Ушаков Д.В.
Афоненко А.А.
Пономарёв Д.С.
Пушкарёв С.С.
Гавриленко В.И.
Хабибуллин Р.А.
 Статья на сайте eLibrary

На основе решения уравнения Шрёдингера с учётом дефазировки квантовых состояний, а также системы замкнутых балансных уравнений проведено исследование зонных дизайнов квантово-каскадных лазеров (ККЛ) терагерцевого диапазона с активной областью на основе сверхрешётки GaAs/Alx Ga1-xAs. Для дизайнов с двумя квантовыми ямами в периоде сверхрешётки и с увеличенной высотой потенциальных барьеров AlxGa1-xAs (x = 0,20; 0,25 и 0,30) рассчитаны температурные зависимости пикового усиления. Показано, что за счёт роста содержания алюминия в барьерных слоях по сравнению с традиционным значением x = 0,15 появляется возможность увеличить рабочие температуры терагерцевых ККЛ до значений более 220 К. Предложены два новых дизайна лазерных переходов для повышения мощности выходного излучения и рабочей температуры ККЛ рассматриваемого частотного диапазона. Для увеличения мощности выходного излучения предложен дизайн с двухфотонной схемой лазерных переходов, что обусловливает приблизительно в 2 раза более медленное падение нелинейного коэффициента усиления с ростом плотности фотонов. Для увеличения рабочих температур предлагается использовать слабо локализованные электронные состояния с волновыми функциями, простирающимися на два и более периода структуры. Показано, что в таких структурах сильно увеличивается матричный элемент дипольных переходов, а нижний лазерный уровень имеет больший энергетических зазор с инжектором, менее заселён и более температурно-стабилен по сравнению с традиционными дизайнами. При этом расчётное значение максимальной рабочей температуры составляет около 250 К.

На английском языке
New designs of laser transitions in terahertz quantum-cascade lasers
Ushakov D.V., Afonenko A.A., Ponomarev D.S., Pushkarev S.S., Gavrilenko V.I. and Khabibullin R.A.

We study the band designs of terahertz quantum-cascade lasers (THz QCLs) with an active region of GaAs/AlxGa1-xAs quantum wells (QWs) by using the solution of the Schr{o}dinger equation with allowance for dephasing of quantum states, as well as solving a system of closed balance equations. For two-QW designs with increased AlxGa1-xAs potential barrier height (x = 0.20, 0.25, and 0.30), temperature dependences of the peak gain are calculated. It is shown that by increasing the aluminum content in the barrier layers compared to the conventional x = 0.15 , it becomes possible to increase the operating temperatures of THz QCLs by more than 220 K. Two new designs of laser transitions are proposed to increase the output power and operating temperature of THz QCLs. To increase the output power, a design with a two-photon scheme of laser transitions was proposed, which causes an approximately twofold slower drop in the nonlinear gain with increasing photon density. To increase operating temperatures, it is suggested to use weakly localized electron states with wave functions extending over two or more periods of the structure. The matrix element of dipole transitions in such structures is shown to be greatly increased, while the lower laser level has a larger energy gap with the injector, is less populated, and is more temperature stable compared to the conventional designs. In this case, the calculated value of the maximum operating temperature is about 250 K.

DOI: https://doi.org/10.52452/00213462_2022_65_05_505