Quantum cascade lasers: 20 years of challenges

Vitiello, Miriam S.; Scalari, Giacomo; Williams, Benjamin S.; Natale, P. De

doi:10.1364/oe.23.005167

Cited by 467 publications

(271 citation statements)

References 127 publications

Supporting

Mentioning

253

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…In the last decade, significant scientific effort has been directed towards identifying the main temperaturedegrading mechanisms [5][6][7][8] , as well as finding optimized QCL designs [9][10][11][12][13][14] . The degrading mechanisms include thermal backfilling 3,15 , thermally activated LO phonon emission [6][7][8]16 , increased broadening [17][18][19] , and carrier leakage into continuum states 20 . When numerically optimizing a design, it is important to take all of these effects into consideration, in order to ensure a close correspondence between the model and the real device.…”

mentioning

confidence: 99%

Two-well quantum cascade laser optimization by non-equilibrium Green's function modelling

Franckié

Bosco

Beck

et al. 2018

Applied Physics Letters

View full text Add to dashboard Cite

We present a two-quantum well THz intersubband laser operating up to 192 K. The structure has been optimized with a non-equilibrium Green's function model. The result of this optimization was confirmed experimentally by growing, processing and measuring a number of proposed designs. At high temperature (T > 200 K), the simulations indicate that lasing fails due to a combination of electron-electron scattering, thermal backfilling, and, most importantly, re-absorption coming from broadened states.Terahertz quantum cascade lasers (QCLs) 1 are interesting candidates for a wide variety of potential applications 2,3 . However, to date, their operation is limited to ∼200 K 4 and the necessity of cryogenic cooling hinders a widespread use of these devices. In the last decade, significant scientific effort has been directed towards identifying the main temperaturedegrading mechanisms 5-8 , as well as finding optimized QCL designs 9-14 . The degrading mechanisms include thermal backfilling 3,15 , thermally activated LO phonon emission [6][7][8]16 , increased broadening [17][18][19] , and carrier leakage into continuum states 20 . When numerically optimizing a design, it is important to take all of these effects into consideration, in order to ensure a close correspondence between the model and the real device. Combined with the fact that the optimization parameters are typically trade-offs for one another, the task is very complex. Here, typically simpler rate equation or density matrix models are used in order to more quickly sweep the parameter space 21-23 , while more advanced models, such as non-equilibrium Green's functions (NEGF) or Monte-Carlo, are used to validate and analyze the final designs 13,[24][25][26] . In contrast, in this work we will employ an advanced model directly at the optimization stage. Specifically, we shall use a NEGF model 27 , capable of accurately simulating experimental devices 13,26,28 and including the most general treatment of scattering, from all relevant processes.The goal of the optimization is to achieve the highest possible operating temperature. Thus, the gain of the active medium should be maximized at high lattice temperature, and simultaneously the external losses minimized. The key figures for gain are inversion, oscillator strength, and line width 29 . These are mainly controlled by the doping density, the energy difference E ex between the lower laser level ll and the extractor state e, and the width of the two barriers: the laser and injection barriers. Population inversion increases with doping, although a too high level promotes detrimental effects, such as electron-electron scattering. E ex , which is chosen to be close to the LO phonon resonance E LO in order to have a short ll lifetime, and the laser frequency ω are mainly determined by the well widths. The laser barrier width determines the oscillator strength, which at the same time affects inversion; a more vertical transition

show abstract

mentioning

confidence: 99%

Two-well quantum cascade laser optimization by non-equilibrium Green's function modelling

Franckié

Bosco

Beck

et al. 2018

Applied Physics Letters

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…В среднем ИК диапазоне наи-лучшие характеристики демонстрируют униполярные квантово-каскадные лазеры (ККЛ): в диапазоне длин волн 5−16 мкм данные приборы способны обеспечивать генерацию в непрерывном режиме даже при комнатной температуре [1]. Активно развиваются и терагерцовые ККЛ [2].…”

Section: Introductionunclassified

Исследования волноводных структур с квантовыми ямами на основе HgCdTe для получения длинноволнового стимулированного излучения

Rumiantsev¹,

Kadykov²,

Fadeev³

et al. 2017

Физика И Техника Полупроводников

View full text Add to dashboard Cite

Исследуются фотолюминесценция и стимулированное излучение на межзонных переходах в квантовых ямах на основе HgCdTe, помещенных в диэлектрический волновод из широкозонного твердого раствора CdHgTe. Гетероструктуры с квантовыми ямами на основе HgCdTe представляют интерес для создания длин-новолновых лазеров на диапазон 25−60 мкм, к настоящему времени недоступный для квантово-каскадных лазеров. В работе обсуждаются оптимальные дизайны квантовых ям для достижения длинноволнового стимулированного излучения при оптической накачке. Показано, что узкие квантовые ямы из чистого HgTe оказываются перспективнее для длинноволновых лазеров по сравнению с широкими (потенциальными) ямами из твердого раствора за счет подавления оже-рекомбинации. Продемонстрировано, что технология молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет получать структуры для локализации излучения с длиной волны вплоть до 25 мкм при высокой скорости роста. Получено стимулированное излучение на длинах волн 14−6 мкм с пороговой интенсивностью накачки в диапазоне 100−500 Вт/см 2 при 20 K.DOI: 10.21883/FTP.2017.12.45174.37 ВведениеВ настоящее время разработка компактных полу-проводниковых лазеров для спектроскопии в дальнем инфракрасном (ИК) и терагерцовом диапазонax остает-ся актуальной задачей. В среднем ИК диапазоне наи-лучшие характеристики демонстрируют униполярные квантово-каскадные лазеры (ККЛ): в диапазоне длин волн 5−16 мкм данные приборы способны обеспечивать генерацию в непрерывном режиме даже при комнатной температуре [1]. Активно развиваются и терагерцовые ККЛ [2]. Тем не менее существует достаточно широкий спектральный диапазон (длины волн 20−60 мкм, часто-ты 5−15 ТГц), который до сих пор остается недоступ-ным для ККЛ ввиду сильного решеточного поглощения в материалах GaAs и InP, которые обычно используются для изготовления ККЛ, в этом диапазоне. Использование ККЛ на основе InAs [3,4] позволило достичь длин волн ∼ 20 мкм при комнатной температуре, однако в более длинноволновой области 20−25 мкм на данный момент существуют ККЛ лишь для отдельных частот, отвечаю-щих минимумам фононного поглощения в соответству-ющих материалах [5][6][7]. Таким образом, спектральный диапазон 25−60 мкм в настоящее время перекрыт толь-ко инжекционными лазерами на основе халькогенидов свинца PbSnSe(Te), которые обеспечивают генерацию на длинах волн до 46.5 мкм [8,9], однако характеризуются низкой выходной мощностью и рабочей температурой ниже температуры жидкого азота.Как и твердые растворы на основе халькогенидов свинца и олова, твердый раствор HgCdTe (кадмий− ртуть−теллур, КРТ) обладает возможностью изменения ширины запрещенной зоны и достаточно низкими часто-тами оптических фононов для создания длинноволновых лазеров (энергия CdTe-подобных оптических фононов в узкозонных составах КРТ лежит вблизи 20 мэВ, а HgTe-подобных -около 15 мэВ [10]). Преимуществом материалов на основе HgCdTe по сравнению со струк-турами на основе PbSnSe(Te) является более развитая технология роста. На настоящий момент молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) позволяет получать высо-кокачественные эпитакси...

show abstract

“…In the meantime, quantum cascade lasers (QCLs) have gained tremendous development in the last two decades [3]. Nowadays, it is becoming the leading laser source in the mid-infrared (mid-IR) frequency range, and has many applications in gas sensing, environmental monitoring, medical diagnosis, security, and defense [4].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Recent Advances in Room Temperature, High-Power Terahertz Quantum Cascade Laser Sources Based on Difference-Frequency Generation

Razeghi

2016

Photonics

View full text Add to dashboard Cite

We present the current status of high-performance, compact, THz sources based on intracavity nonlinear frequency generation in mid-infrared quantum cascade lasers. Significant performance improvements of our THz sources in the power and wall plug efficiency are achieved by systematic optimizing the device's active region, waveguide, and chip bonding strategy. High THz power up to 1.9 mW and 0.014 mW for pulsed mode and continuous wave operations at room temperature are demonstrated, respectively. Even higher power and efficiency are envisioned based on enhancements in outcoupling efficiency and mid-IR performance. Our compact THz device with high power and wide tuning range is highly suitable for imaging, sensing, spectroscopy, medical diagnosis, and many other applications.

show abstract

Quantum cascade lasers: 20 years of challenges

Cited by 467 publications

References 127 publications

Two-well quantum cascade laser optimization by non-equilibrium Green's function modelling

Two-well quantum cascade laser optimization by non-equilibrium Green's function modelling

Исследования волноводных структур с квантовыми ямами на основе HgCdTe для получения длинноволнового стимулированного излучения

Recent Advances in Room Temperature, High-Power Terahertz Quantum Cascade Laser Sources Based on Difference-Frequency Generation

Contact Info

Product

Resources

About