半导体量子阱激光器.doc

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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、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。

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。

3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。

其目的为将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。

当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

其次，要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。

最后，提供足够大的增益，不断增加腔内的光场，以弥补谐振腔的光损耗及腔面的激光输出等损耗。

为满足上述一点，这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。

当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。

可见，在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。

然而，典型半导体激光器通常为窄带设备，只能以特有波长发出单色光。

相比之下，量子阱结构的半导体具有超宽带的特点，可以同时在更宽的光谱范围内选取波长。

因此，对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。

（2）量子阱结构

量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。

量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度（只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱）的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。

在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子渡函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。

如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带（微带），能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。

具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。

量子阱中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。

在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。

而不是象三维体材料那样的抛物线形状。

对于量子阱非线性光学的研究集中于两个方面，一个是价带到导带跃迁;另一种是价带或导带内子带间跃迁。

如图所示，这两种跃迁均可以通过改变组分、外场等来实现跃迁波长的协调。

半导体量子阱带间和子带间跃迁示意图

理想超晶格示意图

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超晶格能带示意图

图

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（3）量子阱激光器结构

下面的图是日本日亚（Nichia）化学工业公司的Nakamura等人在1997年制作的可连续工作10000小时的InGaN多量子阱蓝光激光器：

由三层35A厚的Si：

In0.15Ga0.85N阱层和70A厚的In0.02Ga0.98N垒层组成多量子阱。

激射波长为405.83nm，20℃时阈值电流为80mA。

InGaN多量子阱激光器的结构

最近两年研制成功的Fabry-perotnitrideLD，仍然使用上面的多量子阱材料（两个阱），但在p-GaN波导层和最外面的垒层之间插入20nm厚的p-Al0.2Ga0.8N阻挡层，并加厚n型包层（从600m到1200nm）以减弱光腔中光向衬底的渗漏。

其输出功率可达420mW，阈值电流密度为1.7kA/cm2。

其各层的成分和结构如下表所示：

（4）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，其发射波长小于所对应的波长，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。

4半导体激光器的主要应用及进展

量子阱半导体激光器凭借其突出的优点在许多领域得到广泛应用。

（1）可见光半导体激光器

　红光半导体激光器主要应用在光信息存储、条形码识别、激光打印、医学仪器等方面，而蓝绿激光在海洋探测中发挥作用，另外，RGB半导体光源将对图像及信息处理产生重大影响。

目前，红光半导体激光器已逐渐取代传统的气体激光器,例如，InGaAlP材料的红光应变量子阱激光器已经实现了产品化。

随着其性能的不断提高，有望在一定程度上取代He-Ne激光器。

蓝绿光激光器经过了一个相当困难的阶段才逼近市场，主要是由于材料与衬底的匹配以及制作工艺等原因。

（2）光纤通讯中半导体激光器及大功率半导体激光器

作为光源，量子阱（特别是应变量子阱）半导体激光器除具有半导体激光器的体积小，价格低，可以直接调制等优点外，还有好的动态特性，低的阈值电流，引入光栅进行分布反馈等特点，其已然成为目前高速通信中最为理想的光源。

作为EDFA的泵浦源，980nm低阈值大功率AlGaAs/InGaAs，InGaAlP/InGaAs，等应变量子阱激光器相继研制成功，且可以获得比1480nm波段泵浦更高的耦合效率。

应变量子阱材料半导体光放大器（SLA）具有宽且平的增益谱，易集成，低损耗，体积小，价格便宜等优点，最重要的应用是波长转换器，实现灵活的波长路由。

此外，还希望用其作为光传输系统中1310nm窗口的功率放大器，线路放大器和前置放大器以及利用SLA中的非线性来作啁啾补偿和色散补偿。

大功率半导体激光器主要用于泵浦固体激光器（DPSSL）、泵浦光纤放大器及生物学、医学等。

5量子阱半导体激光器的未来及展望

目前，量子阱激光器的许多研究还处于发展阶段，许多问题值得我们继续思考：

如，半导体激光器现存的温度尺寸阈值、波长、效率等的依赖关系能否消除；微型器件的尺寸对输出功率范围的限制；如何实现完全控制自发辐射；如何进一步提高材料的制作工艺等。

从异质结到量子阱、应变量子阱，半导体激光器的性能出现了大的飞跃，以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制及以其他半导体器件集成的能力强等特点成为信息技术的关键器件。

并随着其发展，在材料加工、精密测量、军事、生物、医学等领域显示出巨大潜力。

量子阱半导体激光器也将是光子集成和光电子集成的核心器件。

随着新的有源材料、新的器件结构、更好的制作工艺的不断涌现，量子阱半导体激光器的性能将得到不断提高、波长范围不断拓宽，其发展前景将更加光明。

6参考文献

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