量子点激光器

量子点激光器

量子点是由少量原子所构成的体积很小的固体材料，量子点的尺寸一般在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下。量子点内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著。量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，故量子点可用来作激光器的工作物质，而量子点也因此被称为“人造原子”。

在一般块材料中，电子的波长远小于块材料尺寸，因此量子局限效应不显着。如果将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称为量子阱；如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维方向上运动，我们称为量子线；当三个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为量子点。

图1一般块材料、量子阱、量子线及量子点能级比较关系示意图

量子点激光器是由一个激光母体材料和组装在其中的量子点以及一个激发并使量子点中粒子数反转的泵浦源所构成。一个实际量子点激光器（砷化镓铟量子点激光器）的结构如下图所示。

图2量子点激光器示意图

对于不同维度的电子体系,许多独特的光学性质来源于它们的态密度。态密度是指单位体积在能量E附近单位能量间隔内的电子态数。每一个量子态可被自旋向上和向下的两个电子所占据。半导体激光器从三维到二维、再到一维、零维,这种不断发展变化的内因在于不同维度材料的态密度不同,从而激光器的性能不断改善。对于零维的量子点而言，体系在x、y、z三个方向受限，载流子的能量在三个方向上都是量子化的，不存在能量的连续分布。所以，量子点的态密度与能量的关系表示为δ函数的形式，即

ρ3D(E)=∑δ(E-E i)

其中Ei是体系的能量可取值，可表示为

由此可以得出量子点的能态为分离线，如下图所示。

图3量子点能级图

量子点有源区的高能态和基态的能级间距△足够大(即满足△E>>kBT)，器件的阈值电流密度对温度的依赖就会完全消失；量子点中态密度函数的尖锐化，也使得其峰值增益变窄。

同常规的激光器相比，由于有源区为量子结构，器件特性便具有下列新特点：(1)态密度线状分布，导带中第一个电子能级E1c。高于原价带中第一个空穴能级E1，低于原价带顶Ev，因此有E1c-E1v>Eg，所产生的光子能量大于材料的禁带宽度．相应地，其发射波长出现了蓝移。

(2)量子激光器中，辐射复合主要发生在E1c和E1v之问，这是两个能级之间电子和空穴参与的复合，不同于导带底附近和价带顶附近的电子和空穴参与的辐射复合，因而量子激光器的光谱的线宽明显地变窄了。

(3)在量子激光器中，由于尺寸通常小于电子和空穴的扩散长度，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，其增益大为提高，甚至可高达两个数量级．

早在80年代初，理论就已预言量子点激光器的性能与量子阶激光器或量于线激光器相比，具有更低的阂值电流密度，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中，载流子在三个运动方向上受到限制，载流子态密度与能量关系为δ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。目前，零维材料

结构及其应用为国际上最前沿的研究领域之一，仍处于探索阶段。90年代初，利用MBE和MOCVD技术，通过Stranski—Krastanow(S—K)模式生长In(Ga)As ／GaAs自组装量子点等零维半导体材料有了突破性的进展，生长出品格较完整，尺寸较均匀，且密度和发射率较高的InAs量子点，并于1994年制备出近红外波段InGaAs／GaAs量子点激光器。2004年在斯德哥尔摩举行的欧洲光通讯会议上东京大学和富士通报道，试制成功了工作在1.3um波长、可将温度导致的光功率变动幅度控制到原来1/6左右的量子点激光器。在20~70度，不需调整电流对温度导致的光功率变动进行补偿就能稳定地发送10Gb/s的光信号。由于不需要温度补偿的外部电路，因此有利于降低光发送器的体积和生产成本。虽然量子点激光器的性能与理论预测相比仍有较大的差距，但对于其的研制近年内取得了长足进步，已经向传统半导体激光器开始了强有力的挑战，可以预测在不久的将来量子点激光器必将成为激光器家族的重要一员。