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

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/Al_0.18Ga_0.82As 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/Al_xGa_1–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.

1. Sampaolo A., Yu C., Wei T., Zifarelli A., Giglio M., Patimisco P., Zhu H., Zhu H., He L., Wu H., Dong L., Xu G., Spagnolo V. H2S quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor employing a liquid-nitrogen-cooled THz quantum cascade laser operating in pulsed mode. Photoacoustics. 2021;21:100219. https://doi.org/10.1016/j.pacs.2020.100219

2. Consolino L., Nafa M., De Regis M., Cappelli F., Garrasi K., Mezzapesa F.P., Li L., Davies A.G., Linfield E.H., Vitiello M.S., Bartalini S., De Natale P. Quantum cascade laser based hybrid dual comb spectrometer. Commun. Phys. 2020;3(1):69. https://doi.org/10.1038/s42005-020-0344-0

3. Irimajiri Y., Morohashi I., Kawakami A. Multifrequency heterodyne detection of molecules using a hot electron bolometer mixer pumped by two phase-locked THz-quantum cascade lasers. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2020;10(5):474–479. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2020.2990358

4. Jin Y., Reno J.L., Kumar S. Phase-locked terahertz plasmonic laser array with 2 W output power in a single spectral mode. Optica. 2020;7(6):708–715. https://doi.org/10.1364/OPTICA.390852

5. Rakić A.D., Taimre T., Bertling K., Lim Y.L., Dean P., Valavanis A., Indjin D. Sensing and imaging using laser feedback interferometry with quantum cascade lasers. Appl. Phys. Rev. 2019;6(2):021320. https://doi.org/10.1063/1.5094674

6. Dunn A., Poyser C., Dean P., Demić A., Valavanis A., Indjin D., Salih M., Kundu I., Li L., Akimov A., Davies A.G., Linfield E., Cunningham J., Kent A. High-speed modulation of a terahertz quantum cascade laser by coherent acoustic phonon pulses. Nat. Commun. 2020;11:835. https://doi.org/10.1038/s41467020-14662-w

7. Hagelschuer T., Richter H., Wienold M., Lü X., Röben B., Schrottke L., Biermann K., Grahn H., Hübers H. A сompact 4.75-THz source based on a quantum-cascade laser with a back-facet mirror. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2019;9(6):606–612. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2019.2935337

8. Schrottke L., Ropcke J., Grahn H.T., Lu X., Röben B., Drude P., Biermann K., Hagelschuer T., Wienold M., Hübers H.-W., Hannemann M., Hubertus van Helden J.-P. High-performance GaAs/AlAs terahertz quantumcascade lasers for spectroscopic applications. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2020;10(2):133–140. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2019.2957456

9. Franckié M., Bosco L., Beck M., Bonzon C., Mavrona E., Scalari G., Wacker A., Faist J. Two-well quantum cascade laser optimization by non-equilibrium Green’s function modelling. Appl. Phys. Lett. 2018;112:021104. https://doi.org/10.1063/1.5004640

10. Bosco L., Franckié M., Scalari G., Beck M., Wacker A., Faist J. Thermoelectrically cooled THz quantum cascade laser operating up to 210 K. Appl. Phys. Lett. 20194;115:010601. https://doi.org/10.1063/1.5110305

11. Khalatpour A., Paulsen A.K., Deimert C., Wasilewski Z.R., Hu Q. High-power portable terahertz laser systems. Nat. Photonics. 2021;15:16–20. https://doi.org/10.1038/s41566-020-00707-5

12. Kainz M.A., Schönhuber S., Andrews A.M., Detz H., Limbacher B., Strasser G., Unterrainer K. Barrier height tuning of THz quantum cascade lasers for high temperature operation. ACS Photonics. 2018;5(11): 4687–4693. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.8b01280

13. Yachmenev A.E., Pushkarev S.S., Reznik R., Khabibullin R.A., Ponomarev D.S. Arsenides-and related III-V materialsbased multilayered structures for terahertz applications: various designs and growth technology. Prog. Cryst. Growth Charact. Mater. 2020;66(2):100485. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2020.100485

14. Хабибуллин Р.А., Щаврук Н.В., Павлов А.Ю., Пономарев Д.С., Томош К.Н., Галиев Р.Р., Мальцев П.П., Жуков А.Е., Цырлин Г.Э., Зубов Ф.И., Алфёров Ж.И. Изготовление терагерцового квантово-каскадного лазера с двойным металлическим волноводом на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs. Физика и техника полупроводников. 2016;50(10):1395–1400.

15. Иконников А.В., Маремьянин К.В., Морозов С.В., Гавриленко В.И., Павлов А.Ю., Щаврук Н.В., Хабибуллин Р.А., Резник Р.Р., Цырлин Г.Э., Зубов Ф.И., Жуков А.Е., Алфёров Ж.И. Генерация терагерцового излучения в многослойных квантово-каскадных гетероструктурах. Письма в ЖТФ. 2017;43(7):86–94. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.07.44473.16602

16. Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Дубинов А.А., Гавриленко В.И., Васильевский И.С., Щаврук Н.В., Пономарев Д.С., Хабибуллин Р.А. Спектры модовых потерь в ТГц квантово-каскадных лазерах с двойным металлическим волноводом на основе Au и Ag. Квантовая электроника. 2018;48(11):1005–1008. https://doi.org/10.1070/QEL16806

17. Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Дубинов А.А., Гавриленко В.И., Волков О.Ю., Щаврук Н.В., Пономарев Д.С., Хабибуллин Р.А. Моделирование квантово-каскадных лазеров терагерцевого диапазона частот методом балансных уравнений на основе базиса волновых функций с уменьшенными дипольными моментами туннельно-связанных состояний. Квантовая электроника. 2019;49(10):913–918. https://doi.org/10.1070/QEL17068

18. Хабибуллин Р.А., Щаврук Н.В., Пономарев Д.С., Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Васильевский И.С., Зайцев А.А., Данилов А.И., Волков О.Ю., Павловский В.В., Маремьянин К.В., Гавриленко В.И. Температурная зависимость порогового тока и выходной мощности квантово-каскадного лазера с частотой генерации 3.3 ТГц. Физика и техника полупроводников. 2018;52(11):1268–1273. https://doi.org/10.21883/FTP.2018.11.46581.03

19. Khabibullin R.A., Shchavruk N.V., Ponomarev D.S., Ushakov D.V., Afonenko A.A., Maremyanin K.V., Volkov O.Yu., Pavlovskiy V.V., Dubinov A.A. The operation of THz quantum cascade laser in the region of negative differential resistance. Opto-Electronics Review. 2019;27(4):329. https://doi.org/10.1016/j.opelre.2019.11.002

20. Долгов А.К., Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Дюжиков И.Н., Глинский И.А., Пономарев Д.С., Хабибуллин Р.А. Моделирование эффективности электрической накачки квантово-каскадного терагерцевого лазера при неоднородном питании током. Квантовая электроника. 2021;51(2):164–168. https://doi.org/10.1070/QEL17431

21. Khabibullin R., Ushakov D., Afonenko A., Shchavruk N., Ponomarev D., Vasil’evskii I., Safonov D., Dubinov A. Spectra of mode loss in THz quantum cascade laser with double metal waveguide based on Au, Cu and Ag. Proc. SPIE. 2018;11066:1106613. https://doi.org/10.1117/12.2523284

22. Khabibullin R., Ushakov D., Afonenko A., Shchavruk N., Ponomarev D., Volkov O., Pavlovskiy V., Vasil’evskii I., Safonov D., Dubinov A. Silver-based double metal waveguide for terahertz quantum cascade laser. Proc. SPIE. 2019;11022:1102204. https://doi.org/10.1117/12.2521774

23. Хабибуллин Р.А., Щаврук Н.В., Клочков А.Н., Глинский И.А., Зенченко Н.В., Пономарев Д.С., Мальцев П.П., Зайцев А.А., Зубов Ф.И., Жуков А.Е., Цырлин Г.Э., Алфёров Ж.И. Энергетический спектр и тепловые свойства терагерцового квантово-каскадного лазера на основе резонансно-фононного дизайна. Физика и техника полупроводников. 2017;51(4): 540–546. https://doi.org/10.21883/FTP.2017.04.44349.8414

24. Цырлин Г.Э., Резник Р.Р., Жуков А.Е., Хабибуллин Р.А., Маремьянин К.В., Гавриленко В.И., Морозов С.В. Особенности роста наноструктур для терагерцовых квантово-каскадных лазеров и их физические свойства. Физика и техника полупроводников. 2020;54(9):902–905. https://doi.org/10.21883/FTP.2020.09.49829.21

25. Ushakov D., Afonenko A., Khabibullin R., Ponomarev D., Aleshkin V., Morozov S., Dubinov A. HgCdTe-based quantum cascade lasers operating in the GaAs phonon Reststrahlen band predicted by the balance equation method. Opt. Express. 2020;28(17):25371–25382. https://doi.org/10.1364/oe.398552