量子阱激光器

1、量子阱激光器量子阱激光器簡介及工作原理簡介及工作原理量子阱激光器概述量子阱激光器概述一般半導(dǎo)體激光器有源層厚度約為0.10.3m，當(dāng)有源層厚度減薄到玻爾半徑或德布羅意波長數(shù)量級(jí)時(shí)，就出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)，這時(shí)載流子被限制在有源層構(gòu)成的勢(shì)阱內(nèi)，該勢(shì)阱稱為量子阱量子阱，這導(dǎo)致了自由載流子特性發(fā)生重大變化。量子阱是窄帶隙超薄層被夾在兩個(gè)寬帶隙勢(shì)壘薄層之間。由一個(gè)勢(shì)阱構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)為單量子阱單量子阱，簡稱為SQW（Single Quantum Well）；由多個(gè)勢(shì)阱構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)為多量子阱多量子阱，簡稱為MQW（Multiple Quantum Well）。量子阱激光器比起其他半導(dǎo)體激光器具有更低的更

2、低的閾值，更高的量子效率，極好的溫度特性和極窄的線寬。閾值，更高的量子效率，極好的溫度特性和極窄的線寬。量子阱激光器的研制始于1978年，已制出了從可見光到中紅外的各種量子阱激光器。 量子阱激光器原理量子阱激光器原理 利用量子約束在其有源層中形成量子能級(jí)，使能級(jí)之間的電子躍遷支配其受激輻射的半導(dǎo)體激光器。 量子阱激光器有兩種類型：量子線激光器量子線激光器和量子點(diǎn)量子點(diǎn)激光器激光器。 1.半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體超晶格 半導(dǎo)體超晶格是指由交替生長交替生長兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu)一維周期性結(jié)構(gòu)，薄層的厚度與半導(dǎo)體中電子的德布羅意波長（約為10nm）或電子平均自由程（約為50nm）有相同量級(jí)

3、。這種思想是在1968年Bell實(shí)驗(yàn)室的江崎（Esaki）和朱肇祥首先提出的，并于1970年首次在GaAs半導(dǎo)體上制成了超晶格結(jié)構(gòu)。江崎等人把超晶格分為兩類 ：成分超成分超晶格晶格和摻雜超晶格摻雜超晶格。 2.量子阱及量子阱材料的能帶結(jié)構(gòu)量子阱及量子阱材料的能帶結(jié)構(gòu) 由于兩種材料的禁帶寬度不同而引起的沿薄層交替生長方向（z方向）的附加周期勢(shì)分布中的勢(shì)阱稱為量子阱。量子阱中電子與塊狀晶體中電子具有完全不同的性質(zhì)，即表現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中的載流子失去了垂直于阱壁方向（z方向）的自由度，只在平行于阱壁平面（xy面）內(nèi)有兩個(gè)自由兩個(gè)自由度度，故常稱此量子

4、系統(tǒng)為二維電子氣二維電子氣。 能帶的變化導(dǎo)致以下結(jié)果：能帶的變化導(dǎo)致以下結(jié)果：(1)帶電子帶電子與重空穴重空穴和輕空穴輕空穴復(fù)合分別產(chǎn)生TE模與模與TM模模，重空穴帶與輕空穴帶在帶頂處簡并解除加劇了TE模與TM模的非對(duì)稱性非對(duì)稱性。(2)不象體材料拋物線能帶中載流子必須從接近帶底處開始填充那樣，量子阱的階梯狀能帶允許注入的載流子依子能帶逐級(jí)填充。因此注入載流子能量量子化，提高了注入有源層內(nèi)載流子的利用率注入有源層內(nèi)載流子的利用率，明顯增加了微分增益微分增益dg/dN。高微分增益帶來一系列好處：降低了激光器的閾值電流閾值電流；減少了載流子內(nèi)部損耗內(nèi)部損耗，提高了效率效率；提高了激光器的調(diào)制帶寬調(diào)

5、制帶寬，減少了頻率啁啾頻率啁啾。(3)由于Eg-qEg-b,量子阱激光器的輸出波長輸出波長通常要小于小于同質(zhì)的體材料激光器。(4)在導(dǎo)帶中子能帶沿 的分布仍是拋物線型，而在價(jià)帶中卻遠(yuǎn)非如此，這是由于重空穴帶和輕空穴帶混合（mixing）并相互作用所致，這使得價(jià)帶的能態(tài)密度分布并不象右圖所示的那樣呈現(xiàn)階梯狀，而是使價(jià)帶的能態(tài)密度能態(tài)密度增大，加劇了價(jià)帶和導(dǎo)帶能態(tài)密度的不對(duì)稱不對(duì)稱，提高了閾值電流閾值電流，降低了微分增益微分增益，從而使激光器的性能，這種情況要靠后面要提的應(yīng)變量子阱來改善。 量子阱激光器的特點(diǎn)量子阱激光器的特點(diǎn) 同常規(guī)的激光器相比，量子阱激光器具有以下特點(diǎn)：1.在量子阱中，態(tài)密度呈

6、階梯狀分布，量子阱中首先是E1c和E1v之間電子和空穴參與的復(fù)合，所產(chǎn)生的光子能量h vE1cE1v E g，即光子能量光子能量大于材料的禁帶寬度禁帶寬度。相應(yīng)地，其發(fā)射波長凡小于幾所對(duì)應(yīng)的波長九，即出現(xiàn)了波長藍(lán)移波長藍(lán)移。2.在量子阱激光器中，輻射復(fù)合主要發(fā)生在E1c和E1v之間。這是兩個(gè)能級(jí)之間的電子和空穴參與的復(fù)合，不同于導(dǎo)帶底附近的電子和價(jià)帶頂附近的空穴參與的輻射復(fù)合，因而量子阱激光器光譜的線寬明顯地變窄了。3.在量子阱激光器中，由于勢(shì)阱寬度Lx通常小于電子和空穴的擴(kuò)散長度Le和 L n，電子和空穴還未來得及擴(kuò)散就被勢(shì)壘限制在勢(shì)阱之中，產(chǎn)生很高的注入效率，易于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，

7、其增益大大提高，甚至可高達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。4.量子阱使激光器的溫度穩(wěn)定條件大為改善，A l G a I n A s量子阱激光器的特征溫度馬可達(dá)150K150K，甚至更高。因而，這在光纖通信等應(yīng)用中至關(guān)重要。 量子阱激光器的類型量子阱激光器的類型1.量子線激光器量子線激光器世界上第一只量子線激光器樣品是由美國Bellcore公司研制的。這種新型激光器所需電流，只有目前用于CD唱機(jī)上的普通二極管激光器的十萬分之一。量子線激光器是通過其“心臟”部分的一個(gè)極小的線狀的芯而將電轉(zhuǎn)化為光的，由于它的工作電流將比以前的激光器小得多，故在未來的信息處理裝置中將是非常有用的。量子線激光器所需激活電流極低，能夠在電路

8、之間起到微型光通訊系統(tǒng)的作用。2.量子點(diǎn)激光器量子點(diǎn)激光器量子點(diǎn)激光器的性能與量子階激光器或量子線激光器相比，具有更低的閾值電流密度、更高的特征溫度和更高的增益等優(yōu)越特性。這主要由于在量子點(diǎn)材料(又稱零維材料)中，載流子在三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上受到限制，載流于態(tài)密度與能量關(guān)系為6函數(shù)，因而具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì)，如量子效應(yīng)、量子隧穿、非線性光學(xué)等，極大地改善了材料的性能。因此，不但在基礎(chǔ)物理研究方面意義重大，而且在新型量子器件等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。 量子阱激光器的發(fā)展量子阱激光器的發(fā)展 為了進(jìn)一步改善量子阱激光器的性能，人們又在量子阱中引入應(yīng)變和補(bǔ)償應(yīng)變，出現(xiàn)了應(yīng)變量子阱激光器和補(bǔ)償應(yīng)變量子阱激

9、光器。應(yīng)變的引入減小了空穴的有限質(zhì)量，進(jìn)一步減小了價(jià)帶間的躍遷，從而使量子阱激光器的閾值電流大為降低，量子效率和振蕩頻率大大提高，并且由于價(jià)帶間躍遷的減小和俄歇復(fù)合的降低而進(jìn)一步改善了溫度特性，實(shí)現(xiàn)了激光器無致冷工作。在阱和壘中分別引入不同應(yīng)變（張應(yīng)變/壓應(yīng)變）實(shí)現(xiàn)應(yīng)變補(bǔ)償，不僅能改善材料質(zhì)量，從而提高激光器的壽命，而且可利用壓應(yīng)變對(duì)應(yīng)于TE模式、張應(yīng)變主要對(duì)應(yīng)于TM模式的特性，制作與偏振無關(guān)的半導(dǎo)體激的集成。2. 作為通信光源的半導(dǎo)體激光器作為通信光源的半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器是光纖通信用的主要光源，由于光纖通信系統(tǒng)具有半導(dǎo)體激光器是光纖通信用的主要光源，由于光纖通信系統(tǒng)具有不同的應(yīng)用層次

10、和結(jié)構(gòu)，因而需要不同類型的半導(dǎo)體激光器。不同的應(yīng)用層次和結(jié)構(gòu)，因而需要不同類型的半導(dǎo)體激光器。 1.光纖通信對(duì)半導(dǎo)體激光器光源的要求光纖通信對(duì)半導(dǎo)體激光器光源的要求 半導(dǎo)體激光器是激光器中的一個(gè)大家族。它與固體激光器、氣體激半導(dǎo)體激光器是激光器中的一個(gè)大家族。它與固體激光器、氣體激光器以及其它類型的激光器相比，具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換光器以及其它類型的激光器相比，具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、可以直接調(diào)制、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此它非常適用于光纖效率高、可以直接調(diào)制、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此它非常適用于光纖通信之中通信之中。#在在DFB-LDDFB-LD制作技術(shù)的發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)直接在有

11、源層刻蝕光柵會(huì)引制作技術(shù)的發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)直接在有源層刻蝕光柵會(huì)引入污染和損傷，如圖：入污染和損傷，如圖：#實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模工作的最有效的方法之實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模工作的最有效的方法之一就是在半導(dǎo)體內(nèi)部建立一個(gè)布拉格光柵，一就是在半導(dǎo)體內(nèi)部建立一個(gè)布拉格光柵，依靠光柵的選頻原理來實(shí)現(xiàn)縱模選擇。分依靠光柵的選頻原理來實(shí)現(xiàn)縱模選擇。分布反饋布拉格半導(dǎo)體激光器（布反饋布拉格半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）的特點(diǎn)在于光柵分布在整個(gè)諧振腔中，光的特點(diǎn)在于光柵分布在整個(gè)諧振腔中，光波在反饋的同時(shí)獲得增益，因此其單色性波在反饋的同時(shí)獲得增益，因此其單色性優(yōu)于一般的優(yōu)于一般的FP-LD。 (2)(2)分布反饋半導(dǎo)體激

12、光器分布反饋半導(dǎo)體激光器 法布里珀羅激光器（法布里珀羅激光器（FP-LD）是最常見、最普通的半導(dǎo)體激光器，它）是最常見、最普通的半導(dǎo)體激光器，它的諧振腔由半導(dǎo)體材料的兩個(gè)解理面構(gòu)成。目前光纖通信上采用的的諧振腔由半導(dǎo)體材料的兩個(gè)解理面構(gòu)成。目前光纖通信上采用的FP-LD的制作技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。的制作技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。FP-LD的結(jié)構(gòu)和制作工藝最簡單，成本最的結(jié)構(gòu)和制作工藝最簡單，成本最低，適用于調(diào)制速度小于低，適用于調(diào)制速度小于622Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)。的光纖通信系統(tǒng)。(1) (1) 法布里珀羅激光器法布里珀羅激光器 2. 作為通信光源的半導(dǎo)體激光器作為通信光源的半導(dǎo)體激光器 考慮到布

13、拉格光柵反射性好的特點(diǎn)，將光柵置于激光器諧振腔考慮到布拉格光柵反射性好的特點(diǎn)，將光柵置于激光器諧振腔的兩側(cè)或一側(cè)，增益區(qū)沒有光柵，光柵只相當(dāng)于一個(gè)反射率隨的兩側(cè)或一側(cè)，增益區(qū)沒有光柵，光柵只相當(dāng)于一個(gè)反射率隨波長變化的反射鏡，這樣就構(gòu)成了波長變化的反射鏡，這樣就構(gòu)成了DBR-LDDBR-LD。其中，三電極。其中，三電極DBR-DBR-LDLD是最典型的基于是最典型的基于DBR-LDDBR-LD的單模波長可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。的單模波長可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。 (3)(3)分布布拉格反射半導(dǎo)體激光器分布布拉格反射半導(dǎo)體激光器 光數(shù)據(jù)傳輸和交換的多通道往往需要能夠二維集成的器件，而垂直光數(shù)據(jù)傳輸和交換的

14、多通道往往需要能夠二維集成的器件，而垂直腔面發(fā)射激光器（腔面發(fā)射激光器（VCSELVCSEL）是一個(gè)很好的選擇。）是一個(gè)很好的選擇。它它與邊發(fā)射激光器與邊發(fā)射激光器最大的不同點(diǎn)是：出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生最大的不同點(diǎn)是：出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生長的方向。如圖，其上下分別為分布布拉格反射（長的方向。如圖，其上下分別為分布布拉格反射（DBRDBR）介質(zhì)反射）介質(zhì)反射鏡，中間（鏡，中間（InGaAsNInGaAsN）為量子阱有源區(qū)，氧化層有助于形成良好的）為量子阱有源區(qū)，氧化層有助于形成良好的電流及光場限制結(jié)構(gòu)，電流由電流及光場限制結(jié)構(gòu)，電流由P P、N N電極注

15、入，光由箭頭方向發(fā)出。電極注入，光由箭頭方向發(fā)出。 (4)(4)垂直腔面發(fā)射激光器垂直腔面發(fā)射激光器 量子阱激光器量子阱激光器應(yīng)用應(yīng)用量子阱激光器 量子阱材料特別是應(yīng)變量子阱的引入給半導(dǎo)體激光器的發(fā)展注入了新的活力，各波段低閾值大功率的 CW半導(dǎo)體激光器相繼研制成功，從而推動(dòng)了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。1、量子阱結(jié)構(gòu)使垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL） 所謂表面發(fā)射是相對(duì)于一般端面發(fā)射激光器而言，光從垂直于結(jié)平面的表面發(fā)射。而所謂垂直腔是指激光腔方向（光子振蕩方向）垂直于半導(dǎo)體芯片的襯底，即光子振蕩方向與光出射方向一致。有源層厚度即為腔長，由于有源層很薄，要在如此短的腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)低閾值振蕩，除了要

16、求有高增益的有源介質(zhì)外，還要求有高的腔面反射率，這只有到80年代用MBE和MOCVD等技術(shù)制成量子阱材料和分布bragg反射器（DBR）后才有可能。在1984年和1988年先后實(shí)現(xiàn)了VCSEL的室溫脈沖和連續(xù)工作，隨著技術(shù)的不斷改善，其性能迅速提高。VCSEL體積小，閾值低，功耗低，便于制成大規(guī)模二維列陣激光器，方便與光纖高效耦合，而且可以輸出窄線寬，發(fā)散角小的單縱模激光?？捎糜诒闷止腆w激光器，光信息并行處理等，它的特點(diǎn)也決定了其在光子集成（PIC）和光電子集成（OEIC）中的重要地位。2 變量子阱激光器進(jìn)一步推動(dòng)了光纖通信的發(fā)展 半導(dǎo)體激光器由于具有體積小，價(jià)格低，可以直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，已成為

17、光纖通信系統(tǒng)重要組成部分，大容量光纖通信的發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體激光器提出了更高的要求，而量子阱（特別是應(yīng)變量子阱）半導(dǎo)體激光器具有好的動(dòng)態(tài)特性，低的閾值電流，再引入光柵進(jìn)行分布反饋（DFB），成為目前高速通信中最為理想的激光源。 此外，980nm低閾值大功率AlGaAs/InGaAs，InAs/GaAs,InGaAlP/InGaAs，InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱激光器相繼研制成功，可以為EDFA提供泵浦，在這個(gè)波段上，鉺離子表現(xiàn)為理想的三能級(jí)系統(tǒng)，可以獲得比1480nm波段泵浦更高的耦合效率。 半導(dǎo)體光放大器（SLA）無論是在光通信還是在光信息處理技術(shù)中都是非常重要的器件，其發(fā)展曾經(jīng)一度受到EDF

18、A的挑戰(zhàn)，但應(yīng)變量子阱材料的出現(xiàn)使SLA具有寬且平的增益譜，易集成，低損耗，體積小，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，使其重新具有了競爭力。SLA最重要的應(yīng)用是波長轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)靈活的波長路由。此外，還希望用其作為光傳輸系統(tǒng)中1310nm窗口的功率放大器，線路放大器和前置放大器以及利用SLA中的非線性來作啁啾補(bǔ)償和色散補(bǔ)償。3、紅光半導(dǎo)體激光器逐漸取代傳統(tǒng)的氣體激光器 1991年報(bào)道了第一個(gè)發(fā)射波長為634nm（紅）的InGaP/InGaAlP應(yīng)變量子阱激光器，輸出功率超過600mW，閾值電流密度為1.7kA/cm2。半導(dǎo)體紅光激光器的光束質(zhì)量不斷提高，并以其體積小，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)向傳統(tǒng)的He-Ne激光器提出挑戰(zhàn)，并在光信息存儲(chǔ)，條形碼掃描，激光打印和復(fù)印及醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用上逐步取代了He-Ne激光器的部分市場。4、藍(lán)綠光激光器 盡管藍(lán)綠光LED早已廣泛應(yīng)用，但相應(yīng)的半導(dǎo)體激光器卻經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)困難的階段才開始逼近市場，其中研究較多