量子阱激光器

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；
四种类型异质界面的能带边不连续性
基本概念
量子阱结构： 势垒较厚以至于相邻势阱中的电子波函数不发 生交叠的周期型结构称为多量子阱，简称为 MQW（Multiple Quantum Well） ，而只有一个 势阱，两边是势垒的结构叫单量子阱，简称为 SQW（Single Quantum Well）
多量子阱结构
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
前景展望
低维超晶格——量子线、量子点激光器 量子阱结构中，电子只受到一维的限制，在结平面内仍维持 二维的自由运动。如果对电子进行二维或三维的限制，就得 到一维量子线和零维量子点结构。随着电子自由运动维数的 减少，其态密度分布就越加集中。
前景展望
在低维超晶格中更窄的态密度分布将使半导体激光器特性进一步提高 ，如增益谱特性更窄，更加尖锐，这使得注入载流子对增益的贡献将 得到增强，微分增加大，因此，预计可以得到极低的阈值电流的激光 器（亚微安级），明显改善激光器的光谱线宽和动态调制速率，并提 高温度稳定性。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。而在量子点材料(又称零维材料)中，载流子在三个运动方向上受到 限制，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
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 组量子阱结构串联在 一起构成的新型量子 阱激光器。
1994年 QCL 报道
BELL LAB
J.Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994)
1971年 苏联卡扎林诺夫（Kazarinov）研究了超晶格的共 振隧道穿透现象
1974年 美国丁格尔(Dingle)测量出台阶状光吸收曲线，表 明了量子效应存在
1977年 迪普伊(Dupuis)和达普斯(Dapuus)研制出性能良好 的量子阱激光器
基本概念
超晶格材料：
由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层材 料，交替生长形成的人工周期性结构称之为超晶格材料 （Superlattic）
硕士研究生论文答辩
量 子 阱 激 光 器
目 录
一 二 三 四
量子阱激光器的基本概念
量子阱激光器的工作原理 量子阱激光器结构与特性 量子阱激光器的前景展望
引 言
1970年 江琦(Esaki)和朱肇祥在“Superlattice and
Negative Deferential Conductivity in Semiconductors”一文中提出超晶格这一概念
斜跃迁量子级联激光器能带结构 示意图及P-I特性
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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
前景展望
工作原理与常规的半导体激光器是 截然不同的。其激射方案是利用垂 直于纳米级厚度的半导体异质结薄 层内由量子限制效应引起的分离电 子态，在这些激发态之间产生粒子 数反转，该激光器的有源区是由耦 合量子阱的多级串接组成(通常大于 500层)而实现单电子注入的多光子 输出。量子级联激光器的指纹特征 是工作波长与所用材料的带隙无直 接关系，仅由耦合量子阱子带间距 决定，从而可实现对波长的大范围 剪裁。量子级联激光器的出现开创 了利用宽带隙材料研制中、远红外 半导体激光器的先河，在中、远红 外半导体激光器的发展史上树立了 新的里程碑。
∆Ec
E2 E1
EgB
∆Ev
多量子阱能带图
超晶格能带图
工作原理
在量子阱激光器中，由于两种材料的禁带宽度不同 而引起了沿薄层交替生长（z方向）的附加周期势 分布。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。 在量子阱收集载流子的过程中，载流子要经过包层 才能进入有源势阱层，而只有电子和空穴的平均自 由程（Le和Lh）小于量子阱厚度dw时，才会有效的 被收集入势阱内，经声子散射而集居于低量子态。