液相外射面发射激光器的研究进展

液相外射面发射激光器的研究进展

1子带的垂直腔表面发育着激光的发展和特点1.1gaisa/gaas面发射激光器1979年，h.soda和k.iga首次报道了impi-sdp的液体传输装置。他们利用两种表面活性剂形成法布里-培罗腔，并将出射光垂直于生长平面。77K下脉冲电流激射的阈值电流为900mA,Jth=11kA/cm2(圆电极直径100μm),输出波长为1.18μm的几毫瓦激光。1983年首次研制成功GaAs/GaAlAs面发射激光器,77K下阈值电流为350mA,同年实现室温激射。1986年将GaInAsP/InP面发射激光器77K下脉冲阈值电流降低到20mA,GaAlAs/GaAs面发射激光器室温下脉冲阈值电流为6mA。1988年GaInAsP/InP面发射激光器室温下连续波阈值电流达到15mA,GaAlAs/GaAs面发射激光器室温下连续波阈值电流达到50mA。2000年蓝光面发射激光器已经成功激射。1.2横向限制研究分子束外延(MBE)和金属氧化物化学汽相淀积(MOCVD)可以生长原子尺度量级的单原子层,因此通过生长不同的半导体材料很容易实现载流子和光的纵向限制。与之相比实现横向限制成为制造垂直腔面发射激光器关键而困难的工艺,实验室中常使用H+离子注入或选择性氧化工艺。离子注入工艺有利于平面工艺和大面积均匀的注入,适应于大规模地制造面发射激光器。同时这种方法也存在缺点,由于金属十字叉丝不能做的太小和离子注入横向扩展效应,垂直腔激光器阈值不能降到很低。近年人们在制造垂直腔面发射激光器中更普遍地采用选择性氧化的方法,控制电流孔径的大小,可以提高自发发射耦合效率,降低了阈值。使用选择性氧化工艺制造的InGaAs/GaAs垂直腔面发射激光器阈值降低到几十微安量级。1.3dbr型使用分子束外延、金属氧化物化学汽相淀积、氧化、淀积、刻蚀、离子轰击、选择性氧化等工艺,反射镜由镀膜分配布拉格反射器(DBR)组成,其反射率大于99%,很短的谐振腔垂直于衬底片,因此腔内存在的模数很少,输出窄发散角(10°)圆柱对称光束垂直于衬底片,无需解理、易实现二维集成和单模运转。实验上已经实现阈值为微安级的垂直腔面发射激光器,并且特征频率达到10GHz/s,这样的激光器传递信息量大,可以应用在光通信、光互连、光计算及其他平行光信息处理和光电集成中。2腔能量电流学[11、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28和29]2.1抑制自发发射的活性1946年E.M.Purcell观察激活磁核在辐射频率ν为107s-1的衰变率。使用传统方法计算自发发射衰减率,得到弛豫时间长达1021s量级,显然这与实际完全不符。Purcell认为一个磁偶极子耦合到共振电子回路系统中,当回路有关的ν/Q频率内只有一个谐振子时,使用传统公式计算自发发射发生偏差。他证实室温下激活的磁核介子放在直径为10-3cm的金属粒子中,只需数分钟就可通过自发发射复合恢复平衡。1981年MIT的学者从理论上预计自发发射可以被增进的同时也可被抑制,表明腔可以改变物质和真空场相互作用的量子电动力学过程。1985年MIT物理学家让一束Cs原子通过20cm长、间距约0.2mm的铝反射镜,原子辐射波长约0.4mm,利用电场作用在Rydberg原子的Stark效应改变原子的辐射波长,发现当辐射波长大于2倍平行平板间距时,自发发射被抑制;反之,自发发射被增进。实验测定被抑制辐射的寿命比自由空间增进20倍。1987年MIT物理学家观察到腔可以分别抑制或增进自发发射42倍和19倍。Yale大学的学者使用与MIT类似的装置,证明在窄平面镜中真空场的方向性。70年代前,虽然人们已经对电磁波进行了深入的研究,但研究腔控制光频范围内的产生与传播进展很慢,其原因在于光波波长比任何仪器的尺寸都小许多。1974年Drexhage利用长链脂肪酸和染料制成多层单分子层,形成厚度接近光波波长大小的材料,可以对光波特性进行系统的研究,并发现金属镜可以改变常规的自发发射空间分布。2.2rabi振荡除腔控制自发发射外,腔量子电动力学行为还包括:真空场的Rabi振荡;单原子放大器(one-atommaser);双光子放大器(two-photonmaser);腔影响原子的辐射频率;腔内多原子相互耦合超辐射现象等。3微腔半导体激光器半导体面发射激光器谐振腔的大小已经接近光波长量级,满足了微腔结构要求,所以某些现象表现为量子电动力学的特征,即微腔半导体激光器能够改变腔内真空场的分布,从而控制自发发射和增进自发发射因子,改变器件的性能,这是它引起人们注意的重要原因。3.1电子库仑作用势变1991年日本学者在低温下通过改变加在量子阱的电压,使有源区量子阱的形状发生倾斜,于是电子的库仑作用势变弱,自发发射谱峰值发生红移。当发射波长和微腔腔长共振时,PL谱最强,可增进约40倍。3.2微腔自发发射因子的检测1994年科罗拉多州立大学的学者测量注入电流和输出光功率曲线,并与改变自发发射因子的速率方程进行对比,在室温下给出直径为6μm的GaAs/AlGaAs微腔自发发射因子2.8×10-3。1996年加州的学者考虑了微腔中的散射损耗和载流子扩散的影响,126K下电抽运直径为3μm的面发射激光器,测得自发发射因子为0.01。3.3边缘发射激光器处于低温下的半导体微腔可以观测到Rabi分裂,但在室温下这种现象变得很弱。由此可见,普通边缘发射激光器出射光平行于生长底片,依靠折射率或增益波导形成对光的限制,通过解理形成谐振腔,所以边缘发射激光器很难达到微腔结构。80年代MOCVD和MBE技术的出现,使纳米半导体材料的生长变为现实,为面发射激光器提供了有力的手段。MOCVD或MBE工艺结合质子轰击、光刻、反离子刻蚀、选择性氧化等技术很容易制成微腔结构,即腔长在激光波长量级,所以人们希望用半导体面发射激光器制成理想的微腔结构。4半导体面发射激光器1993年前后,中科院半导体研究所、北京大学、吉林大学等单位开始研制半导体垂直腔面发射激光器和微盘激光器。中科院半导体研究所使用MBE生长多层DBR和量子阱,结合质子轰击半导体工艺,实现了激射波长为0.86μm,阈值为8mA的面发射激光器。1995年垂直腔面发射激光器最低阈值降低到1.5～2mA。1997年使用选择性氧化工艺制造出阵列面发射激光器,同时研制了其他波长的半导体面发射激光器。吉林大学同样对垂直腔面发射激光器有新的进展。在实现垂直腔面发射激光器的同时,国内专家开始研究垂直腔面发射激光器激射和微盘激光器的微腔效应。1996年讨论了微盘微腔自发发射因子;1997年“第一届半导体微腔物理及应用研讨会”在北京召开,对微腔物理、微腔效应和微腔阈值等进行了研讨;1998年模拟了以微腔为光源的10Gb/s通信系统;1999年前后一些学者探讨了半导体垂直腔面发射激光器的热、电和波导特性;2000年研究了半导体面发射微腔激光器的自发发射。5微腔激光器实验研究量子阱垂直腔面发射激光器及其微腔物理是在一定的条件下发展起来的综合学科,我们借助原始文献,对其发展过程进行了概括,突出了首次提出理论、观察实验现象和探索器件的杰出学者。从上面的叙述可以看出:第一只垂直腔面发射激光器的有源区并不是量子阱,