量子カスケードレーザー

サブバンド間 vs. バンド間遷移

バルク半導体結晶内では、電子は低エネルギーの電子が集中している価電子帯と、高エネルギーの電子がまばらに分布している伝導帯の2つの連続的なエネルギーバンドの1つで状態を占めることがある。2つのエネルギーバンドは電子が占有できる状態が存在しないエネルギーバンドギャップにより分離される。従来の半導体レーザーダイオードは伝導帯の高エネルギー電子が価電子帯の正孔と再結合する際の単一光子の放出により光が発生する。光子のエネルギーつまりレーザーダイオードの発光波長は使用する材料系のバンドギャップにより決まる。
しかし、QCLは光学活性領域におけるバルク半導体材料を用いない。代わりに超格子を形成する様々な材料組成の周期的な一連の薄層からなる。超格子はデバイス長にわたり様々な電位を導入し、これはデバイス長にわたり異なる位置を占める電子の確率が変化することを意味している。これは1次元多重量子井戸閉じ込めと呼ばれ、許容されるエネルギー帯域を多数の離散電子サブバンドに分割する。層の厚さを適切に設計することにより、レーザー放射を達成するために必要とされるシステム内の2つのサブバンド間の反転分布を作ることが可能である。システム内のエネルギー準位の位置は主に材料ではなく層の厚さにより決まるため、QCLの発光波長を同じ材料系で広範囲で調整することが可能である。
さらに半導体レーザーダイオードでは電子および正孔はバンドギャップを横切って再結合した後に消滅し、光子生成においてそれ以上の役割をすることはない。しかし、単極のQCLでは1度電子がサブバンド間遷移を経て超格子の1周期で光子を放出すると、別の光子が放出される次の周期にトンネルすることができる。QCL構造を横切る際に単一の電子が複数の光子を放出させるこの過程によりこの「カスケード」という名前が生まれており、これにより半導体レーザーダイオードよりも高い出力パワーにつながる1より大きい量子効率を可能にする。

活性領域の設計

散乱率は、サブバンドの電子波動関数を決定する超格子における層の厚さを適切に設計することで調整される。2つのサブバンド間の散乱率はサブバンド間の波動関数とエネルギー間隔の重なりに大きく依存する。図は3量子井戸(3QW)QCL活性領域および注入器における波動関数を示す。
を減少させるために、上部および下部レーザー準位の重複を低減する。これは上部レーザー準位が主に3QW活性領域の左側井戸に局在するように層の厚さを設計することによりしばしば達成されるが、より低いレーザー準位波動関数は主に中央および右側井戸に存在するようになる。これは対角遷移として知られている。垂直遷移は上部レーザー準位が主に中央・右側井戸に局在するものである。これは重複を増加させ、したがって反転分布を減少させる を増加させるが、これは放射遷移の強度を増加させ結果的に利得が増加する。
を増加させるために、より低いレーザー準位および接地準位の波動関数は良い重複を有し、さらに増加させるためにはサブバンド間のエネルギー間隔は縦方向光学(LO)フォノンエネルギーと等しくし共鳴LOフォノン-電子散乱がより低いレーザー準位を急速に減少することができるように設計される。

材料系

最初のQCLはInP基板に格子整合したGaInAs/AlInAs材料系で製造された。この材料系は520meVの伝導帯オフセット（量子井戸深さ）を有する。これらのInPベースのデバイスは中赤外線スペクトル範囲にわたり非常に高レベルの性能に達し、室温以上で高出力で連続波発光を達成する。
1998年、GaAs/AlGaAsのQCLが Sirtoriらにより実証され、量子カスケードの発想が1つの材料系に限定されないことを証明した。この材料系は障壁のアルミニウム率に依存して量子井戸深さが変化する。GaAsベースのQCLは中赤外線でInPベースのQCLの性能レベルと一致しないが、スペクトルのテラヘルツ領域で非常に成功していることが証明されている。
QCLの短波長限界は量子井戸深さにより決定され、近年では短波長発光を達成するために非常に深い量子井戸を有する材料系で開発されている。InGaAs/AlAsSb材料系は深さ1.6eVの量子井戸を有し3μmで発光するQCLを製造するために使われている。  InAs/AlSbのQCLは2.1eVの量子井戸を有し、2.5μmの短波長でのエレクトロルミネセンスが観測されている。
QCLは伝統的に光学特性が悪いと考えられていた材料でのレーザー動作を可能にすることがある。シリコンのような間接バンドギャップ材料は異なる運動量の値で最小の電子および正孔エネルギーを有する。バンド間光学遷移についてはキャリアは遅い中間散乱過程により運動量を変化させ、光放出強度が劇的に低減する。しかしサブバンド間の光学遷移は伝導帯および価電子帯の最小値の相対運動量とは無関係であり、Si/SiGe量子カスケードエミッタの理論的提案がなされている。

発光波長

現在は2.63μmから250μmの範囲をカバーしている（磁場を印加すると355μmまでなる）。

光導波路

有用な発光デバイスを作製するために量子カスケード利得材料を処理する最初のステップは、利得媒質を光導波路に閉じ込めることである。これにより放出された光をコリメートされたビームに向けることが可能になり、光が利得媒質に戻り結合するというレーザー共振器が構築される。
2種類の光導波路が一般的に使われている。リッジ導波路は量子カスケード利得材料中に平行な溝をエッチングして、普通~10umの幅、数mmの長さの量子カスケード材料の孤立したストライプが生成される。普通、注入電流をリッジにガイドするために溝内に誘電材料が堆積され、リッジ全体が金で被覆され電気的接触を提供し、リッジが光を発するときに熱を取り除くのを助ける。光は導波路のへき開された端から放射され、普通は寸法がほんの数マイクロメートルの活性領域を有する。
2番目は埋め込みヘテロ構造である。Here, the QC material is also etched to produce an isolated ridge.  Now, however, new semiconductor material is grown over the ridge.  The change in index of refraction between the QC material and the overgrown material is sufficient to create a waveguide.  Dielectric material is also deposited on the overgrown material around QC ridge to guide the injected current into the QC gain medium.  Buried heterostructure waveguides are efficient at removing heat from the QC active area when light is being produced.

Laser types

Although the quantum cascade gain medium can be used to produce incoherent light in a superluminescent configuration, it is most commonly used in combination with an optical cavity to form a laser.

Fabry–Perot lasers

This is the simplest of the quantum cascade lasers.  An optical waveguide is first fabricated out of the quantum cascade material to form the gain medium.  The ends of the crystalline semiconductor device are then cleaved to form two parallel mirrors on either end of the waveguide, thus forming a Fabry–Pérot resonator.   The residual reflectivity on the cleaved facets from the semiconductor-to-air interface is sufficient to create a resonator.  Fabry–Pérot quantum cascade lasers are capable of producing high powers, but are typically multi-mode at higher operating currents.  The wavelength can be changed chiefly by changing the temperature of the QC device.

Distributed feedback lasers

A distributed feedback (DFB) quantum cascade laser is similar to a Fabry–Pérot laser, except for a distributed Bragg reflector (DBR) built on top of the waveguide to prevent it from emitting at other than the desired wavelength.  This forces single mode operation of the laser, even at higher operating currents.  DFB lasers can be tuned chiefly by changing the temperature, although an interesting variant on tuning can be obtained by pulsing a DFB laser.  In this mode, the wavelength of the laser is rapidly “chirped” during the course of the pulse, allowing rapid scanning of a spectral region.

External cavity lasers

In an external cavity (EC) quantum cascade laser, the quantum cascade device serves as the laser gain medium.  One, or both, of the waveguide facets has an anti-reflection coating that defeats the optical cavity action of the cleaved facets.  Mirrors are then arranged in a configuration external to the QC device to create the optical cavity.
If a frequency-selective element is included in the external cavity, it is possible to reduce the laser emission to a single wavelength, and even tune the radiation.  For example, diffraction gratings have been used to create a tunable laser that can tune over 15% of its center wavelength.

Extended tuning devices

There exists several methods to extend the tuning range of quantum cascade lasers using only monolithically integrated elements. Integrated heaters can extend the tuning range at fixed operation temperature to 0.7% of the central wavelength and superstructure gratings operating through the Vernier effect can extend it to 4% of the central wavelength, compared to <0.1% for a standard DFB device.

Applications

Fabry-Perot (FP) quantum cascade lasers were first commercialized in 1998, Distributed feedback (DFB) devices were first commercialized in 2004, and broadly-tunable external cavity quantum cascade lasers first commercialized in 2006.  The high optical power output, tuning range and room temperature operation make QCLs useful for spectroscopic applications such as remote sensing of environmental gases and pollutants in the atmosphere and security.  They may eventually be used for vehicular cruise control in conditions of poor visibility, collision avoidance radar, industrial process control, and medical diagnostics such as breath analyzers.  QCLs are also used to study plasma chemistry.
When used in multiple-laser systems, intrapulse QCL spectroscopy offers broadband spectral coverage that can potentially be used to identify and quantify complex heavy molecules such as those in toxic chemicals, explosives, and drugs.

In fiction

The upcoming video game Star Citizen imagines external-cavity quantum cascade lasers as high-power weapons.