Лазеры на квантовых точках

В последние десятилетия полупроводниковые лазеры получили широкое распространение в системах передачи информации. В действительности без развития лазерной техники, в общем, и полупроводниковых лазеров, в частности, развитие оптических систем передачи не было бы возможно. Поэтому дальнейшее развитие оптических систем связи невозможно без развития лазерных технологий. Одним из перспективных направлений такого развития является получение лазеров на квантовых точках. Уже в 2010 году японская компания Fujitsu и физики из Университета Токио представили первый в мире квантовый точечный лазер, позволяющий передавать данные со скоростью 25 Гбит/сек на одной моде [1].
Лазеры на квантовых точках позволяют передавать за более короткие промежутки времени передавать большее количество информации, а также более стабильны к колебаниям температуры. В перспективе, можно ожидать, что лазеры на квантовых точках будут обладать низким энергопотреблением.
Рассмотрим механизм работы лазеров более подробно. Прежде всего, разберёмся, что же из себя представляют квантовые точки.
Как всем известно, электрон в полупроводнике находиться в потенциальной яме, образованной энергиями ионов решётки. Если размеры этой ямы в одном из направлений сравниваются с длиной волны де Бройля, то электрон по этому направлению следует рассматривать как стоячую волну, а не как частицу. Причем, размерность соответствующая данному направлению “схлопывается” (исчезает из рассмотрения) и трёхмерная система (3D) превращается в двухмерную (2 D) систему. Образцом такой квазидумерной системы является канал МОП-транзистора. Далее, если сделать двумерную систему достаточно узкой, то стоячая волна образуется и по ширине канала. Полупроводник становится своеобразным волноводом, в котором электрон может распространяться только в одном направлении. В таких случаях говорят о квантовых нитях или проволоках – квазиодномерные (1D) системы. Размеры полупроводниковой структуры можно сделать настолько малыми, что стоячие волны образуются по всем направлениям, что позволяет нам говорить о “нульмерных” (0D) системах – квантовых точках (quantum dots) или искусственных атомах.
Схематичный вид плотности состояний для систем с различной размерности представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Схематичный вид плотности состояний для систем с различной размерности.

Квантовой точкой может служить любой достаточно маленький кусочек металла или полупроводника. Исторически первыми квантовыми точками, вероятно, были микрокристаллы селенида кадмия CdSe. Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трёхмерной потенциальной яме. Аналогично переходу между уровнями энергии атома, при переходе между энергетическими уровнями квантовой точки может излучаться фотон. Возможно также забросить электрон на высокий энергетический уровень, а излучение получить от перехода между более низколежащими уровнями. При этом, в отличие от настоящих атомов, частотами переходов легко управлять, меняя размеры кристалла. Собственно, наблюдение люминесценции кристаллов селенида кадмия с частотой люминесценции, определяемой размером кристалла, и послужило первым наблюдением квантовых точек [2].

Квантовые точки являются очень перспективным материалом и находят большое применения в электронике. Квантовые точки применятся, например, для создание дисплеев (QD-LED), весьма перспективным направлением в использовании квантовых точек является квантовая логика (квантовые точки могут использоваться в качестве кубитови в качестве синхронных источников одиночных фотонов). Мы остановимся на рассмотрении применения квантовых точек в создании полупроводниковых лазеров.

Из общих теоретических соображений ясно что лазеры на идеальных квантовых точках должны обладать лучшими характеристиками (высокие коэффициенты усиления, низкие пороговые токи, высокая стабильность работы, узкие спектральные линии), чем распространенные лазеры на двойных гетероструктурах или квантовых ямах. Естественно, реальные квантовые точки, не могут быть избавлены от различных дефектов и дисперсии размеров, вследствие чего параметры реальных лазеров на квантовых точках, пока не соответствуют теоретическим предсказаниям. Для применения в лазерах квантовые точки должны локализовать электроны в зоне проводимости и дырки валентной зоны в одной пространственной области. Электронная структура квантовых точек очень напоминает структуру для отдельных атомов, вследствие чего лазеры на квантовых точках во многом похожи на обычные ионные газовые лазеры. Основным преимуществом по сравнению с ионными лазерами, является то, что их электронная структура может управляться путем подбора материала, формы и размера точек. Рассмотри некоторые преимущества лазеров на квантовых точках (плотность порогового тока и ватт-амперные характеристики).

Низкая пороговая плотность тока является достаточно очевидным свойством лазеров на квантовых точках. На рисунке 2 представлены значения плотности тока для различных лазерных структур по данным [3].

Рисунок 2. Плотность порогового тока для лазерных структур с различной локализацией.

Т.к. плотность квантовых точек и время излучательной рекомбинации носителей конечны, то для создания инверсной заселенности, достаточно инжектировать в квантовую точку одну электронно-дырочную пару. В случае нулевых потерь в резонаторе инжекция малого количества дополнительных носителей позволит достичь лазерного усиления. Следует заметить, что подобные рассуждения полностью справедливы только для идеальных квантовых точек.

Теоретическое сравнение ватт-амперных характеристик лазеров с различными структурами показывает, что лазеры на квантовых точках обладают существенными преимуществами. В лазерах на квантовых точках ватт-амперная характеристика является линейной, а внутренняя и внешняя квантовая эффективности близки к единице вплоть до очень высоких токов инжекции. Современные лазеры на квантовых точках демонстрируют выходные мощности более 10 Вт в непрерывном режиме [4].

В данной работе представлено краткое описание лазеров на квантовых точках. Обзор является очень упрощенным и исключает из рассмотрения многие аспекты, в том числе влияние формы квантовой точки и различных дефектов. Автор надеется, что данный обзор вызовет у читателей интерес к дальнейшему изучению лазеров на квантовых точках.

Ассистент кафедры «ТЭ» — Акимов С.В. (akimovvc@rambler.ru)

Список литературы

1. http://htnew.ru/eto-interesno/kvantovyj-lazer-peredaet-dannye-so-skorostyu-25-gbitsek/

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E2%E0%ED%F2%EE%E2%E0%FF_%F2%EE%F7%EA%E0

3. Дж. М. Мартинес-Дурат. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники.

4. М.В. Максимов, А.Е. Жуков. Квантовые точки в современной оптоэлектроники.

 

 

Добавить комментарий