半导体量子阱激光器.doc

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1、半导体量子阱激光器摘要：随着社会的进步和科学技术的发展,人们对信息服务的需求越来越大,社会的运作和发展对信息的依赖性越来越强。智能光网络(ASON)、光纤到户(FTI,H)、密集波分复用(DWDM)等光通信技术是以后信息技术发展的最有前景的技术,光通信将向着超高速、大容量、智能化、低成本、高可靠性的新一代的光通信技术迈进。半导体激光器是重要的光通信器件,而量子阱激光器以其较低的阂值电流为优势,吸引人们去研究和优化。1引言半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，较常规激光器而言，产生激光的具体过程比较特殊。半导体激

2、光器工作物质的种类有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。工作物质的结构也可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。其从激励方式上来说，则又有电注入、电子束激励和光泵浦三种。总之，我们根据诸如光纤等具体应用的特定需求，可根据以上分类方法量身定制激光器。半导体激光器具有许多突出的优点：半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、覆盖波段范围广、使用寿命长、易集成等。其应用领域非常广泛，如光存储、激光打印、激光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、

3、测试测量仪器、激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平及标线类仪器、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演、激光水平尺及各种标线定位等。半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的应用，如野外测距、枪炮等的瞄准、射击模拟系统、致盲、对潜通信制导、引信、安防等。由于可用普通电池驱动，使一些便携式武器设备配置成为可能。所以，其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它激光器无法比拟的。但是，由于一些特殊应用的需要，半导体激光器的性能有待进一步提高。2发展背景1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。

4、但这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。至此之后，半导体激光器得到了突飞猛进的发展。半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。但是，由于应用的需要，半导体激光器的性能有待进一步提高。80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出

5、现了大的飞跃。量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变化，发展起来了应变量子阱结构。这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力，其器件性能出现大的飞跃。具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器(DH)相比，具有阈值电流密

6、度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、激射波长可以更短等等优点。其发展历程大概为：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。对于激光腔结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网

7、的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上提出了微带超晶格红外激光器。另外，具有更好性能的低维超晶格—量子线、量子点激光器的研究也已经开始。1原理和结构（1）原理半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件。首先，必须建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中要实现粒子数反转，必须使两个能带区域之间，处在高

8、能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这以给同质结或异质结加正向偏压，或向有源层内注人必要的载流子来实现。其目的为将电子从