Optimizacija kvantnih kaskadnih lasera u srednjoj infracrvenoj i terahercnoj oblasti spektra u jakom magnetnom polju
Optimization of mid-infrared and terahertz quantum cascade lasers in strong magnetic field
Author
Daničić, AleksandarMentor
Radovanović, Jelena
Committee members
Milanović, VitomirTadić, Milan
Petrović, Jovana

Metadata
Show full item recordAbstract
Napredna oblast nano- i opto-elektronike se zasniva na razumevanju i
kontroli unutarzonskih prelaza u sistemima nanometarskih dimenzija.
Kvantno kaskadne strukture predstavljaju generalni koncept
optoelektronskih uređaja baziranih na radijativnim prelazima između
kvantizovanih energetskih nivoa u strukturama koje sačinjavaju višestruke
kvantne jame. Danas, kvantni kaskadni laseri imaju mogućnost rada na
frekvencijama srednjeg infracrvenog i terahercnog dela spektra,
predstavljaju reprezentativne primere inţinjeringa unutarzonskih prelaza, i
obezbeđuju moderni model struktura koji se koristi za proučavanje
osnovnih osobina poluprovodničkih sistema.
Ova disertacija se bavi formulisanjem detaljnog modela i
odgovarajućim numeričkim simulacijama za proračun brzina rasejanja
elektrona (usled rasejanja na neravninama površina, rasejanja elektrona sa
longitudinalnim optičkim i akustičnim fononima), kao i optičkog
pojačanja izračunatog za četiri različite strukture kvantnih kaskadnih
lasera baz...iranih na GaAs, koje rade kako u srednjem infracrvenom, tako i
u terahercnom opsegu, a sve pod dejstvom jakog spoljašnjeg magnetnog
polja. Kada je magnetno polje primenjeno u pravcu paralelnom na ravan
slojeva, svaka energetska podzona se cepa na serije diskretnih Landauovih
nivoa, kojima se moţe manipulisati podešavanjem magnetnog polja, pa se
na taj način moţe kontrolisati promena stepena inverzne populacije, a
samim tim i optičko pojačanje.
Simulacije su sprovedene uzimajući u obzir dizajn kvantnih kaskadnih
lasera koje čine dve ili tri jame, i koji emituju svetlost na 4.6THz i 3.9THz,
respektivno, a obe strukture su implementirane u GaAs/Al0.15Ga0.85As,
dok primeri koji se tiču srednjeg infracrvenog opsega emituju na 7.3μm i
10.3μm, i implementirani su na GaAs/Al0.38Ga0.62As platformi.
Predstavljeni su numerički rezultati za vrednosti spoljašnjeg polja od 1.5T
do 20T u slučaju terahercnih struktura (20T do 60T u slučaju struktura
srednje infracrvene oblasti), a zonska neparaboličnost je uzeta u obzir.
Pokazano je koji su mehanizmi rasejanja nosilaca dominantni u kom tipu
struktura (u zavisnosti od dela elektromagnetnog spektra za koji su
namenjene). Takođe je istaknuto kako se magnetno polje moţe koristiti
kao moćna spektroskopska alatka, jer se menjanjem jačine polja moţe
uticati na poloţaje energetskih nivoa, time omogućujući rad lasera na
određenoj talasnoj duţini, pogodnoj za detekciju štetnih gasova u
vazduhu
The rapidly emerging field of nano-optoelectronics is based on the
understanding and control of intersubband transitions in nanodimensional
systems. A quantum cascade (QC) structure is a general
concept of an optoelectronic device based on a cascade of radiative
transitions between size-quantized energy levels in a multi-quantum-well
structure. Today, Quantum Cascade Lasers (QCL), being able to operate
from the mid-infrared (MIR) to the THz range of frequencies, represent
one of the most striking outcomes of intersubband structure engineering,
and provide a state-of-the-art model structure to study the basic
properties of semiconductor systems.
This dissertation concerns the formulation of a comprehensive model
and corresponding numerical simulationsfor calculating the electron
relaxation rates (due to interface roughness, electron – longitudinal
optical phonon and electron-acoustic phonon scattering), as well as the
optical gain of four different GaAs quantum cascade structures that
o...perate in both MIR and THz spectral range placed in a strong external
magnetic field. When the magnetic field is applied in the direction
perpendicular to the plane of the layers, each energy subbandis split into
series of discrete Landau levels, which are magnetically tunable and it is
therefore possible to control the modulation of the population inversion,
and consequently the optical gain.
The simulations are performed on two- and three-well designsof
quantum cascade lasers that operate at 4.6THz and 3.9THz, respectively,
both implemented in GaAs/Al0.15Ga0.85As, while the structures
concerning the MIR spectral range operate at 7.3μm and 10.3μm, and are
implemented in GaAs/Al0.38Ga0.62As. Numerical results are presented for
magnetic field values from 1.5T up to 20T for structures emitting in the
THz range (20T up to 60T in the case of MIR structures), while the band
nonparabolicity is taken into account. It has been shown which scattering
mechanism can be considered dominant in different types of structures
(according to the part of the electromagnetic spectrum they are designed
for). It has alsobeen pointed out that external magnetic field can be used
as powerful spectroscopic tool,because by changing the field value one
can influence the positions of the split energy levels, therefore enabling
the laser emission at specific wavelengths, suitable for detection of
pollutant gases in the ambient air.