Kwantowe lasery kaskadowe : 20 lat historii i stan obecny

• Autorzy: Bugajski M. , Wójcik-Jedlińska A.

Identyfikatory

DOI

10.15199/ELE-2014-185

Warianty tytułu

EN

Quantum cascade lasers : 20 years of history and present status

• Konferencja: Krajowa Konferencja Elektroniki (13 ; 09-13.06.2014 ; Darłówko Wschodnie, Polska)
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Kwantowe lasery kaskadowe (Quantum Cascade Lasers – QCL) to najmłodsza odmiana laserów półprzewodnikowych. Znane są zaledwie od 20 lat i dopiero znajdują się na progu komercjalizacji. Budzą duże zainteresowanie, ponieważ umożliwiają budowę przenośnych detektorów wykrywających śladowe ilości substancji chemicznych, np. metanu w kopalniach czy niebezpiecznych gazów w przemyśle chemicznym. Obiecujące są także ich zastosowania medyczne. Lasery QCL pomagają wykrywać nawet śladowe obecności markerów chorobowych w wydychanym przez pacjenta powietrzu. Kwantowe lasery kaskadowe na pasmo średniej podczerwieni są przedmiotem intensywnych badań w wielu laboratoriach na świecie; w tym również w Polsce. Do liderów w dziedzinie technologii laserów kaskadowych zaliczają się laboratoria amerykańskie, brytyjskie, niemieckie, francuskie i włoskie. Technologia wytwarzania laserów kaskadowych swoją złożonością przewyższa znacznie wszystkie dotychczasowe technologie laserów półprzewodnikowych.

EN

Quantum cascade lasers (QCLs) are the latest addition to the semiconductor laser family. Known since 20 years are now at the edge of commercialization. They arose a large interest as they allow for numerous practical applications ranging from trace gas detection to medical, security and countermeasure applications. Quantum cascade lasers are the subject of intense research in numerous laboratories throughout the world; also in Poland. Leaders in this field are US, UK, German, French and Italian laboratories. The technology of quantum cascade lasers exceeds by its complexity all others semiconductor lasers fabrication technologies.

Słowa kluczowe

PL

kwantowy laser kaskadowy; heterostruktury III-V; zastosowania laserów

EN

quantum cascade laser; heterostructures III-V; laser applications

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 55, nr 11
• Strony: 10--17
• Opis fizyczny: Bibliogr. 67 poz., rys.

Twórcy

autor

Bugajski M.

• Instytut Technologii Elektronowej, Centrum Nanofotoniki, Warszawa

autor

Wójcik-Jedlińska A.

• Instytut Technologii Elektronowej, Centrum Nanofotoniki, Warszawa

Bibliografia

• [1] Faist J. i in.: Quantum Cascade Laser, Science, vol. 264, 553, 1994.
• [2] Kazarinov R. F., Suris R. A.: Possibility of the amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice, Sov. Phys. Semicond. vol. 5, 707, 1971.
• [3] Beck M.i in.: Science, vol. 295, 301, 2002.
• [4] Sirtori C. i in: Appl. Phys. Lett. vol. 73, 3486, 1998.
• [5] Page H. i in: Applied Physics Letters, vol. 78, 3529, 2001.
• [6] Page H. i in.: IEEE J. OF Quantum Electronics, vol. 40, 665, 2004.
• [7] Bugajski M. I in.: High performance GaAs/AlGaAs quantum cascade lasers, in: Semiconductor Lasers and Laser Dynamics V, edited by K. Panajotov, M. Sciamanna, A. Valle, and R. Michalzik, Proc. SPIE, vol. 8432, 84320I, (2012).
• [8] Pierściński K. i in.: High performance room temperature InGaAs/Al- GaAs/GaAs quantum cascade lasers, MIOMD 2014.
• [9] Lyakh A. i in.: Quantum cascade laser emitting at 4.6 μm, Appl. Phys. Lett. vol. 92, 111110, 2008.
• [10] Razeghi M. i in.: High power quantum cascade lasers, New Journal of Physics, vol.11, 125017, 2009.
• [11] Lyakh A. i in.: Multiwatt long wavelength quantum cascade lasers based on high strain composition with 70% injetion efficiency, Optics Express, vol. 20, 24272, 2012.
• [12] Köhler R. i in.: Terahertz semiconductor-heterostructure laser, Nature, 417, 156, 2002.
• [13] Williams B.S.: Terahertz quantum-cascade lasers, Nature Photonics, vol.1, 917, 2007.
• [14] Kumar S.: Recent Progress in Terahertz Quantum Cascade Lasers, IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 17, 38, 2011.
• [15] Fathololoumi S. i in.: Terahertz quantum cascade lasers operating up to ~200 K with optimized oscillator strength and improved injection tunneling, Optics Express, vol. 20, 3866, 201224.
• [16] Wawer D. i in.: High resolution mapping of temperature distribution in pulsed operated quantum cascade laser, ELTE, Stare Jabłonki, 22.04.2004.
• [17] Wawer D. i in.: Temperature maps of GaAs/AlGaAs quantum cascade- laser facets measured by micro-thermoreflectance, Int. Conf. on Emerging Technologies in Optical Sciences ETOS 2004, July 26–29, Cork, Ireland.
• [18] D. Wawer, T. Ochalski, T. Piwoński, A. Wójcik-Jedlińska, M. Bugajski, H. Page, Spatially resolved thermoreflectance study of facet temperature in quantum cascade lasers, phys. stat. sol. (a) vol. 202, 1227, 2005.
• [19] Wasiak M., Bugajski M., Nakwaski W.: Envelope function description of quantum cascade laser electronic states, Optica Applicata, vol. 35, 651, 2005.
• [20] Wójcik-Jedlińska A. i in.: The Role of Photo-luminescence Excitation Spectroscopy in Investigation of Quantum Cascade Lasers Properties, Electron Technology – Internet Journal, vol. 37/38, 1, 2006.
• [21] Łaszcz A. i in.: Electron Microscopy of GaAs/AlGaAs Quantum Cascade Laser, Proceedings of 14th European Microscopy Congress, Aachen, Niemcy, 1–5 wrzesień 2008, vol. 2, Springer, Berlin, 2008, str. 61–62.
• [22] Kosiel K. i in.: Molecular-beam Epitaxy Growth and Characterization of Mid-infrared Quantum Cascade Laser Structures, Microelectronics Journal, vol. 40, 565, 2009.
• [23] Kosiel K. i in.: 77 K Operation of AlGaAs/GaAs Quantum Cascade Laser at 9 μm, Photonics Letters of Poland, vol. 1, 16, 2009.
• [24] Kosiel K. i in.: Molecular Beam Epitaxy Growth for Quantum Cascade Lasers, Acta Physica Polonica A, vol. 116, 806, 2009.
• [25] Kosiel K. i in.: Development of (λ~9.4μm) GaAs-Based Quantum Cascade Lasers, IEEE Proceedings of TERA-MIR, 2009, p. 43.
• [26] Szerling A. i in: Electrical and Optical Characterization of (λ~9.4μm) GaAs-Based Quantum Cascade Lasers”, IEEE Proceedings of TERAMIR, 2009, p. 71.
• [27] Pierścińska D. i in.: Thermal Analysis of GaAs/AlGaAs Quantum – Cascade Lasers, E-MRS Fall Meeting 2009, Warszawa 14–18.09.2009.
• [28] Pierściński K. i in.: Investigation of Thermal Effects in Quantum Cascade Lasers, 13th International Conference on Defects, Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors (DRIP XIII), Wheeling, USA, 13–17.06.2009.
• [29] Kosiel K. i in.: MBE Growth of AlGaAs/GaAs Quantum Cascade Laser Structures, 15th European MBE Workshop, Zakopane 08–11.03.2009.
• [30] Kosiel K. i in.: Lasery kaskadowe z AlGaAs/GaAs na pasmo średniej podczerwieni (~9 μm), Elektronika, vol. L, nr. 5, 43, 2009.
• [31] Kubacka-Traczyk J. i in.: High-Resolution X-Ray Characterization of Mid-IR QCL Structures, NATO Advanced Research Workshop on Terahertz and Mid Infrared Radiation TERA-MIR, 2009.
• [32] Wójcik-Jedlińska A. i in.: Photoluminescence Characterization of AlGaAs/GaAs Test Superlattices Used for Optimization of Quantum Cascade Laser Technology, Optica Applicata, vol. 39, nr. 4, (2009).
• [33] Szerling A. i in: Mid-Infrared GaAs/AlGaAs Quantum Cascade Lasers Technology, Acta Physica Polonica A, vol. 116, 45, 2009.
• [34] Karbownik P. i in.: Low Resistance Ohmic Contacts to n-GaAs for Application in GaAs/AlGaAs Quantum Cascade Lasers, Optica Applicata, vol. 39, 656, 2009.
• [35] Borowik, P. i in.: Modelowanie Monte Carlo struktur kwantowych laserów kaskadowych, Acta Physica Polonica A, vol. 116, 49, 2009.
• [36] Pruszyńska-Karbownik E i in.: The Study of Thermal Properties of GaAs/AlGaAs Quantum Cascade Lasers, Acta Physica Polonica A, vol. 116, 60, 2009.
• [37] Kosiel K. i in.: Development (~9.4 μm) GaAs/AlGaAs quantum cascade lasers, Proceedings of IEEE, Tera-Mir, Springer, 2010.
• [38] Kosiel K. i in.: Lasery kaskadowe na zakres średniej podczerwieni, Elektronika, vol. LI, nr. 10, 99, 2010.
• [39] Barańska A. i in.: Morfologia powierzchni międzyfazowych w wielowarstwowych strukturach periodycznych AlGaAs/GaAs, Elektronika, vol. LI, nr. 10, 112, 2010.
• [40] Trajnerowicz A. i in.: Wpływ parametrów zasilania na parametry aplikacyjne laserów kaskadowych na zakres średniej podczerwieni, Elektronika, vol. LI, nr. 10, 109, 2010.
• [41] Pierściński K. i in.: Influence of Operating Conditions on Quantum Cascade Laser Temperature, Journal of Electronic Materials, vol. 39, 630, 2010.
• [42] Bugajski M. i in.: GaAs/AlGaAs (9.4 μm) Quantum Cascade Lasers Operating at 260 K", Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences, vol. 58, 471, 2010.
• [43] Kosiel K. i in.: Room Temperature AlGaAs/GaAs Quantum Cascade Lasers, Photonics Letters of Poland, vol. 3, 55, 2011.
• [44] Kolek A., Hałdaś G., Bugajski M.: Model numeryczny lasera QCL oparty na formalizmie nierównowagowych funkcji Greena, Elektronika, vol. LII, 51, 2011.
• [45] Gaca J. i in.: The Determination of the Chemical Composition Profile of the GaAs/AlGaAs Heterostructures Designed for Quantum Cascade Lasers by Means of Synchrotron Radiation, Radiation Physics and Chemistry, vol. 80, 1112, 2011.
• [46] Kosiel K. i in.: AlGaAs/GaAs Quantum Cascade Lasers for Gas Detection Systems, IEEE Proceedings of the 36th Int. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Houston, 2–7.10.2011, 2011, str. 1–2.
• [47] Motyka M. i in.: Determination of Energy Difference and Width of Minibands in GaAs/AlGaAs Supperlattices by Using Fourier Transform Photoreflectance and Photoluminescence, Opto-Electronics Review, vol. 19, 151, 2011.
• [48] Pierściński K. i in.: Investigation of Thermal Properties of Mid-Infrared AlGaAs/GaAs Quantum Cascade Lasers, Journal of Applied Physics, vol. 112, str. 043112, 2012.
• [49] Pierścińska D. i in.: Electrical and Optical Characterisation of mid- IR GaAs/AlGaAs Quantum Cascade Lasers, Proceedings of SPIE, vol. 8432, 2012, 84321S.
• [50] Pierściński K. i in.: Experimental Analysis of Thermal Properties of AlGaAs/GaAs Quantum Cascade Lasers, Proceedings of SPIE, vol. 8432, 2012, 84320 M-1.
• [51] Karbownik P., Bugajski M.: Self-Consistent Simulation of Mid-IR Quantum Cascade Lasers Based on Rate Equation Approach, Proceedings of SPIE, tom 8432, 2012, 84321P-1.
• [52] Kosiel K. i in.: Multi-Step Interrupted-Growth MBE Technology for GaAs/AlGaAs (9.4 μm) Room Temperature Operating Quantum-Cascade Lasers, Opto-Electronics Review, vol. 20, 239, 2012.
• [53] Pierściński K. i in.: Thermal Characteristics and Power Roll-Over of GaAs/AlGaAs Quantum Cascade Lasers, XI Infrared Optoelectronics: Materials and Devices, Chicago 04–08.09.2012.
• [54] Bugajski M. i in.: High power AlGaAs/GaAs quantum cascade lasers (invited paper), Semiconductor Lasers and Laser Dynamics V, K. Panajotov, M. Sciamanna, A. Valle, R. Michalzik (eds.), Proc. of SPIE, vol. 8432, 84320I, 2012.
• [55] Kolek A., Hałdaś G., Bugajski M.: Nonthermal carrier distribution in the subbands of 2-phonon resonance mid-infrared quantum cascade laser, Applied Physics Letters, vol. 101, 061110, 2012.
• [56] Gutowski P. i in.: InP-Based Lattice-Matched Quantum-Cascade Laser Structures: Waveguide Design, Modal Structure Calculations and Growth Issues, School of Photonics 2013, Cortona 20–24.05.2013.
• [57] Bugajski M. i in.: Strain Compensated 4.7 μm AlInAs/InGaAs/InP QCLs – Non-Equilibrium Green’s Function Modeling of Electro-Optical Characteristics, V Workshop on Physics and Technology of Semiconductor Lasers, Kraków 17–20.11.2013.
• [58] Hałdaś G. i in.: Nonequilibrium Green s Function Model of Mid-Infrared Quantum Cascade Laser, Symposium on Nanostructured Materials (NANO 2013), Rzeszów 21–22.05.2013.
• [59] Pierściński K., Pierścińska D., Bugajski M.: Evaluation of Performance of Mid-IR Quantum Cascade Lasers by Means of TR Imaging", 15th International Conference on Defects Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors (DRIP 2013), Warszawa 15–19.09.2013.
• [60] Bugajski M. i in.: Multimode instabilities in mid-infrared quantum cascade lasers, Photonics Letters of Poland, vol. 5, 85, 2013.
• [61] Karbownik P. i in.: Direct Au-Au bonding technology for high performance GaAs/AlGaAs quantum cascade lasers, J. Optical and Quantum Electronics (2014).
• [62] Janiak F. i in.: Advanced optical characterization of Algaas/gaas superlattices for active regions in quantum cascade lasers, J. Optical and Quantum Electronics (2014).
• [63] Bugajski M. i in.: Mid-IR quantum cascade lasers: Device technology and non-equilibrium Green's function modeling of electro-optical characteristics (invited paper), Physica Status Solidi (b), vol. 251, 1144, 2014.
• [64] Gutowski P. i in.: Room-temperature AlInAs/InGaAs/InP quantum cascade lasers, Photonics Letters of Poland, vol. 6, 2014.
• [65] Kubacka-Traczyk J. i in.: High-resolution X-ray characterization of mid-IR Al0.45Ga0.55As/GaAs Quantum Cascade Laser structures, Thin Solid Films, vol. 564, 339, 2014.
• [66] Kolek A. i in.: Impact of Injector Doping on Threshold Current of Mid- Infrared Quantum Cascade Laser – Non-Equilibrium Green’s Function Analysis, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 21, 1200110, 2015.
• [67] Pierściński K. i in.: High performance room temperature InGaAs/Al- GaAs/GaAs quantum cascade lasers, XII Infrared Optoelectronics: Materials and Devices, Montpellier, 7.10.2014.

Uwagi

PL

Praca była finansowana z funduszy na działalność statutową Instytutu Technologii Elektronowej. Autorzy składają podziękowanie wszystkim prezentującym swoje prace w ramach sesji specjalnej: Kwantowe Lasery Kaskadowe – 20 lat badań i stan obecny, zorganizowanej w ramach XIII Krajowej Konferencji Elektroniki, Darłówko Wschodnie, 09–13.06.2014.