我国量子点激光器研究现状分析

时间:2014-10-15 13:47来源:中科院作者:yeyan 点击:
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摘要:半导体量子点材料是一种人工设计、制造的新型半导体材料,载流子在三个空间方向上的运动都受到约束,具有很强的三维量子限制效应,体现出明显的量子隧穿、量子干涉、库仑阻塞、非线性光学等效应,是新一代固态量子器件的物理基础,在纳米电子学、光电子学和新一代超大规模集成电路等方面有极重要的应用前景。

关键字:激光,激光器,量子点激光器

  半导体量子点材料是一种人工设计、制造的新型半导体材料,载流子在三个空间方向上的运动都受到约束,具有很强的三维量子限制效应,体现出明显的量子隧穿、量子干涉、库仑阻塞、非线性光学等效应,是新一代固态量子器件的物理基础,在纳米电子学、光电子学和新一代超大规模集成电路等方面有极重要的应用前景。

  量子点激光器(QDLD)具有分立的态密度函数,因此有着比传统的量子阱激光器(QWLD)更加优越的性能,如超低阈值电流密度(£2A/cm2,比QWLD低一个量级以上)、超高阈值电流温度稳定性、超高微分增益(比QWLD高一个量级以上)、极高的调制带宽和在直流电流调制下无波长漂移工作、对衬底缺陷不敏感等。这些特性将使半导体激光器的性能有一个大的飞跃,有力地推动激光物理学科的发展,开辟半导体激光器制造的新方向,并有可能成为21世纪光电子技术产业的支柱之一。

  980nm量子点激光器可广泛应用于大功率光纤放大泵浦源、激光手术刀、材料加工和防伪检测等领域;1.3 mm、1.55mm和可见光的单模量子点激光器在大容量光纤通信,高速光计算、光互联和信息处理等许多方面都有极其重要的应用前景。量子点激光器已成为目前国际上前沿研究的热点和重点方向之一。

  该项目在自组织量子点、量子线材料的可控生长和器件应用方面取得了多项突破性进展:

  (一) 研制成功In(Ga)As/GaAs、InAlAs/AlGaAs/GaAs和InAs/InAlAs/InP等一系列高质量的自组织量子点和量子线材料

  通过对所选材料体系应变分布的设计(高指数面衬底、特殊设计的缓冲层和种子层诱导作用等)、生长动力学控制(生长温度、生长速率等)和优化生长工艺(多层垂直耦合量子点层数、隔离层的厚度和量子点的组分等),在原子、分子水平上初步实现了对量子点尺寸、形状、密度和分布有序性的控制,量子点材料的性能达到了国际先进水平。

  (二) 研制成功当时国际领先水平的大功率量子点激光材料和器件

  (1) 优化设计了有自己特色的量子点激光器的能带结构,使所研制的~980nm量子点激光器的阈值电流密度、输出功率和工作寿命等综合性能达到国际领先水平;

  (2) 创新性地设计了InAs/InGaAs/GaAs三层垂直耦合量子点复合结构,作为大功率量子点激光器的有源区,有效地提高了量子点的发光效率,并使量子点均匀性达到国际最好水平;

  (3) 首次采用退火来精确控制量子点激光器的输出波长,提高了成品率;

  (4) 所研制的大功率量子点激光器室温连续工作最大输出功率3.618W(未镀膜器件双面光功率之和),最低阈值电流密度218A/cm2,激射波长940~1080nm;0.61W工作寿命超过3760小时;用上述器件研制出室温连续输出功率达到10W的大功率量子点激光器光纤耦合模块。

  (三) 研制成功当时国际最好水平的InAlAs/AlGaAs红光量子点激光器

  (1) 通过优化结构和生长条件,克服了高Al含量带来的困难,研制出高质量的InAlAs红光量子点材料,并研制出以多层耦合InAlAs/AlGaAs量子点结构为有源区的红光量子点激光材料及器件;

  (2) 所研制的红光量子点激光器在220K温度下实现了连续激射,波长750nm,阈值电流密度420A/cm2。当时国外已发表的最好结果是:80K连续激射,波长707nm,阈值电流密度729A/cm2。

  (四) InAs/InAlAs/InP斜对准量子线超晶格研究获得突破

  在国际上首次发现InAs/InAlAs/InP斜对准量子线超晶格及其生成规律,并给予了合理的理论解释,引起国内外同行的关注,被综述文章大段引用。斜对准量子线超晶格对偏振和多模特性的量子线激光器的研制和一维电子输运研究有重要意义。

  (五) 提出了耦合量子点中载流子有效弛豫和激子热发射的新模型

  从实验上揭示InAs量子点发光的独特温度特性,首次从理论上提出了耦合量子点的概念和描述局域在InAs量子点内的载流子间热弛豫、热激发和输运过程的新物理模型,得到国际同行的广泛关注、大量引用和高度评价,并成功地用于解释其他材料体系的实验结果。单篇论文(PRB,1996)被他人引用达55次以上。

  (六) 论文发表、收录及引用

  从1994年至2000年,该项目在国际核心期刊和国际会议、国内一级期刊上发表学术论文超过100余篇,其中被SCI收录的94篇,EI收录的45篇。

  其中的50篇论文被引用286次以上,其中他引181次(包括专著等引用3次)。

  该项目所研制的~980nm量子点激光器的阈值电流密度低、输出功率大、工作寿命长,综合性能尤其是在可靠性、实用性方面处于当时国际领先水平,初步实现了从实验室原型器件到实用器件的转化,可应用于光纤放大器泵浦源、激光手术刀、材料加工等领域;所研制的1.3mm量子点激光器材料室温光致发光谱半高宽最窄可达19.2meV,为当时国际领先水平,可望得到高性能的GaAs基1.3mm量子点激光器,用作光纤通信的高质量光源。

  量子点激光器的研制、开发和推广、应用对促进我国光电子、信息高新技术产业的发展,在高起点上参与光电子行业的国际竞争,增强国民经济和国防实力,具有重要意义。在该项目的基础上,研究人员继续获得了国家973、863、自然科学基金重大项目的支持,开展了更深入、广泛的研究工作,取得了更加丰富的成果。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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