量子阱激光器

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 3 m 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 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 量子阱激光器的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的集成 2 作为通信光源的半导体激光器 半导体激光器是光纤通信用的主要光源 由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构 因而需要不同类型的半导体激光器 1 光纤通信对半导体激光器光源的要求 半导体激光器是激光器中的一个大家族 它与固体激光器 气体激光器以及其它类型的激光器相比 具有体积小 重量轻 电光转换效率高 可以直接调制 使用方便等优点 因此它非常适用于光纤通信之中 在DFB LD制作技术的发展过程中 人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染和损伤 如图 实现动态单纵模工作的最有效的方法之一就是在半导体内部建立一个布拉格光栅 依靠光栅的选频原理来实现纵模选择 分布反馈布拉格半导体激光器 DFB LD 的特点在于光栅分布在整个谐振腔中 光波在反馈的同时获得增益 因此其单色性优于一般的FP LD 2 分布反馈半导体激光器 法布里 珀罗激光器 FP LD 是最常见 最普通的半导体激光器 它的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成 目前光纤通信上采用的FP LD的制作技术已经相当成熟 FP LD的结构和制作工艺最简单 成本最低 适用于调制速度小于622Mbit s的光纤通信系统 1 法布里 珀罗激光器 2 作为通信光源的半导体激光器 考虑到布拉格光栅反射性好的特点 将光栅置于激光器谐振腔的两侧或一侧 增益区没有光栅 光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜 这样就构成了DBR LD 其中 三电极DBR LD是最典型的基于DBR LD的单模波长可调谐半导体激光器 3 分布布拉格反射半导体激光器 光数据传输和交换的多通道往往需要能够二维集成的器件 而垂直腔面发射激光器 VCSEL 是一个很好的选择 它与边发射激光器最大的不同点是 出射光垂直于器件的外延表面 即平行于外延生长的方向 如图 其上下分别为分布布拉格反射 DBR 介质反射镜 中间 InGaAsN 为量子阱有源区 氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构 电流由P N电极注入 光由箭头方向发出 4 垂直腔面发射激光器 量子阱激光器应用 量子阱激光器 量子阱材料特别是应变量子阱的引入给半导体激光器的发展注入了新的活力 各波段低阈值大功率的CW半导体激光器相继研制成功 从而推动了相关应用领域的进一步发展 1 量子阱结构使垂直腔表面发射激光器 VCSEL 所谓表面发射是相对于一般端面发射激光器而言 光从垂直于结平面的表面发射 而所谓垂直腔是指激光腔方向 光子振荡方向 垂直于半导体芯片的衬底 即光子振荡方向与光出射方向一致 有源层厚度即为腔长 由于有源层很薄 要在如此短的腔内实现低阈值振荡 除了要求有高增益的有源介质外 还要求有高的腔面反射率 这只有到80年代用MBE和MOCVD等技术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年先后实现了VCSEL的室温脉冲和连续工作 随着技术的不断改善 其性能迅速提高 VCSEL体积小 阈值低 功耗低 便于制成大规模二维列阵激光器 方便与光纤高效耦合 而且可以输出窄线宽 发散角小的单纵模激光 可用于泵浦固体激光器 光信息并行处理等 它的特点也决定了其在光子集成 PIC 和光电子集成 OEIC 中的重要地位 2变量子阱激光器进一步推动了光纤通信的发展 半导体激光器由于具有体积小 价格低 可以直接调制等优点 已成为光纤通信系统重要组成部分 大容量光纤通信的发展对半导体激光器提出了更高的要求 而量子阱 特别是应变量子阱 半导体激光器具有好的动态特性 低的阈值电流 再引入光栅进行分布反馈 DFB 成为目前高速通信中最为理想的激光源 此外 980nm低阈值大功率AlGaAs InGaAs InAs GaAs InGaAlP InGaAs InGaAs GaAs应变量子阱激光器相继研制成功 可以为EDFA提供泵浦 在这个波段上 铒离子表现为理想的三能级系统 可以获得比1480nm波段泵浦更高的耦合效率 半导体光放大器 SLA 无论是在光通信还是在光信息处理技术中都是非常重要的器件 其发展曾经一度受到EDFA的挑战 但应变量子阱材料的出现使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 使其重新具有了竞争力 SLA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 3 红光半导体激光器逐渐取代传统的气体激光器 1991年报道了第一个发射波长为634nm 红 的InGaP InGaAlP应变量子阱激光器 输出功率超过600mW 阈值电流密度为1 7kA cm2 半导体红光激光器的光束质量不断提高 并以其体积小 价格便宜等优点向传统的He Ne激光器提出挑战 并在光信息存储 条形码扫描 激光打印和复印及医学等方面的应用上逐步取代了He Ne激光器的部分市场 4 蓝绿光激光器 尽管蓝绿光LED早已广泛应用 但相应的半导体激光器却经历了一个相当困难的阶段才开始逼近市场 其中研究较多的是蓝绿光的材料体系和包括掺杂在内的与之相容的材料生长工艺 近几年 蓝绿光半导体激光器取得了几个阶段性的进展 蓝绿激光的发射需宽带隙 3eV左右 材料 目前研究较多并取得较大进展的材料为III族氮化物 GaN AlN InN 日本日亚 Nichia 化学工业公司的Nakamura等人在1997年制作了可连续工作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 蓝光激光器的发展提高了信息存储的容量 并推动海洋探测技术的发展 对海水来说 蓝绿激光是一个透明窗口 在军事上 可以用这个波段的激光进行探测潜艇位置和潜艇通信 潜艇导航及鱼雷跟踪 在环境科学方面 可以用于海洋污染