有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告
激光器的种类及应用
• 激光工作物质： 由半导体材料构成的有源区：Ⅲ－V族化合物，如GaAs，InP直接带隙结构， 导带底与价带顶都在K空间的同一位置，注人的电子－空穴带间的光跃迁 无需声子参与，跃迁几率很大，有很高的发光效率。 • 粒子数反转分布——通过 p-n结正向大注入途径来实现： 正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧， ——导带中存在电子而价带空，形成粒子数反转分布。 • 谐振腔——一般通过解理形成： GaAs等材料折射率很高，解理面大约反射35%的入射光，可形成的一对优质F－P腔， 若再在两腔面分别镀以反射膜和增透膜，则可以进一步提高腔运行效果
准分子激光器激光波长(nm)
放电激发的准分子激光器结构与TEA型CO2激光器基本相同。 很难维持放电的长期稳定性，而要求脉冲宽度为几十ns的高速放电。 卤素气体活性很强，气体容易恶化，必须用耐腐蚀材料制作，并要定期更换气体。 通常采用He、Ne将由压力数千帕的稀有气体和压力数百帕的卤素气体组成的混合气 体稀释成数百千帕的混合气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微 焦耳，发光效率1%，重复频率数千赫兹。
激光切开的典型运用
1 汽车范畴的运用 领先的三维激光设备, 不光能够完成车体零件的切开, 还可完成整个 轿车车身全体的切开、焊接、热处理、熔覆、乃至三维丈量, 然后完 成惯例加工无法完成的技能需求。德国通快公司的三维激光设备在 奔驰、通用公司、福特公司、雷诺公司、SKODA公司、欧宝公司、 SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克莱斯勒公司成功地运用多年。 2 航空范畴的广泛运用 世界上很多的航空发动机公司选用三维激光设备进行燃烧器段的高 温合金资料的切开和打孔使命, 在军用和民用航空器的铝合金资料或 特别资料的激光切开都获得了成功。
双异质结半导体激光器的结构特点
双异质结半导体激光器的结构特点
双异质结半导体激光器（DSB-LD）是一种利用两个不同材料组成的异质结的半导体激光器。
其结构特点可以概括为以下几点：
1. 双异质结结构：DSB-LD中包括两个不同材料的异质结。
其中一侧的异质结是p型半导体和n型半导体的结合，另一侧的异质结是n型半导体和p型半导体的结合。
2. 直接注入型激光器：DSB-LD是一种直接注入型激光器，即光子和电子通过同一通道进行注入。
光子在注入点被电子吸收，从而产生激发态电子，接着这些电子进一步受激，产生光子放大。
3. 费米能级对齐：由于异质结中两侧材料不同，导致在异质结处形成了势垒。
这个势垒存在的同时，电子的费米能级也会对齐，使得电子可以在此处发生复合放出光子。
4. 窄增益带宽：由于DSB-LD的结构特点，其增益带宽相对较窄，仅有数十纳米，这限制了其在光通信等领域的应用。
5. 实用性强：DSB-LD结构容易制备，成本相对较低，其波长范围覆盖范围也相对广泛。
加上其直接注入型激光器的特点，DSB-LD得到了广泛的应用。
量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。
一、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。
目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的根本动力。
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)。
光电器件中的双异质结及其性能研究
光电器件中的双异质结及其性能研究光电器件是一种半导体器件，它将光能转换为电能、电信号或能量的器件。
双异质结则是其中一种常见的器件结构。
在光电器件中，双异质结的学术研究已经相当成熟，并且被广泛应用于太阳能电池、光电检测器和激光器等设备中。
本文将探讨双异质结在光电器件中的性能研究，以及对该领域未来的展望。
一、双异质结结构及其原理双异质结是一种由三层不同材料构成的器件结构，其中夹层由两种宽度不同的半导体材料组成，所以双异质结也被称为“量子阱”结构。
其材料常用的包括三元合金和四元合金材料，如AlxGa1−xAs和InGaAsP等。
这种结构的特点是能量势垒突变，能带结构呈现出态密度的量子化，因此具有较好的性能。
在双异质结中，带隙能量宽度较小，可以使电子和空穴束缚在一起，从而形成共同的能级。
这种束缚的能级，可以被形象地描述为一个“量子阱”的概念。
当硅化处理器件时，硅原子可以替代氮原子，使蓝色光出现。
由于这个“量子阱”的能量与晶体势能的差值相对较小，因此可以随着入射光子能量的改变而实现光发射和吸收。
二、双异质结在光电器件中的应用1. 太阳能电池在太阳能电池中，通过双异质结可以使束缚电子和空穴种类形成载流子，从而增大光生电流。
所以，使用三元合金AlxGayIn1−x−yAs双异质结母材的光电池，其转换效率可能会提高至约33%。
2. 光电检测器光电检测器是电子设备中的一种，用于将入射光信号转化为电信号。
在这种器件中，当光束传播到光电探测元件中时，会在该元件中产生电信号，该信号可以被用作测量和控制光功率的信号。
在光电检测器中，双异质结具有更好的耐辐射性能，可以实现高速响应和低暗电流密度特性。
3. 激光器激光器是光源器件，其信号有高亮度、单色性、直立、表现好等特点，被广泛应用于医疗、通讯等领域中。
在激光器中，使用亚稳超晶格AlGaAs/InGaAs双异质结可以实现高温稳定性和连续波激光输出。
三、未来发展和展望双异质结获得了广泛应用，并且在不断的研究和探索中，将其应用于更加广泛的范围。
量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用
量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用无研01 王增美（025310）摘要：本文主要阐述了量子阱及应变量子阱材料的能带结构，以及能态密度和载流子有效质量的变化对激光器阈值电流等参数的影响，简要说明了量子阱激光器中对光场的波导限制。
最后对量子阱半导体激光器的应用作了简要的介绍，其中重点是GaN 蓝绿光激光器的发展和应用。
引言半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用，随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也不断得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。
20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。
制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE ）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD ）、化学束外延（CBE ）和原子束外延等。
我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE ）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS ）使用国产的MBE 设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs 应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA ，连续输出功率大于30mW ，输出波长为1026nm [4]。
量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN 蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC ）和光电子集成（OEIC ）的核心器件。
减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL ）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD ）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。
光纤通信系统光源综述
光纤通信系统光源综述摘要：光源是光纤传输系统中的重要器件。
它的作用是将电数字脉冲信号转换为光数字脉冲信号并将此信号送入光纤线路进行传送。
目前，光纤通信系统中普遍采用的两大类光源是激光器（LD）和发光管（LED）。
在这类光源具备尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤适配，并且可在高速条件下直接调制等有点。
在高速率、远距离传输系统中，均采用光谱宽度很窄的分布反馈式激光器（DFB）和量子阱激光器（MQW）。
在采用多模光纤的数据网络中，现在使用了新型的垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
关键词：光纤通信、光源、LD、LED光纤通信系统光源综述1．光纤通信系统光源的特点1.1光纤通信对光源性能的基本要求（1）发光波长与光纤的低衰减窗口相符。
石英光纤的衰减—波长特性上有三个低衰耗的“窗口”，即850nm附近、1300nm附近和1550nm附近。
因此，光源的发光波长应与这三个低衰减窗口相符。
AlGaAs/GaAs激光二极管和发光二极管可以工作在850nm左右，InGaAsP/InP激光二极管和发光二极管可以覆盖1300nm和1550nm两个窗口。
（2）足够的光输出功率。
在室温下能长时间连续工作的光源，必须按光通信系统设计的要求，能提供足够的光输出功率。
以单模光源为例，目前激光而激光能提供500uW到2mW的输出光功率，发光二极管可输出10uW左右的输出光功率。
为了适应中等距离（例如10-25km）传输要求，有的厂家研制了输出光功率为100-300uW左右的小功率激光器。
（3）可靠性高、寿命长。
光纤通信系统一旦割接进网，就必须连续工作，不允许中断，因此要求光源必须可靠性高、寿命长，初期激光二极管的寿命只有几分钟，是无法实用的。
现在的激光二极管寿命已达百万小时以上，这对多中继的长途系统来说是非常必要的。
例如北京到武汉约1000km，若平均50km设一个中继站，单系统运行，则全程不少于40只激光二极管，若每只二极管的平均寿命为100万小时，则从概率统计的角度，每2.5万小时（相当于2.8年）就可能出现一次故障。
量子阱激光器
单量子阱结构
基本概念
多量子阱和超晶格的本质差别在于势垒的宽度：当势垒 很宽时电子不能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即 量子阱之间没有相互耦合，此为多量子阱的情况；当势 垒足够薄使得电子能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱， 即量子阱相互耦合，此为超晶格的情况。
EcA EgA EcB EvB EvA
E2 E1
斜跃迁量子级联激光器能带结构 示意图及P-I特性
结 语
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。 目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的 根本动力。
硕士研究生论文答辩
结构与特性
结构与特性
量子阱激光器具有以下特性：
1.改变量子阱的厚度可以在相当宽的范围内改变激射波长；
2.注入载流子能提供更高的增益，这使得Jth降低，而且Jth 随温度变化小，温度稳定性好；
3.注入的载流子大部分用来客服内部损耗，只要较少的注入 载流子就能有较高的效率，产生更大的功率，适用于制作大 功率激光器阵列； 4.量子阱激光器中，增益变化只引起较小的折射率改变，所 以光谱线窄，频率啁啾小； 5.由于价带的轻、重空穴带量子化能级分离，因此具有TE、 TM模式的选择控制性能； 6.微分增益系数高，能在更高的调制速率下工作，动态工作 特性好；
前景展望
量子级联激光器 （Quantum Cascade Laser）是一种新型半 导体激光器，它由数 报道
BELL LAB
J.Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994)
半导体量子阱激光器
半导体量子阱激光器什么是量子阱量子阱（quantum well）是一种半导体结构，是指将两个能带较窄的半导体材料之间夹入一个能带较宽的材料而形成的材料结构。
量子阱激光器的工作原理量子阱激光器是利用半导体异质结构储能的原理，将电能转化为光能的半导体光电器件。
量子阱激光器的主要部分是由一系列宽度为数个纳米量级的“量子阱”和宽度大约为1微米的背域构成。
当外加电压作用整个器件时，电子和空穴在“量子阱”内发生复合，从而发射出相干性很好的激光光子，光强度迅速地增强。
量子阱激光器的特点量子阱激光器采用的是半导体亚微米制造工艺，由于这种工艺存在一些优点，因此它也具有独特的性能。
输出效率高量子阱激光器具有输出效率高，输出功率大，并且发光波长锁定精度高等优点。
目前，半导体量子阱激光器已逐渐取代气体激光器、半导体激光器和半导体激光二极管，成为现在的主流激光器。
寿命长量子阱激光器寿命较长，保持持续较高的电光转换效率，使用寿命优于其他半导体激光器器件。
量子阱激光器的加工制造和更可靠的工程设计为半导体激光器的发展奠定了坚实的基础。
小型化量子阱激光器具有小型化的优点，因为它们由亚微米制造工艺制造而成，可以被集成到其他芯片中，这一点也可以使得芯片的体积变得更小。
波长可调节量子阱激光器波长可调节，可以进行多波长发射。
这种波长可变暴露了它在目标检测和应急救援系统中的应用。
量子阱激光器的应用量子阱激光器已经成为现代科技领域的重要组成部分。
它的应用范围非常广泛，如光通信系统、制造加工、医学检测等领域。
光通信系统量子阱激光器是进行光通信的关键设备之一，被广泛应用于通信、信息处理和数据存储。
随着物联网的发展，量子阱激光器在物联网应用领域也越来越广泛。
制造加工量子阱激光器的高功率和小型化特点，使得它可以激发大功率的光束，加热加工材料，成为高精度的工业生产设备。
医学检测量子阱激光器在医学检测领域也有着广泛的应用。
例如，用于检测医疗的光谱分析，这也为临床疾病医治提供了帮助。
双异质结
最早的 条形激 光器是 采取电 极条形 或质子 轰击条 形。
增 益 波 导
注：在侧向的光学限制为所谓“增益波导”。实质上，它只是限制电流流经的通道，这种限制不可避免地 存在注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散。增益波导对光场的侧向渗透实际上没有限制作用，其 所谓光波导作用只是相对于损耗而出现光的净增益区域。
定义：
选用晶格常数非常一致的两种半导体材料，如砷化镓(GaAs) 与砷化镓铝 (GaAlAs)，以外延法在 n-GaAs单晶衬底上依次生 长N—GaAlAs(空穴阻挡层)、p-GaAs(激活层)、P-GaAlAs(电 子阻挡层 ) 和 p+ — GaAs( 接触层 ) 等单晶薄层。在激活区 p — GaAs 两侧的两种半导体材料的交接层之间形成两个异质势垒， 这种势垒结构称为双异质结。激光管芯由双异质结半导体构 成的激光器。
DHL工作原理：
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正 向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入 有源层。 P 层带隙宽，导带的能态比有 源层高，对注入电子形成了势垒，注入 到有源层的电子不可能扩散到P层.同理, 注入到有源层的空穴也不可能扩散到 N 层。这样，注入到有源层的电子和空穴 被限制在厚 0.1 ~ 0.3 µm的有源层内形成 粒子数反转分布，这时只要很小的外加 电流，就可以使电子和空穴浓度增大而 提高增益。 如果有源区厚度 d 比载流子扩散长度小 得多，则载流子就均匀地将有源区填满。 对于这种激光器，复合几乎是均匀地发 生在有源区内的。另外，由于有源区两 侧都是宽带材料，有效折射率发生阶跃， 使光子被限制在有源区中，光场的分布 也是对称的。
(c)在条形有源区 上方通过腐蚀出一 个脊,在其两边的 光反射进有源层而 形成波导,脊周围 的绝缘层有助于使 电流限制在从脊到 有源层的电流通道 内。
双异质结多量子阱结构
双异质结多量子阱结构1. 引言1.1 背景介绍双异质结多量子阱（Double Heterostructure Multiple Quantum Wells，简称DH-MQWs）是一种具有特殊结构的半导体材料系统，由两种不同的半导体材料交替堆叠而成。
在DH-MQWs结构中，两种材料之间的能隙差异可以形成量子阱，这种结构具有优异的光学和电学性质，因此在光电器件领域得到了广泛的研究和应用。
双异质结多量子阱结构最早由卡恩（Alfvén）等人于1970年提出，并被广泛应用于半导体激光器、LED和光伏器件等领域。
该结构具有明显的量子效应，如量子尺寸效应和量子束缚效应，能够在能带结构和光电特性上展现出独特的优势。
随着半导体材料制备技术的不断发展，DH-MQWs结构的制备方法也得到了不断改进和优化，使其在光电器件中发挥更加重要的作用。
研究人员也对DH-MQWs结构的物理性质、应用领域和发展趋势进行了深入的探讨和研究，为该领域的进一步发展提供了重要的参考和指导。
【字数：213】1.2 研究意义双异质结多量子阱结构是一种新型半导体结构，在纳米技术和光电器件领域具有广泛的应用前景。
通过研究双异质结多量子阱，可以深入了解其独特的物理性质和优越的光电性能，为新型光电器件的设计和制备提供理论基础和技术支持。
双异质结多量子阱在光电器件中具有重要的应用价值，如激光器、光电探测器、光电调制器等。
在半导体激光器中，双异质结多量子阱可以实现高效率的电子-空穴重组，提高激光器的性能指标；在光电探测器中，双异质结多量子阱的量子效应可以实现高灵敏度和低噪声的探测，有助于提高探测器的性能。
2. 正文2.1 双异质结多量子阱的概念双异质结多量子阱（heterostructure multiple quantum wells）是一种由不同材料构成的半导体结构，包含多个量子阱。
量子阱是一种在一个方向上非常薄的材料层，其厚度通常在几纳米到几十纳米之间。
量子阱
西南交通大学固体物理课程技术报告量子阱半导体激光器的介绍及应用年级: 2009级学号: 09041124姓名: 李慧专业: 通信与信息系统老师: 潘炜教授摘要：本文从光子技术的发展入手，首先了介绍了半导体激光器的研究现状及前景，并阐述什么是半导体激光器和量子阱。
讲述了半导体激光器的工作原理及优缺点，以及量子阱在半导体中应用——量子阱半导体激光器。
关键词：半导体激光器，量子阱，InGaAs一、引言随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术的应用领域及前景越来越广阔。
在要求极高数据处理速率的一些应用领域,光子器件正逐步取代电子器件得到有效的应用。
可以预见,不久的将来光子器件及光子集成线路的重要性不亚于集成电路在当今的地位及作用。
近几年来, 半导体激光器, 特别是量子阱激光器和量子点激光器发展迅猛，为了得到阈值电流低、量子效率高、室温工作、短波长、长寿命和光束质量好等高性能的半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、新材料、新结构以及各种新的技术[1]。
半导体激光器(LD) 特别是量子阱半导体激光器(QWLD) 是光通信和光互连中重要的光源[3]。
为了获得更高的功率，方法之一就是使用宽波导结构，与传统的窄波导结构相比，宽波导结构有很多优势。
宽波导结构可以增加横摸宽度，从而导致在一个大的范围内光强有效分布，减少了端面强度，因此输出功率更大[2]。
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，产生激光的具体过程比较特殊。
常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
超宽带激光器可在6-8微米红外波长范围产生1.3瓦的峰值能量。
未来，我们可以根据诸如光纤应用等具体应用的特定需求量身定制激光器。
量子阱原理及应用
光子学原理课程期末论文——量子阱原理及其应用信息科学与技术学院08电子信息工程杨晗23120082203807题目：量子阱原理及其应用作者：杨晗23120082203807摘要：随着半导体量子阱材料的发展,量子阱器件广泛应用于各种领域.本文主要介绍量子阱的基本特征,重点从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。
关键词：量子阱量子约束激光器量子阱是指由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波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱，简单来说，就是由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（Multiple Quantum Well），而由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（Single Quantum Well）。
一量子阱最基本特征由于量子阱宽度(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波函数之间耦合很小，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。
有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。
量子肼中的电子态、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[1]。
量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用
量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用无研01 王增美（025310）摘要：本文主要阐述了量子阱及应变量子阱材料的能带结构，以及能态密度和载流子有效质量的变化对激光器阈值电流等参数的影响，简要说明了量子阱激光器中对光场的波导限制。
最后对量子阱半导体激光器的应用作了简要的介绍，其中重点是GaN 蓝绿光激光器的发展和应用。
引言半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用，随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也不断得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。
20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。
制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE ）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD ）、化学束外延（CBE ）和原子束外延等。
我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE ）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS ）使用国产的MBE 设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs 应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA ，连续输出功率大于30mW ，输出波长为1026nm [4]。
量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN 蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC ）和光电子集成（OEIC ）的核心器件。
减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL ）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD ）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。
量子阱激光器的结构
量子阱半导体激光器的结构物理与电子工程学院物理学（师范）专业 2008级摘要：本文介绍了量子阱的基本概念，分别讨论了方势阱量子阱、阶梯型量子阱、渐变量子阱、多量子阱及应变量子阱等几种常用的量子阱的结构及其特点，并在此基础之上，分析讨论了量子阱半导体激光器的结构及特点。
关键词：半导体激光器；量子阱；结构；特点Abstract:This paper introduces the basic concept of quantum well .Discussed party potential trap quantum well, ladder type quantum well, gradual change quantum well, many quantum well and strain quantum well some commonly used such as quantum well structure and characteristics. Based on this, it analysises about the quantum well semiconductor laser structure and the characteristic.Key words: semiconductor lasers; quantum well; structure; characteristics1引言1962年后期，美国研制成功GaA s同质结半导体激光器。
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。
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。
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。
半导体激光器中双异质结的作用和优势
半导体激光器中双异质结的作用和优势
作用：
1.载流子限制：双异质结由两种不同带隙的半导体材料层交替堆叠而成。
这种结构使得注入到结区的电子和空穴受到有效的侧向限制，不会轻易扩散出去。
在P-N或N-P-N等结构中，载流子被局限在有源区（量子阱层），极大地提高了载流子的密度。
2.光场限制：由于异质结界面两侧材料折射率的不同，形成了一个光学谐振腔的效果，有效地约束光波在有源区来回传播，增强光子与载流子的相互作用。
3.超注入效应：双异质结能够实现高效泵浦，即使在较小的电压下也能使大量载流子反转，有利于形成激光振荡所需的粒子数反转状态。
优势：
1.阈值电流低：由于双异质结的良好载流子和光场限制效果，半导体激光器只需较低的注入电流就能达到激光阈值，降低了功耗。
2.高效率：提高内部量子效率，减少无辐射复合损失，从而提升了激光器的整体电光转换效率。
3.稳定性好：良好的侧向不均匀性抑制了模式跳变和其他不稳定现象，提高了激光器的运行稳定性和可靠性。
4.波长可调：通过改变双异质结的材料组合和厚度，可以灵活地调整激光器的工作波长，使其更易与其他光学系统如光纤进行耦合。
5.尺寸小、集成度高：双异质结激光器具有小型化特点，易于与其他微电子和光电子元件集成，应用于光通信、光存储、激光打印等领域。
有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告
有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告第一篇：有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）摘要：异质结半导体激光器是半导体激光发展史上的重要突破,它的出现使光纤通信及网络技术成为现实并迅速发展。
异质结构已成为当代高性能半导体光电子器件的典型结构,具有巨大的开发潜力和应用价值。
关键词：双异质结半导体激光器；量子阱激光器；泵浦About double heterostructure lasers andreport on the basis ofquantum well laserxxx(xxxx)Abstract:Heterojunction semiconductor laser is an important breakthrough in the history of the development of semiconductor laser, it make the optical fiber communication and network technology become a reality and rapid development.Heterostructure has become the contemporary typical structure of high performance semiconductor optoelectronic devices, has huge development potential and application value Key words: double heterojunction semiconductor lasers;Quantum well laser;pump 0 引言双异质结激光器和量子阱激光器在我们的当代工作。
图表示出双异质结激光器的结构示意图和相应的能带图在正向偏压下，电子和空穴分别从宽带的科研中都取得了一定的成绩，有很多相关的资料隙的N区和P区注进有源区。
双异质结结构提高了半导体光源的量子效率
Driving Circuit
Optical signal output
2019/1/11
OE, HUST
6
Modulation current
LD/LED
Biased current (a) Direct Modulation
(≤2.5Gb/s)
LD
modulator
(≥10Gb/s)
Biased current Modulation current (b) External Modulation
2019/1/11 OE, HUST 12
Energy bands in semiconductor
conduction band & valence band
原子是由原子核和绕原子核旋转的 电子组成。最里层的电子距原子核 最近，受原子核束缚最强，能量最 低（包括电子的动能和势能）。越 外层的电子受原子束缚越弱，能量 越高； 电子只能处于特定的能级之上； 能级图用一系列高低不同的水平横 线来表示电子所能取的确定能量； 原子中的电子通过和外界交换能量 的方式发生能级的跃迁——热跃迁 和光跃迁。
4
OE, HUST
• • • • • • • •
Superstructure grating 超结构光栅 VCSEL: vertical cavity surface-emitting lasers 垂直腔表面发射激光器 Photon lifetime 光子寿命 Spontaneous-emission factor 自发辐射因子 Characteristics temperature 特征温度 Slope efficiency 斜率效率 Differential quantum efficiency 微分量子效率 Linewidth enhancement factor 线宽加强因子
双异质结led的工作原理
双异质结led的工作原理
双异质结LED是一种半导体光电器件，其工作原理基于p-n结和量子阱结构。
在双异质结LED中，两个不同的半导体材料之间形成了一个p-n 结。
当外加正向电压时，电子从n区向p区移动，同时空穴从p区向n区移动，它们在p-n结处相遇并重新结合，释放出能量。
这个能量以光能的形式辐射出来，形成LED的发光。
这个过程中，发光颜色的波长取决于p-n结的材料和结构。
双异质结LED中的量子阱结构是一层非常薄的半导体材料，通过精确控制其厚度和成分，可以使得电子和空穴在其内部限制在三维空间内，从而使能量和波长更加准确地控制。
这使得双异质结LED可以实现更高的发光效率和更精确的颜色控制。
总之，双异质结LED的工作原理基于p-n结和量子阱结构的相互作用，通过精确控制材料和结构，可以实现高效、稳定和精确的发光。
- 1 -。
量子阱激光器的特点
量子阱激光器的特点概述量子阱激光器是一种基于量子力学原理的半导体激光器，具有许多优良的特性和应用前景。
本文将介绍量子阱激光器的结构、工作原理和特点，以及其在通信、雷达和生命科学等领域的应用。
结构量子阱激光器的结构由多个“量子阱”层构成，每一层都是由几个纳米级别的半导体材料交替排列而成。
这些材料的能隙被设计在激光器的工作波长处，使得只有在这个波长下才能发生吸收和辐射等光学过程，从而实现激光输出。
工作原理当一个电子进入量子阱层时，它被限制在非常小的空间中，这使得其自由度受到限制，并且其能量分裂为高能级和低能级。
当外加电压或光子刺激时，电子会跃迁到高能级态，随后在低能级态与辐射场相互作用而发射光子，从而实现激光辐射。
特点高效率量子阱激光器的外部效率非常高，能够将电子的能量转化为光的能量。
在实际的应用中，量子阱激光器的效率比传统的激光器高出几倍甚至几十倍。
窄线宽量子阱激光器能够产生非常窄的激光线宽，这意味着它可以通过光纤传输更多的信息。
同时，在激光通信和激光雷达等领域，其高精度定位和测量作用也得到广泛应用。
快速调制量子阱激光器响应时间比传统的激光器要短很多，能够在纳秒级别内实现快速开关和调制。
这使得其在高速通信和数据处理领域具有广泛的应用前景。
温度稳定性量子阱激光器比传统的激光器更加稳定，在宽范围的温度和电压条件下工作。
这使得其在大气物理、天文学和生命科学等领域中得到广泛应用。
应用通信量子阱激光器已经成为光通信系统中的重要组成部分，其窄线宽和高效率也使得其在光纤通信和无线光通信等领域具有重要应用前景。
雷达量子阱激光器在激光雷达测距、测速和遥感等应用中也具有广泛的应用前景。
尤其是在领域气象、地球科学和环境监测等领域，其高精度测量和定位作用十分重要。
生命科学量子阱激光器在生命科学领域中也有广泛的应用，例如生物诊断、分子光谱学、荧光成像等等。
由于其快速开关和高精度测量的特性，已经成为研究细胞和分子行为中不可或缺的工具。
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有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）摘要：异质结半导体激光器是半导体激光发展史上的重要突破,它的出现使光纤通信及网络技术成为现实并迅速发展。
异质结构已成为当代高性能半导体光电子器件的典型结构,具有巨大的开发潜力和应用价值。
关键词：双异质结半导体激光器；量子阱激光器；泵浦About double heterostructure lasers and report on the basis ofquantum well laserxxx(xxxx)Abstract:Heterojunction semiconductor laser is an important breakthrough in the history of the development of semiconductor laser, it make the optical fiber communication and network technology become a reality and rapid development. Heterostructure has become the contemporary typical structure of high performance semiconductor optoelectronic devices, has huge development potential and application valueKey words: double heterojunction semiconductor lasers; Quantum well laser; pump0 引言双异质结激光器和量子阱激光器在我们的当代的科研中都取得了一定的成绩，有很多相关的资料供我们查看和研究，这些惊人的成就给我的生活带来的巨大的改变，我们作为新一代的基础人员，有义务去发展，将这些激光器的研究壮大和深入。
1 双异质结基本结构双异质结基本结构是将有源层夹在同时具有宽带隙和低折射率的两种半导体材料之间，以便在垂直于结平面的方向（横向）上有效地限制载流子和光子。
用此结构于1970年实现了GaAlAs／GaAs激射波长为0.89 μm的半导体激光器在室温下能连续工作。
图表示出双异质结激光器的结构示意图和相应的能带图在正向偏压下，电子和空穴分别从宽带隙的N区和P区注进有源区。
它们在该区的扩散又分别受到P－p异质结和N－p异质结的限制，从而可以在有源区内积累起产生粒子数反转所需的非平衡载流子浓度。
同时，窄带隙具有源区有高的折射率与两边低折射率的宽带隙层构成了一个限制光子在有源区内的介质光波导。
异质结激光器激光器的供应商是半导体半导体的供应商激光发展史上的重要突破,它的出现使光纤光纤的供应商通信及网络技术成为现实并迅速发展。
异质结构已成为当代高性能半导体光电子器件的典型结构,具有巨大的开发潜力和应用价值.异质结激光器的“结”是用不同的半导体材料制成的，采用异质结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子，降低阈值电流，提高效率。
1.1泵浦的简单介绍泵浦(pump)，即泵，又名帮浦、抽运；与泵不同的是，泵浦一词主要出现于激光领域。
在激光中，外部能量通常会以光或电流的形式输入到产生激光的媒质之中，把处于基态的电子，激励到较高的能级高能态（人们用“泵浦”一词形容这一过程(如同把水从低处抽往高处))，物理学家将这种状态称为激发态(excited state)。
是指给激光工作物质提供能量使其形成粒子数反转的过程半导体泵浦固体激光器的种类很多，可以是连续的、脉冲的、调Q的，以及加倍频混频等非线性转换的。
工作物质的形状有圆柱和板条状的。
不同种类的激光器工作原理也不太相同，下面主要介绍端面泵浦固体激光器和侧面泵浦固体激光器两种。
1、端面泵浦固体激光器端面泵浦方式最大的优点就是容易获得好的光束质量，可以实现高亮度的固体激光器。
端面泵浦的效率较高。
这是因为,在泵浦激光模式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质对泵浦光的使用率也相对高一些。
正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波长匹配的优点近年来在国际上发展极为迅速，已成为激光学科的重点发展方向之一。
它在激光打标、激光微加工、激光印刷、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的用途，具有很大的市场潜力。
2、侧面泵浦固体激光器侧面泵浦（Side Pump）固态激光器激光头是由三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源，每个泵浦模块又由3个带微透镜的二极管线阵组成。
每个线阵的输出功率平均为20W输出波长为808nm。
该装置采用玻璃管巧妙地设计了泵浦腔和制冷通道。
玻璃管的表面大部分镀有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°镀有三条808nm增透膜，这样便形成了一个泵浦腔。
半导体泵浦源发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内，然后透过玻璃管的管壁，被晶体吸收。
由于玻璃管大部分区域镀有高反膜，使得泵浦光进入泵浦腔以后，便在其中来回的反射，直至被晶体充分地吸收，而且在晶体的横截面上形成了均匀的增益分布。
1.2 异质结激光器的设计思路制造激光器首先要有产生光的源，最重要的是要使粒子束翻转，这样才能够产生受激辐射，产生受激辐射光，在谐振腔作用下产生最后的激光。
用异质结制作的半导体激光器可以把载流子限制在发光区，使大量的将要复合的电子和空穴沉积在窄带上，翻转的粒子束大于普通的半导体激光器。
ALGaAs+ｎ和ALGaAs+ｐ是宽带中间是GaAs窄带，加正向偏压的情况下从ALGaAs+ｎ的导带越过尖势垒向GaAs注入电子，电子由于受到同型异质结ALGaAs+ｐ的势垒的作用在窄带处沉积，当然有少量的电子越过势垒跑掉了。
同样在价带处，空穴从ALGaAs+ｐ注入到窄带中，受到ALGaAs+ｎ势垒的作用后沉积在窄带。
那么在GaAs上形成了粒子束的反转。
可以发现两边的宽带限制了载流子的运动，称为限制区。
中间是实现粒子复合的区域成为有源区。
和同质结激光器相比，异质结激光器由于宽带对有源区的限制，使发光的位置仅限于了有源区，使发光的区域集中，光强更大。
双侧的异质结在两边提供了限制，单边异质结只能提供一边的限制。
导带中的电子为了能够达到激射阈值需要注入2×1018/cm2个，为了能够在源区限制住这些电子需要有一定高度的势垒，这个势垒高度就是由结区的内建电势和ΔE共同决定的。
电子基本处于Γ带中，其相邻的L带还有一部分在DEｃ下,X带的载流子都可以越过势垒。
同样为了限制空穴要求提高价带的势垒，但是提高势垒会导致电子注入减小，这是不允许的，所以要有一个中间的度。
能量高过势垒的电子和空穴都会漏掉。
另外由于限制区掺了Al，折射率减小，有源区中辐射的光子在有源区中损耗很大，如果生长一层掺杂很大的盖帽层能够实现很好的欧姆接触。
制造量子阱激光器是半导体激光器的重要一支，要使反转粒子数增大，这样就需要多造出量子阱。
多造出一些量子阱，使有源区的面积扩大，但这样会增加制造的难度，主要是导带和价带的量子阱要在同一个平面内，这个在数量大时不容易实现。
量子阱激光器的辐射复合是发生在价带和导带中分裂能级中的粒子。
在分裂能级中态密度阶梯变化。
由于分裂的能带不再是原来的导带底和价带顶，因此复合的能级会加大，出现激光的波长蓝移，通常有，一般势阱宽度小于电子空穴的扩散长度所以都限制在势阱中，粒子数反转的量很大。
1.2异质结激光器的结构A.单异质结激光器与双异质结激光器（从材料）GaAs材料与GaAl材料Ga1-xAlxAs是指在GaAs 材料中掺入AlAs而形成，叫作砷镓铝晶体，1-x,x是指AlAs与GaAs的比例。
B.反型异质结与同型异质结（从导电类型）反型：如n-GaAs与p-GaAlAs or p-GaAs与n-GaAlAs 同型：如p-GaAs与p-GaAlAs or n-GaAs与n-GaAlAs 1.4 异质结激光器的能带关系p、n型不是简并型，构成异质结之前热平衡状态下当形成异质结时，电子np空穴pn直到两半导体有相等的，异质结即处于平衡状态。
与p-n结一样，在两种半导体材料上界面的两侧形成空间电荷区。
N型半导体一边为正电荷，P型半导体一边为负电荷，这就是异质结区（阻挡层）。
由于内建场的存在，使电子具有了附加电位能，因而使空间电荷区的能带发生了弯曲（基本与p-n结的形成相同的）。
区别：由于禁带Eg不同，因而在两材料的上界面附近其能带出现与p-n结不同的特点：一能带在这界面处的变化是不连续的。
1.在导带底，能量突变△Ec，在这里形成“光路”。
2.在价带底，能量突变△Ev, 在这里形成“凹口”。
3.导带的势垒与价带不同，导带势垒低，而价带势垒高。
4.当n区的电子进入p区时所遇到的阻力要大。
当p区的空穴进入n区时所遇到的阻力要小。
5.势垒的减低和增高与△Ec·△Ev 有关，即与两材料的禁带宽度Eg1Eg2之差有关。
1.5 输出与泵浦的关系对任何激光器，首先要求的是输出一定的能量或功率。
输出能量或功率的大小，取决于激光器的结构以及工作物质和泵浦能量的大小。
泵浦能量必须大于激光器的阀值能量，而且超过阀值能量愈多，光辐射的能量愈大。
图3-1a和b分别表示出红宝石激光器和玻璃激光器输出能量Ea与泵浦能量E6之间的实验关系。
利用图示关系曲线，可以估算出所要求的泵浦能量，从而确定电源的功率和应采取的合理方案。
2 激光器的非线性2.1 基础介绍半导体激光器以其体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高且价格低的优点而受到人们的极大关注，取得到了惊人的发展。
根据不同的应用场合半导体激光器输出状态是不同的，有时候需要稳态输出运行，有时候又需要工作在脉冲输出状态，当然在现代的光保密通信中，它又要实现混沌的输出。
对控制半导体激光器不同输出状态做一些讨论分析，有利于人们控制半导体激光器不同的输出状态在没有外部扰动时半导体激光器, 当驱动电流超过阈值（当驱动电流低于阈值电流时，激光器输出光功率近似为零，LD几乎不发光）时，激光器的输出会由于启动状态经历短暂的驰豫振荡，然后很快就达到稳定的输出，要使激光器产生不稳定的输出如周期态，混沌态输出，必须至少再增加一个自由度，典型的增加自由度的方式有外部电流调制，外部光注入，外部光反馈，光电反馈等, 通过控制扰动的强度，就可使激光器呈现不同的输出状态。
其中尤其以光反馈方式最为常见。
本文以光反馈结构的半导体激光器理论模型为例，通过仿真分析了不同外部光反馈强度对半导体激光器非线性行为的影响，对实现半导体激光器非线性动力学输出控制具有重要意义。