Alfred Y. Cho (1997年5月). “Distributed feedback quantum cascade lasers”. Applied Physics Letters 70 (20): 2670. Bibcode 1997ApPhL..70.2670F. doi:10.1063/1.119208. 
  11. ^ Quantum-cascade lasers smell success”. Laser Focus World. PennWell Publications (2005年3月1日). 2008年3月26日閲覧。
  12. ^ Maulini, Richard; Mattias Beck; Jérome Faist; Emilio Gini (2004年3月). “Broadband tuning of external cavity bound-to-continuum quantum-cascade lasers”. Applied Physics Letters 84 (10): 1659. Bibcode 2004ApPhL..84.1659M. doi:10.1063/1.1667609. 
  13. ^ Bismuto, Alfredo; Bidaux, Yves; Tardy, Camille; Terazzi, Romain; Gresch, Tobias; Wolf, Johanna; Blaser, Stéphane; Muller, Antoine et al. (2015年). “Extended tuning of mid-ir quantum cascade lasers using integrated resistive heaters”. Optics Express 23 (23): 29715–29722. Bibcode 2015OExpr..2329715B. doi:10.1364/OE.23.029715. PMID 26698453. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-23-23-29715 2016年5月4日閲覧。. 
  14. ^ Bidaux, Yves; Bismuto, Alfredo; Tardy, Camille; Terazzi, Romain; Gresch, Tobias; Blaser, Stéphane; Muller, Antoine; Faist, Jerome (2015年11月4日). “Extended and quasi-continuous tuning of quantum cascade lasers using superstructure gratings and integrated heaters”. Applied Physics Letters 107 (22): 221108. Bibcode 2015ApPhL.107v1108B. doi:10.1063/1.4936931. 
  15. ^ Extrait du registre du commerce”. Registre du commerce. 2016年4月28日閲覧。
  16. ^ Alpes offers CW and pulsed quantum cascade lasers”. Laser Focus World. PennWell Publications (2004年4月19日). 2007年12月1日閲覧。
  17. ^ Tunable QC laser opens up mid-IR sensing applications”. Laser Focus World. PennWell Publications (2006年7月1日). 2008年3月26日閲覧。
  18. ^ Normand, Erwan; Howieson, Iain; McCulloch, Michael T. (2007年4月). “Quantum-cascade lasers enable gas-sensing technology”. Laser Focus World 43 (4): 90–92. April 2007. ISSN 1043-8092. http://www.laserfocusworld.com/display_article/289410/12/none/none/Feat/QUANTUM-CASCADE-LASERS:-Quantum-cascade-lasers-enable-gas-sensing-technolog 2008年1月25日閲覧。. 
  19. ^ Hannemann, M.; Antufjew, A.; Borgmann, K.; Hempel, F.; Ittermann, T.; Welzel, S.; Weltmann, K.D.; Völzke, H. et al. (2011年). “Influence of age and sex in exhaled breath samples investigated by means of infrared laser absorption spectroscopy”. Journal of Breath Research 5 (27101): 9. 2011-04-01. Bibcode 2011JBR.....5b7101H. doi:10.1088/1752-7155/5/2/027101. PMID 21460420. 
  20. ^ Lang, N.; Röpcke, J.; Wege, S.; Steinach, A. (2009年). “In situ diagnostic of etch plasmas for process control using quantum cascade laser absorption spectroscopy”. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 49 (13110): 3. 2009-12-11. Bibcode 2010EPJAP..49a3110L. doi:10.1051/epjap/2009198. 
  21. ^ Howieson, Iain; Normand, Erwan; McCulloch, Michael T. (2005年3月1日). “Quantum-cascade lasers smell success”. Laser Focus World 41 (3): S3–+. 2005-03-01. ISSN 0740-2511. http://www.laserfocusworld.com/display_article/224013/12/ARCHI/none/OptWr/Quantum-cascade-lasers-smell-success 2008年1月25日閲覧。. 
  22. ^ https://robertsspaceindustries.com/comm-link/transmission/13152-Galactic-Guide-Hurston-Dynamics

外部リンク[編集]