Quantentopflaser – Wikipedia

EIN Quantentopflaser ist eine Laserdiode, in der der aktive Bereich der Vorrichtung so eng ist, dass eine Quantenbeschränkung auftritt. Laserdioden werden in zusammengesetzten Halbleitermaterialien gebildet, die (ganz anders als Silizium) Licht effizient emittieren können. Die Wellenlänge des von einem Quantentopflaser emittierten Lichts wird eher durch die Breite des aktiven Bereichs als nur durch die Bandlücke des Materials bestimmt, aus dem er aufgebaut ist.^[1] Dies bedeutet, dass mit Quantentopflasern viel kürzere Wellenlängen erzielt werden können als mit herkömmlichen Laserdioden unter Verwendung eines bestimmten Halbleitermaterials. Die Effizienz eines Quantentopflasers ist aufgrund der stufenweisen Form seiner Zustandsdichtefunktion auch größer als die einer herkömmlichen Laserdiode.

Ursprung des Konzepts der Quantentöpfe[edit]

Im Jahr 1972 hatte Charles H. Henry, Physiker und neu ernannter Leiter der Forschungsabteilung für Halbleiterelektronik bei Bell Laboratories, großes Interesse am Thema der integrierten Optik, der Herstellung von optischen Schaltkreisen, in denen sich das Licht in Wellenleitern bewegt.

Später in diesem Jahr hatte Henry, als er über die Physik von Wellenleitern nachdachte, einen tiefen Einblick. Er erkannte, dass eine doppelte Heterostruktur nicht nur ein Wellenleiter für Lichtwellen ist, sondern gleichzeitig für Elektronenwellen. Henry stützte sich auf die Prinzipien der Quantenmechanik, nach denen sich Elektronen sowohl als Teilchen als auch als Wellen verhalten. Er nahm eine vollständige Analogie zwischen dem Einschluss von Licht durch einen Wellenleiter und dem Einschluss von Elektronen durch die Potentialwanne wahr, die sich aus dem Unterschied der Bandlücken in einer doppelten Heterostruktur ergibt.

CH Henry erkannte, dass genau wie es diskrete Moden gibt, in denen sich Licht innerhalb eines Wellenleiters bewegt, es diskrete Elektronenwellenfunktionsmoden in der Potentialwanne geben sollte, die jeweils ein einzigartiges Energieniveau haben. Seine Schätzung zeigte, dass, wenn die aktive Schicht der Heterostruktur mehrere zehn Nanometer dünn ist, die Elektronenenergieniveaus durch zehn Millielektronenvolt aufgeteilt würden. Diese Menge an Aufteilung des Energieniveaus ist beobachtbar. Die von Henry analysierte Struktur wird heute als “Quantentopf” bezeichnet.

Henry fuhr fort zu berechnen, wie diese “Quantisierung” (dh das Vorhandensein diskreter Elektronenwellenfunktionen und diskreter Elektronenenergieniveaus) die optischen Absorptionseigenschaften (die Absorptionskante) dieser Halbleiter verändern würde. Er erkannte, dass anstelle einer sanften Zunahme der optischen Absorption wie bei gewöhnlichen Halbleitern die Absorption einer dünnen Heterostruktur (wenn sie gegen die Photonenenergie aufgetragen wird) als eine Reihe von Schritten erscheinen würde.

Zusätzlich zu Henrys Beiträgen wurde der Quantentopf (der eine Art Doppelheterostrukturlaser ist) erstmals 1963 von Herbert Kroemer in Proceedings of the IEEE vorgeschlagen^[2] und gleichzeitig (1963) in der UdSSR von Zh. I. Alferov und RF Kazarinov.^[3] Alferov und Kroemer erhielten im Jahr 2000 einen Nobelpreis für ihre Arbeit in Halbleiter-Heterostrukturen.^[4]

Experimentelle Verifikation von Quantentöpfen[edit]

Anfang 1973 schlug Henry R. Dingle, einem Physiker in seiner Abteilung, vor, nach diesen vorhergesagten Schritten zu suchen. Die sehr dünnen Heterostrukturen wurden von W. Wiegmann unter Verwendung von Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Die dramatische Wirkung der Schritte wurde in dem folgenden Experiment beobachtet, das 1974 veröffentlicht wurde.^[5]

Erfindung des Quantentopflasers[edit]

Nachdem dieses Experiment die Realität der vorhergesagten Quantentopf-Energieniveaus gezeigt hatte, versuchte Henry, an eine Anwendung zu denken. Er erkannte, dass die Quantentopfstruktur die Zustandsdichte des Halbleiters verändern und zu einem verbesserten Halbleiterlaser führen würde, der weniger Elektronen und Elektronenlöcher benötigt, um die Laserschwelle zu erreichen. Er erkannte auch, dass die Laserwellenlänge lediglich durch Ändern der Dicke der dünnen Quantentopfschichten geändert werden konnte, während bei dem herkömmlichen Laser eine Änderung der Wellenlänge eine Änderung der Schichtzusammensetzung erfordert. Ein solcher Laser, so argumentierte er, hätte im Vergleich zu den damals hergestellten Standard-Doppelheterostrukturlasern überlegene Leistungseigenschaften.

Dingle und Henry erhielten ein Patent für diesen neuen Halbleiterlasertyp, der ein Paar Schichten mit breiter Bandlücke umfasst, zwischen denen ein aktiver Bereich angeordnet ist, in dem “die aktiven Schichten dünn genug sind (z. B. etwa 1 bis 50 Nanometer), um das Quantum zu trennen darin eingeschlossene Elektronenniveaus. Diese Laser zeigen eine Wellenlängenabstimmbarkeit durch Ändern der Dicke der aktiven Schichten. Ebenfalls beschrieben wird die Möglichkeit von Schwellenwertverringerungen, die aus einer Modifikation der Dichte von Elektronenzuständen resultieren. ” Das Patent wurde am 21. September 1976 mit dem Titel “Quanteneffekte in Heterostrukturlasern”, US-Patent Nr. 3,982,207, erteilt.^[6]

Quantentopflaser benötigen weniger Elektronen und Löcher, um die Schwelle zu erreichen als herkömmliche Doppelheterostrukturlaser. Ein gut konzipierter Quantentopflaser kann einen äußerst niedrigen Schwellenstrom aufweisen.

Da außerdem die Quanteneffizienz (Photonenausgang pro Elektroneneintritt) durch die optische Absorption durch die Elektronen und Löcher weitgehend begrenzt ist, können mit dem Quantentopflaser sehr hohe Quanteneffizienzen erzielt werden.

Um die Verringerung der aktiven Schichtdicke auszugleichen, wird häufig eine kleine Anzahl identischer Quantentöpfe verwendet. Dies wird als Multi-Quantentopf-Laser bezeichnet.

Frühe Demonstrationen[edit]

Während der Begriff “Quantentopflaser” Ende der 1970er Jahre von Nick Holonyak und seinen Studenten an der Universität von Illinois in Urbana Champaign geprägt wurde, wurde die erste Beobachtung des Quantentopflaserbetriebs gemacht ^[7] 1975 bei Bell Laboratories.^[1] Der erste elektrisch gepumpte “Injektions” -Quantentopflaser wurde beobachtet ^[8] von P. Daniel Dapkus und Russell D. Dupuis von Rockwell International in Zusammenarbeit mit der Gruppe der Universität von Illinois in Urbana Champaign (Holonyak) im Jahr 1977. Dapkus und Dupuis hatten bis dahin Pionierarbeit in der metallorganischen Dampfphasenepitaxie MOVPE (auch bekannt als OMCVD-, OMVPE- und MOCVD) -Technik zur Herstellung von Halbleiterschichten. Die damalige MOVPE-Technik lieferte im Vergleich zur von Bell Labs verwendeten Molekularstrahlepitaxie (MBE) eine überlegene Strahlungseffizienz. Später gelang es Won T. Tsang von Bell Laboratories jedoch, in den späten 1970er und frühen 1980er Jahren MBE-Techniken einzusetzen, um dramatische Verbesserungen der Leistung von Quantentopflasern zu demonstrieren. Tsang zeigte, dass Quantentöpfe, wenn sie optimiert werden, einen außerordentlich niedrigen Schwellenstrom und eine sehr hohe Effizienz bei der Umwandlung von Strom in Licht haben, was sie ideal für eine weit verbreitete Verwendung macht.

Die ursprüngliche Demonstration von optisch gepumpten Quantentopflasern aus dem Jahr 1975 hatte eine Schwellenleistungsdichte von 35 kW / cm². Letztendlich wurde festgestellt, dass die niedrigste praktische Schwellenstromdichte in einem Quantentopflaser 40 Ampere / cm beträgt², eine Reduzierung von ungefähr 1.000x.^{[9][full citation needed]}

Es wurden umfangreiche Arbeiten an Quantentopflasern durchgeführt, die auf Galliumarsenid- und Indiumphosphidwafern basieren. Heute werden jedoch Laser, die Quantentöpfe und die von CH Henry in den frühen 1970er Jahren erforschten diskreten Elektronenmoden verwenden und sowohl mit MOVPE- als auch mit MBE-Techniken hergestellt wurden, bei einer Vielzahl von Wellenlängen vom ultravioletten bis zum THz-Bereich hergestellt. Die Laser mit der kürzesten Wellenlänge basieren auf Materialien auf Galliumnitridbasis. Die Laser mit der längsten Wellenlänge basieren auf dem Design des Quantenkaskadenlasers.

Die Geschichte des Ursprungs des Quantentopfkonzepts, seiner experimentellen Verifikation und der Erfindung des Quantentopflasers wird von Henry im Vorwort zu “Quantentopflaser”, hrsg. von Peter S. Zory, Jr.^[1]

Schaffung des Internets[edit]

Quantentopflaser sind wichtig, da sie das aktive Grundelement (Laserlichtquelle) der Internet-Glasfaserkommunikation sind. Frühe Arbeiten an diesen Lasern konzentrierten sich auf Bohrlöcher auf GaAs-Galliumarsenidbasis, die durch Al-GaAs-Wände begrenzt sind. Wellenlängen, die von optischen Fasern übertragen werden, lassen sich jedoch am besten mit Indiumphosphidwänden mit Bohrlöchern auf Indiumgalliumarsenidphosphidbasis erzielen. Das zentrale praktische Problem von Lichtquellen, die in Kabeln vergraben sind, ist ihre Lebensdauer bis zum Ausbrennen. Die durchschnittliche Ausbrennzeit früher Quantentopflaser betrug weniger als eine Sekunde, so dass viele frühe wissenschaftliche Erfolge mit seltenen Lasern mit Ausbrennzeiten von Tagen oder Wochen erzielt wurden. Der kommerzielle Erfolg wurde von Lucent (einem Spin-off von Bell Laboratories) in den frühen 1990er Jahren mit einer Qualitätskontrolle der Produktion von Quantentopflasern durch MOVPE Metalorganic-Dampfphasenepitaxie erzielt, wie sie mit hochauflösenden Röntgenstrahlen von Joanna (Joka) Maria Vandenberg durchgeführt wurde. Ihre Qualitätskontrolle erzeugte Internetlaser mit mittleren Burn-out-Zeiten von mehr als 25 Jahren.

Verweise[edit]