所謂量子點(diǎn)就是將電子的運(yùn)動(dòng)限制在納米尺寸的三維結(jié)構(gòu)中，從三個(gè)方向限制電子運(yùn)動(dòng)的零維結(jié)構(gòu)量子勢阱。研究者們在理論上已經(jīng)證明量子點(diǎn)激光器與量子阱、量子線等激光器相比，擁有更好的激射特性，會(huì)達(dá)到更低的閾值電流、更高的發(fā)光效率等特性。進(jìn)入21世紀(jì)后，量子點(diǎn)激光器的研究更是取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其優(yōu)良的性能以及廣闊的應(yīng)用前景吸引很多人的研究。
1、量子點(diǎn)激光器
半導(dǎo)體晶體材料如果在三維空間的尺寸都與載流子的DeBroglie波長或電子的平均自由程尺寸相當(dāng)或更小，且該材料又是被禁帶寬度比較更大的材料包圍，即為量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，電子在材料中的運(yùn)動(dòng)受到三維限制，即電子能量是量子化的。這種電子在三維方向上全部受限制的材料( 或者結(jié)構(gòu))稱量子點(diǎn)。
量子點(diǎn)的最低的兩個(gè)分立能級(jí)的能量差如果大于幾倍的KT，增益函數(shù)會(huì)出現(xiàn)熱依賴性，就會(huì)得到極好的溫度穩(wěn)定性，這樣可得到更優(yōu)良的性能，極低的閾值電流密度、超高微分增益和極高的調(diào)制帶等。同時(shí)量子點(diǎn)激光器具有高速光源、大功率激光及紅外探測器等方面應(yīng)用前景。
2、量子點(diǎn)激光器基本機(jī)構(gòu)和性能
1)激光器的基本結(jié)構(gòu)：量子點(diǎn)激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示 。
量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu)示意圖
2)閾值電流及增益特性：在忽略非均勻展寬的情況下，量子點(diǎn)材料與高維度量子阱、量子線 、體材料相比，其增益譜要窄得多，并且在峰值有更大增益，可以是量子 阱的1O倍，體材料的2O倍 。
3)閾值電流的穩(wěn)定性：以往激光器因?yàn)樽⑷氲妮d流子熱擴(kuò)散，它的閾值電流的熱依賴性分布展寬，使最大增益減小。因?yàn)槔硐氲牧孔狱c(diǎn)態(tài)密度是類氫譜狀，無限的高勢壘限制了載流子，就不可能生熱擴(kuò)散，因此閾值電流密度徹底不依賴溫度，即特征溫度為∞。實(shí)際上量子點(diǎn)激光器的特征溫度同勢壘層材料組分、量子點(diǎn)的尺寸、生長質(zhì)量等密切相關(guān)。可以通過優(yōu)化尺寸及分布的均勻性等方法，實(shí)現(xiàn)有效地提高其特征溫度。
4)光譜特性：理想的量子點(diǎn)激光器應(yīng)只有單一的電子能級(jí)和空穴能級(jí)，易實(shí)現(xiàn)單模工作。實(shí)際制備過程中，由于不可能保證尺寸和形狀完全相同，導(dǎo)致單個(gè)量子點(diǎn)能級(jí)被展寬為點(diǎn)集。實(shí)際單層量子點(diǎn)典型的增益譜寬大大超過所需的低于leV的增益譜寬，影響閾值電流密度的降低。20世紀(jì)末Kirstaedter等人在77K的低溫和稍高于閾值 電流密度條件下發(fā)現(xiàn)了單模工作。在最初的研究過程中發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)激光器光譜中激光模式分組的現(xiàn)象，部分研究者認(rèn)為模式分組和泄漏模有關(guān)。
20世紀(jì)初D.Ouyang等人比較系統(tǒng)的研究了不同條寬及一定溫度范圍內(nèi)量子點(diǎn)中的模式分組效應(yīng)，得出模式組的間隔不會(huì)依賴于溫度，卻與條寬有關(guān)。如果對(duì)條寬的邊緣進(jìn)行合適的周期性刻蝕，會(huì)抑制或增強(qiáng)某波長增益譜的空間燒孔現(xiàn)象，這樣會(huì)對(duì)波長的穩(wěn)定及單縱模工作的實(shí)現(xiàn)有特別大的幫助。
3、量子點(diǎn)激光器的研究進(jìn)展及發(fā)展方向
1986年，Asada研究發(fā)現(xiàn)邊長lOmm立方體結(jié)構(gòu)的InGaAs量子點(diǎn)材料，它的增益達(dá)到10^4cm-1，遠(yuǎn)高于量子阱材料。1994年Ledentsov等人報(bào)道了77K低溫下自組織生長的I nGaAs量子點(diǎn)的光泵浦激射現(xiàn)象。1996 ～1997年很多的小組加入到量子點(diǎn)激光器的研究，顯著改善了量子點(diǎn)的性能，使其大小均勻性很好地控制在10％以下，實(shí)現(xiàn)基態(tài)激射。1999年，報(bào)道了100μm條寬量子點(diǎn)激光器在室溫下連續(xù)輸出功率可達(dá)3.5W-4W，效率達(dá)到95％。2000年報(bào)道了氧化物限制量子點(diǎn)激光器，激射波長1.3μm，閾值達(dá)到19A/cm2。2000年Grundmann報(bào)道了在近紅外InGaAs量子點(diǎn)77K低溫下觀察到16μm的量子點(diǎn)子能級(jí)帶內(nèi)躍遷產(chǎn)生的中紅外激射現(xiàn)象。2004年在歐洲的光通訊會(huì)議上 東京大學(xué)和富士通報(bào)道了工作在1.3μm，由溫度影響的光功率變動(dòng)幅度控制到原來1/6左右。20℃-70℃間不用調(diào)整電流就能穩(wěn)定的發(fā)送出10Gb/s的光信號(hào)，可以降低 光發(fā)送器的大小和成本。2005年中科學(xué)院半導(dǎo)體研究所成功制備了激射波長1.33μm，可在室溫連續(xù)工作的GaAs基InAs自組織量子點(diǎn)邊發(fā)射激光器 。
2012年臺(tái)灣國立交通大學(xué)的Gray Lin等人利用InAs/InGaAs/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)研究了低閾值和寬調(diào)諧的外部腔的激光器 。對(duì)于長2mm的量子點(diǎn)外部腔獲得的可調(diào)諧范圍達(dá) 130nm( 1160-l29Onm)，最大閾值電流密度僅為0.9KA/cm2 ；對(duì)于長1．5mm的量子點(diǎn)外部腔獲得的可調(diào)諧范圍達(dá)150nm( 1143-1293nm )，最大閾值電流密度不超過0.9KA/cm2的記錄。
2013年日本東京大學(xué)研制出了鍵合在硅基底上的1.3m量子點(diǎn)（QD）激光二極管。采用硅摻雜部分P型砷化鎵（GaAs）壁壘結(jié)合自行聚合砷化銦（InAs）形成量子點(diǎn)，以構(gòu)建激光二極管的有源發(fā)光區(qū)域，再將這些器件鍵合到硅基底上。有源區(qū)域由8層P-GaAs壁壘中自行聚合的InAs 量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成。每層的點(diǎn)密度為6×1010/cm2。試驗(yàn)中對(duì)直接和金屬介導(dǎo)兩種鍵合工藝進(jìn)行了測試，兩種工藝研制的器件均可在超過100℃的條件下發(fā)射1.3m（光通信的O波段）的激光。這些結(jié)果證實(shí)了，采用晶圓鍵合工藝研制的硅上III-V族量子點(diǎn)激光器有望在高密度光子集成電路中實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定的運(yùn)行。
2015年日本東北大學(xué)和日本情報(bào)通訊研究機(jī)構(gòu)（NICT）合作研究出了一種超小封裝的新型波長可調(diào)異構(gòu)激光器樣品。該器件的中心波長為1230nm，圍繞該中心具有44nm調(diào)諧寬帶。最近研發(fā)的大容量光纖傳輸系統(tǒng)采用了波分復(fù)用（WDM）密集頻率通道系統(tǒng)。因?yàn)樵?530–1565nm的傳統(tǒng)波段（C波段）的頻率通道已人滿為患，波分復(fù)用系統(tǒng)的頻譜利用率趨于飽和。然而，更多的未被利用的頻率資源則埋藏在近紅外（NIR）區(qū)域，如1000-1260nm的千波段（T波段）和1260-1350nm的原始波段（O波段）。
2015年歐盟節(jié)能硅發(fā)射器使用III-V族半導(dǎo)體量子點(diǎn)和量子點(diǎn)材料的異質(zhì)集成（SEQUOIA）項(xiàng)目報(bào)道稱在硅光子集成電路（PIC）上取得新進(jìn)展。通過使用硅襯底納米結(jié)構(gòu)異質(zhì)集成材料，光學(xué)濾波器可以直接與異質(zhì)量子點(diǎn)/量子簇/硅激光器集成制備出線性調(diào)頻激光器。與直接調(diào)制激光器相比，該激光器有一個(gè)增強(qiáng)的調(diào)制帶寬和消光比。作為該技術(shù)的一個(gè)例子，目的是開發(fā)一個(gè)總?cè)萘?00Gbps發(fā)射機(jī)（16x25Gbps）。兩種 PIC 最終示范產(chǎn)品也設(shè)計(jì)完成，分別是直接調(diào)制比特率達(dá) 25Gbps 的線性調(diào)頻激光器和與級(jí)聯(lián)環(huán)諧振器調(diào)節(jié)器集成為一體的光梳子雷射。這些PIC使用16波分復(fù)用信道便可提供 400Gbps的總?cè)萘浚愿偷某杀咎峁└玫男阅埽⑼ㄟ^采用新材料和新集成工藝增強(qiáng)器件性能。
2015年歐盟節(jié)能硅發(fā)射器使用III-V族半導(dǎo)體量子點(diǎn)和量子點(diǎn)材料的異質(zhì)集成（SEQUOIA）項(xiàng)目報(bào)道稱在硅光子集成電路（PIC）上取得新進(jìn)展。通過使用硅襯底納米結(jié)構(gòu)異質(zhì)集成材料，光學(xué)濾波器可以直接與異質(zhì)量子點(diǎn)/量子簇/硅激光器集成制備出線性調(diào)頻激光器。與直接調(diào)制激光器相比，該激光器有一個(gè)增強(qiáng)的調(diào)制帶寬和消光比。作為該技術(shù)的一個(gè)例子，目的是開發(fā)一個(gè)總?cè)萘?00Gbps發(fā)射機(jī)（16x25Gbps）。兩種 PIC 最終示范產(chǎn)品也設(shè)計(jì)完成，分別是直接調(diào)制比特率達(dá) 25Gbps 的線性調(diào)頻激光器和與級(jí)聯(lián)環(huán)諧振器調(diào)節(jié)器集成為一體的光梳子雷射。這些PIC使用16波分復(fù)用信道便可提供 400Gbps的總?cè)萘浚愿偷某杀咎峁└玫男阅埽⑼ㄟ^采用新材料和新集成工藝增強(qiáng)器件性能。
量子點(diǎn)激光器的研究不斷取得長足進(jìn)步，同理論預(yù)測相比，它的性能還存在差距，要使性能有所提高，需要在量子點(diǎn)陣列、量子點(diǎn)材料的增益、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其尺寸等方面不斷有所研究和突破。根本實(shí)現(xiàn)高性能、低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)，更好地在光學(xué)領(lǐng)域得到廣闊的應(yīng)用前景。（內(nèi)容節(jié)選自黑龍江科技學(xué)院理學(xué)院徐寶玉《量子點(diǎn)激光器的研究》 ）
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
