Новые дизайны лазерных переходов в терагерцевых квантово-каскадных лазерах

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/Al_x Ga_1-xAs. Для дизайнов с двумя квантовыми ямами в периоде сверхрешётки и с увеличенной высотой потенциальных барьеров Al_xGa_1-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.