3.5.5. Квантово-какскадные лазеры

Во всех рассмотренных ранее типах полупроводниковых лазе­ров использовалась излучательная рекомбинация электрона зоны проводимости с дыркой валентной зоны. Она могла происходить непосредственно (зона-зона), либо с участием экситонных и мел­ких примесных состояний (квазимежзонные переходы). Правила отбора по волновому вектору разрешают только прямые, вертикальные переходы и потому в активной области полупрово­дниковых лазеров применяют только прямозонные материалы.

В каскадных лазерах в качестве рабочих переходов испо­льзуют переходы между уровнями размерного квантования, при­надлежащими одной зоне, т. е. внутризонные переходы. Это могут быть, например, переходы между подзонами размерного квантования электронов в квантовой яме или электронными уровнями квантовой точки. Этим каскадные лазеры принципиально отличаются от обычных полупроводниковых ла­зеров.

Основная трудность в лазере, использующем внутризонные переходы, связана с созданием инверсной населенности между рабочими уровнями энергии. Как отмечалось выше, время внутризонной релаксации в полупроводниках чрезвычайно мало и имеет порядок величины 10^-12 с. Поэтому в объемных кристаллах получить инверсию населенности между энергетическими состояниями внутри зоны не представляется возможным. Приме­нение квантоворазмерных структур откры­вает в этом отношении новые перспективы, поскольку в таких структурах энергетическими состояниями и волновыми функци­ями электронов можно управлять, меняя параметры структуры и тем самым конструировать электронную систему с желаемыми свойствами.

Принцип работы каскадного лазера на квантовых ямах пояс­нен на энергетической диаграмме (рис. 3.12). Активная область содержит три квантовые ямы толщиной d₁, d₂ и d₃, разделенные барьерами шириной b₁ и b₂. Связь между ними задается шириной барьеров b₁ и b₂ , а положения уровней размерного квантования определяются в основном высотой барьера, и толщиной ям d. В электрическом поле за счет эффектов резонансного туннелирования электроны из эмиттера будут заселять в основном уровень 3, как показано на рис. 3.11. Параметры первой ямы d₁ подбираются таким образом, что этот уровень для нее является наинизшим и поэтому релаксация внут­ри ямы невозможна, а квантовые переходы 3→2 идут с испуска­нием фотона ћω =Е₂—Е₁. Нижний рабочий лазерный уровень Е₂ быстро опустошается за счет переходов 2→1, передавая элект­роны в третью яму, откуда они электрическим полем выбрасыва­ются в коллектор.

Рис. 3.12. Принцип работы каскадного лазера на внутризонных переходах между подзонами размерного квантования связанных квантовых ям.

Нетрудно заметить, что по принципу работы каскадный полу­проводниковый лазер близок к обычным газовым лазерам. Действительно, заселение верхнего рабочего уровня осуществляется селективно за счет резонансных процессов аналогично тому, как это происходит при резонансной передаче возбуждения в газовых лазерах, в том чис­ле - в Не-Nе и С0₂ лазерах. Это обеспечивает инверсию населенности. Как обычные атомарные или молекулярные лазеры, каскадный лазер, работает по трех-или четырехуровневой схеме. В отличие от газовых лазеров, параметры активных частиц в которых задаются природой, в каскадных полупровод­никовых лазерах мы можем сами конструировать квантовые ямы, придавая им нужные нам свойства, в частности, реализуя условия τ₃₂ > τ₂₁. Рабочая длина волны определяется расстоянием между уровнями, размерного квантования и может изменяться от нескольких десятых долей эВ почти до 0, так что каскадные лазеры могут перекрывать весь ИК - диапазон оптического спе­ктра, реально работая в области примерно