量子阱激光器
InGaP／InGaAIP量子阱激光器输出特性的研究
４ ｌ
型 慧
々
车
图 ２ 不 同 电压 下 激 光 器 的发 射 光 谱
图 ３ 发 射谱 宽 与 电压 的 关 系
３ 结果 与讨 论
从 ＩＧ Ｐ ＩＧ ＡＰ量 子 阱激 光 器 的 Ｉ ｎ ａ ／ｎ ａ ｌ —Ｖ 曲线
此外 ， 从实 验结果 还可 以看 出 ， 光谱 峰位 随着外 加 电 压 发生 了蓝 移 ， 主要原 因是 电压增 大 时 ， 这 被激 发到
艾德臻 ， 郭有瑞
（ 苏州建设交通高等职业技术学校 ， 江苏 苏州 ２５ ０ ） １１０ 摘 要： 半导体红光 激光器 以其体积小 、 价格便宜等越来越成 为人们关注 的焦 点。通过测定 ＩＧ Ｐ ｌＧ ＡＰ量 子阱 ｎ ａ／ｎ ａ １ 激光器的 Ｉ —Ｖ关系和不同电压下 的发射光谱 ， 对输出光谱 的半高宽和发光 峰位随外加电压的变化进行 了分析 。
关键词 ： 量子阱 ； 激光器 ；—Ｖ特性 Ｉ
中 图分 类 号 ：４ １ Ｏ ７
１ 引言
在半 导 体光 电子 器 件 的发展 过 程 中 ， 子 阱材 量 料 的引入 给半导体 激 光 器 的发 展 注入 了新 的活 力 。 在量子 阱激 光器 中 ， 发 光机 理 仍 由电子 和 空穴 复 其 合 而产生 ， 当外加 电流 时 ， 电子 和 空穴 注人 有 源 区 ， 但 由于势 阱宽度通 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 高的注人 效 率 ， 于 实现 粒 子数 反 转 ， 易 从 而提高 了光 的增 益 ， 降低 了阈值 电流 ， 有利 于实现 室 温 下连续运转 … 。近 年来 ， 波 段低 阈值 大功 率 的 各 半 导体激光器相 继 研制 成 功 ， 而推 动 了相 关应 用 从
量子阱激光器的工作原理
量子阱激光器的工作原理量子阱激光器的工作原理量子阱激光器(Quantum well lasers, QWLs)是一种高效率的激光光源，能够产生高功率、高稳定性、高峰值功率的激光脉冲，是光纤通信、光学测量、非线性光学等领域中广泛应用的重要激光器。
在它的发射原理上，有两种形式，一种是通过量子阱层的重卡尔曼激发来实现发射，另一种是基于量子阱阱层的重卡尔曼放大效应。
它们的工作原理各有不同，本文主要对量子阱激光器的工作原理及其应用进行详细的介绍。
1.量子阱激发发射原理量子阱激发发射是基于量子阱层的重卡尔曼激发特性实现的。
当一个量子阱材料的厚度与对称轴的平行，其特性和一个单独的量子系统相似，被看做由一组量子级由低能到高能依次排列的阶梯结构，即量子阱体系。
因此，如果激光输入至量子阱结构，会发生重卡尔曼激发，量子阱结构的准自由电子，从低能的量子级转移到高能的量子级，从而释放出能量并产生激光辐射。
2.量子阱放大发射原理量子阱放大是量子阱激发的一种改进形式。
它是指在量子阱结构中把一个或多个低阱量子级称作“放大”量子级，当重卡尔曼激发后，准自由电子从低能的阱内量子级跃迁至放大量子级时，将激发功率增强很多倍，从而产生的激光辐射功率也更大。
3.量子阱激光器的应用量子阱激光器可以用来实现高功率、高稳定性和高峰值功率的激光脉冲，在光纤通信、非线性光学、光学测量及分析领域都有广泛应用。
量子阱激光器可用于高速光纤通信、激光打印及数字影像系统中，也可用于光纤激光器及光频率多工系统中。
此外，量子阱激光器可用于激光投影显示、投影打印及激光雷达系统等多种高效率激光系统和应用中。
总之，量子阱激光器具有高功率、高稳定性、高峰值功率、小尺寸、低成本等优势，常用于多种高效率光源的应用，预计将会在新技术领域中发挥更大的作用。
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。
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。
量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器简介量子阱半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，其核心结构是量子阱。
量子阱是一种在半导体材料中形成的人工结构，通过限制电子和空穴在垂直方向上的运动，可以实现能带的调控和载流子的局域化。
这样的结构使得量子阱半导体激光器具有优异的光学性能和应用前景。
工作原理量子阱半导体激光器利用电子和空穴复合放射出光子的原理来产生激光。
其工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1.注入载流子：通过外加电压或注入电流，将电子和空穴注入到量子阱结构中。
这些载流子会在量子阱中进行运动并最终发生复合过程。
2.载流子局域化：由于量子阱结构的限制，载流子会在垂直方向上被局域化。
这种局域化效应使得载流子在水平方向上进行多次碰撞，并增加了载流子之间相互复合的机会。
3.载流子复合：在量子阱中，电子和空穴会通过自发辐射的方式发生复合。
这个过程中释放出的能量将以光子的形式辐射出来。
4.光放大：释放出的光子会在量子阱结构中来回反射，并被不断放大。
由于在激光器结构中引入了光反馈环境，使得其中一部分光子经过受激辐射过程而进一步增强，形成相干和定向性很好的激光输出。
结构设计量子阱半导体激光器的结构设计是实现其优异性能的关键。
一般情况下，其主要包括以下几个部分：1.量子阱层：量子阱层是激光器结构中最重要的组成部分。
通过选择不同材料、控制厚度和形状，可以实现对能带结构和载流子局域化效应的调控。
常用的材料包括GaN、InGaAs等。
2.波导层：波导层用于引导和限制激光波长在有效范围内传播。
通常采用高折射率材料与低折射率材料的结构，形成光波在其中传播的通道。
3.反射镜：反射镜用于增强激光的放大效果。
一般情况下，激光器结构中会包含两个反射镜，其中一个是高反射镜，用于将光子反射回波导层；另一个是输出镜，用于从激光器中输出部分光子。
4.电极：电极用于注入电流并控制载流子的注入和分布。
通过调节电极的设计和布局，可以实现对激光器性能的进一步优化。
Chapter7-量子阱激光器
帶间跃迁矩阵元
e * * ˆ puC d 3r H 'eh [ Fh A( r ) Fe ]rrj u V e 2m0 j unit cell
考虑到uV 和uC 在每 个unit cell 上是相 同的
e 1 ( 2m0 Vunit cell
* 3 ˆ u V e puC d r )[ Fh A(r) Fe ]rrjVunit cell
2 2 En ,n 1 (n 1/ 2) 2 me d w
(Note)
量子限制效应-带隙展宽
Ew (k x , k y , k z ) E g
3D
2 2 2 2 2 2 n n 2 z 2 z 2me d w 2mhhd w
量子限制效应带隙展宽的估算
1 E 2 d
2 2
接下来会陆续介绍括号所标项对增益的影响
量子阱激光器的光增益-(f -f ) 的影响
C V
(fC-fV) 的影响
量子阱激光器的光增益谱-(f -f )
c v
T=0 K (fc-fv)=1 反转情形
实空间
K空间
Fermi－Dirac 分布
量子阱激光器的光增益--0 K
在第1子帶内, 态密度是常数, fc-fv=1;
1 W ( r rj ) N
kBZ
e
ik ( r rj )
u( r rj ) u0 ( r rj )
( r ) j F ( rj )W ( r rj ) F ( r )u0 ( r )
电子波函最终写为:
(r ) e
ik xy r
u (r ) ( z )
量子阱特征现象—分立化吸收谱
关于量子阱器件的发展及其应用
关于量子阱器件的发展及其应用
量子阱是一种人造的半导体结构，由多个不同材料的层叠组成。
量子阱可以在三维空间中限制电子和空穴的运动，使它们只能在两
维平面范围内运动。
相对于传统的三维空间中的半导体材料，量子
阱器件具有更高的载流子密度和更低的电阻。
量子阱技术是近代半导体电子学中最重要的发展之一。
在20世
纪80年代初，人们开始使用量子阱技术来制造半导体激光器。
量子
阱激光器是目前应用最广泛的量子阱器件之一，被广泛应用于通信、医疗等领域。
此外，由于量子阱具有优异的电子传输性能，因此还
被应用于电子器件和光电器件等领域。
量子阱技术在半导体集成电路领域也有广泛的应用。
与传统的
半导体器件相比，量子阱器件具有更高的速度和更小的功耗。
它们
还可以作为高速电路中的开关，例如高速计算机和计算机存储器等。
在未来，量子阱技术仍将持续发展。
目前，越来越多的研究人
员将其应用于新的领域，如量子计算、量子通讯和量子密码学等。
量子阱技术也可以与其他量子技术结合使用，产生新的应用，如量
子点-量子阱结构等。
量子阱器件是半导体电子学中最重要的发展之一。
它们已经被
广泛应用于通信、医疗、电子器件和光电器件等领域。
随着技术的
不断发展，在未来，量子阱技术将会进一步推动半导体器件的发展
和应用。
1。
光电子技术6. 第六章—分布反馈、量子阱和垂直腔面发射激光器
DFB半导体激光器的应用前景
从1989年美国ORTEL公司研制成大功率、高线性的DFB激光器开 始，DFB激光器就在有线电视领域得到了最广泛的应用。其应用领 域如下：
• 高速数据传输系统需要高速激光器，高速激光器是超长距离、 超大容量光纤通信系统的关键器件。
• 应用于光纤通信系统中作光源，为了突破单信道传输速率的局 限 充 分 利 用 单 模 光 纤 的 带 宽 ， 可 采 用 波 分 复 用 (WDM) 和 时 分 复 用 (TDM)技术，而波长稳定、精度可控的光源是实现WDM的关键。可调 谐DFB激光器在WDM中作光源。
19
20
10 Gb/s EA Modulator Integrated DFB LDs for Trunk Line Communications
• Transmission length: 100 km • Feature: Low power penalty (<1.5 dB) & Wide bandwidth (~14 GHz)
上述方法中，引进/4相移和不对称端面反射率两种 方法较可行，并且有效。
31
设DFB激光器分左右两段。为简单起见，假定左右两段
的折射率相同，两端的反射率也相同，即R1=R2。两段 各在中心附近产生一个/4的相移：
=/2
左右区的折射率分别为：
n1 ( z)
n0
nm
cos(2
mz
)
n2 (z)
n0
nm
cos(2
0c
E(x, y, z,t)
t
1 c2
2E(x, y, z,t)
t 2
1
0c2
2P(x, y, z,t)
t 2
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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)
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。
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
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
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
∆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。