Высокотемпературные квантово-каскадные лазеры терагерцового диапазона: оптимизация дизайнов и экспериментальные результаты

Abstract

Цели. Квантово-каскадные лазеры терагерцового диапазона (ТГц ККЛ) являются компактными твердотельными приборами с инжекционной накачкой, которые позволяют генерировать излучение в диапазоне от 1.2 до 5.4 ТГц. В полосе рабочих частот ТГц ККЛ находятся линии поглощения для ряда веществ, актуальных для медико-биологических и экологических приложений. Для широкого применения ТГц ККЛ в данных приложениях необходимо увеличивать рабочую температуру лазеров, что позволит уменьшить размеры и стоимость ТГц ККЛ, а также упростит использование данных ТГц-источников.

Методы. В работе для расчета электронного транспорта в ТГц ККЛ использовалась система балансных уравнений на основе базиса волновых функций с уменьшенными дипольными моментами туннельно- связанных состояний.

Результаты. В результате расчетов предложен оригинальный зонный дизайн с периодом на основе трех GaAs/Al0.18Ga0.82As квантовых ям (КЯ) и максимумом усиления около 3.3 ТГц. На основе разработанного дизайна был экспериментально изготовлен ТГц ККЛ, что включало рост лазерной структуры методом молекулярно-лучевой эпитаксии, постростовой процессинг для формирования полосковых лазеров с двойным металлическим волноводом и сборку лазеров на теплоотводе. Изготовленные ТГц ККЛ продемонстрировали генерацию вплоть до температуры 125 К, что согласуется с проведенными расчетами. Также в работе проведено исследование зонных дизайнов на основе двух GaAs/AlxGa1–xAs КЯ с различным содержанием алюминия в барьерных слоях (x = 0.20, 0.25 и 0.30).

Выводы. Рассчитанные температурные зависимости пикового усиления для двух-КЯ дизайнов с x > 0.2 подтверждают возможность создания ТГц ККЛ, работающих при температурах свыше 200 К. Таким образом, в работе предложены двух-КЯ зонные дизайны, которые превосходят по максимальной рабочей температуре существующие рекордные высокотемпературные дизайны ТГц ККЛ.