量子阱激光器

概述

　　一般半导体激光器有源层厚度约为0.1～0.3μm，当有源层厚度减薄到玻尔半径或德布罗意波长数量级时，就出现量子尺寸效应，这时载流子被限制在有源层构成的势阱内，该势阱称为量子阱，这导致了自由载流子特性发生重大变化。量子阱激光器比起其他半导体激光器具有更低的阈值，更高的量子效率，极好的温度特性和极窄的线宽。量子阱激光器的研制始于1978年，已制出了从可见光到中红外的各种量子阱激光器。

多量子阱(MQW) DFB激光器

特点

　　同常规的激光器相比，量子阱激光器具有以下特点：

　　1.在量子阱中，态密度呈阶梯状分布，量子阱中首先是E1c和E1v之间电子和空穴参与的复合，所产生的光子能量hv＝E1c－E1v＞Eg，即光子能量大于材料的禁带宽度。相应地，其发射波长凡小于几所对应的波长九，即出现了波长蓝移。

　　2.在量子阱激光器中，辐射复合主要发生在E1c和E1v之间。这是两个能级之间的电子和空穴参与的复合，不同于导带底附近的电子和价带顶附近的空穴参与的辐射复合，因而量子阱激光器光谱的线宽明显地变窄了。

　　3.在量子阱激光器中，由于势阱宽度Lx通常小于电子和空穴的扩散长度Le和Ln，电子和空穴还未来得及扩散就被势垒限制在势阱之中，产生很高的注入效率，易于实现粒子数反转，其增益大大提高，甚至可高达两个数量级。

　　4.量子阱使激光器的温度稳定条件大为改善，AlGaInAs量子阱激光器的特征温度马可达150K，甚至更高。因而，这在光纤通信等应用中至关重要。

类型

　　1.量子线激光器

　　世界上只量子线激光器样品是由美国Bellcore公司研制的。这种新型激光器所需电流，只有目前用于CD唱机上的普通二极管激光器的十万分之一。量子线激光器是通过其“心脏”部分的一个极小的线状的芯而将电转化为光的，由于它的工作电流将比以前的激光器小得多，故在未来的信息处理装置中将是非常有用的。量子线激光器所需激活电流极低，能够在电路之间起到微型光通讯系统的作用。

　　2.量子点激光器

　　量子点激光器的性能与量子阶激光器或量子线激光器相比，具有更低的阈值电流密度、更高的特征温度和更高的增益等优越特性。这主要由于在量子点材料(又称零维材料)中，载流子在三个运动方向上受到限制，载流于态密度与能量关系为6函数，因而具有许多独特的物理性质，如量子效应、量子隧穿、非线性光学等，极大地改善了材料的性能。因此，不但在基础物理研究方面意义重大，而且在新型量子器件等方面显示出广阔的应用前景。

　　目前，量子点材料结构及其应用为国际上最前沿的研究领域之一，仍处于探索阶段。上世纪90年代初，利用MBE和MOCVD技术，通过 Stranski—Krastanow(S—K)模式生长 In(Ga)As／GaAs 自组装量子点等量子点半导体材料有了突破性的进展，生长出品格较完整，尺寸较均匀，且密度和发射率较高的InAs量子点，并于1994年制备出近红外波段 InGaAs／GaAs量子点激光器。目前国际上已有一些实验室制备了In(Gs)As／GnAs量子点激光器。

发展

　　为了进一步改善量子阱激光器的性能，人们又在量子阱中引入应变和补偿应变，出现了应变量子阱激光器和补偿应变量子阱激光器。应变的引入减小了空穴的有限质量，进一步减小了价带间的跃迁，从而使量子阱激光器的阈值电流大为降低，量子效率和振荡频率大大提高，并且由于价带间跃迁的减小和俄歇复合的降低而进一步改善了温度特性，实现了激光器无致冷工作。在阱和垒中分别引入不同应变（张应变/压应变）实现应变补偿，不仅能改善材料质量，从而提高激光器的寿命，而且可利用压应变对应于TE模式、张应变主要对应于TM模式的特性，制作与偏振无关的半导体激光放大器。基于MOCVD外延技术的量子阱器件的发展粗略可分为下面几个阶段：体材料激光器→普通量子阱激光器→应变和补偿应变量子阱激光器→与偏振无关半导体激光放大器→光子及光电器件的集成。

非制冷量子阱DFB激光器

　　量子阱结构对载流子还只是一维限制，量子线和量子点具有更的量子化特点。事实上，量子线激光器和量子点激光器均已问世，对它们的研究必将为半导体光电学带来许多更新、更好的特性，也为光电子集成开拓更美好的前景。