量子阱激光器.ppt

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1、量子阱激光器简介及工作原理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。量子阱是窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（SingleQuantumWell）；由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（MultipleQuantumWell）。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

2、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。量子阱激光器原理利用量子约束在其有源层中形成量子能级，使能级之间的电子跃迁支配其受激辐射的半导体激光器。量子阱激光器有两种类型：量子线激光器和量子点激光器。1.半导体超晶格半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，薄层的厚度与半导体中电子的德布罗意波长（约为10nm）或电子平均自由程（约为50nm）有相同量级。这种思想是在1968年Bell实验室的江崎（Esaki）和朱肇祥首先提出的，并于1970年首次在GaAs半导体上制成了超晶格结构。江崎等人把超晶格分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。2.量子阱及量子阱

3、材料的能带结构由于两种材料的禁带宽度不同而引起的沿薄层交替生长方向（z方向）的附加周期势分布中的势阱称为量子阱。量子阱中电子与块状晶体中电子具有完全不同的性质，即表现出量子尺寸效应，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中的载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）内有两个自由度，故常称此量子系统为二维电子气。能带的变化导致以下结果：(1)带电子与重空穴和轻空穴复合分别产生TE模与TM模，重空穴带与轻空穴带在带顶处简并解除加剧了TE模与TM模的非对称性。(2)不象体材料抛物线能带中载流子必须从接近带底处开始填充那样，量子阱的阶梯状能带允许注入的载流子依子能带逐

4、级填充。因此注入载流子能量量子化，提高了注入有源层内载流子的利用率，明显增加了微分增益dg/dN。高微分增益带来一系列好处：降低了激光器的阈值电流；减少了载流子内部损耗，提高了效率；提高了激光器的调制带宽，减少了频率啁啾。(3)由于Eg-q>Eg-b,量子阱激光器的输出波长通常要小于同质的体材料激光器。(4)在导带中子能带沿的分布仍是抛物线型，而在价带中却远非如此，这是由于重空穴带和轻空穴带混合（mixing）并相互作用所致，这使得价带的能态密度分布并不象右图所示的那样呈现阶梯状，而是使价带的能态密度增大，加剧了价带和导带能态密度的不对称，提高了阈值电流，降低了微分增益，从而使激光器的性能

5、，这种情况要靠后面要提的应变量子阱来改善。量子阱激光器的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

6、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。量子阱激光器的类型1.量子线激光器世界上第一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

7、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