2022-2023学年高二物理竞赛课件：光学双稳态器件+2

量子阱激光器发展历程量子阱激光器发展历程1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。对于激光腔结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上提出了微带超晶格红外激光器。2直腔面发射LD（VECSEL-verticalcavitysurfaceemittinglaser）：量子阱结构出现以后才成为可能。根据光输出方向与结平面的关系，LD可分为：（1）边发射LD（EdgeEmittingLD）：光平行与异质结界面输出。普通LD都属于这一类型。（2）垂直腔面发射LD（VECSEL-verticalcavitysurfaceemittinglaser）:光垂直于结平面的方向输出。VECSEL由东京工业大学Iga教授提出，但只有在量子阱结构出现以后才成为可能。3（1）边发射LD光反馈由材料解理面形成的反射镜提供，光在有源层长度方向得到放大，平行与异质结界面输出。端面发射的常规半导体激光器4（2）垂直腔面发射LD（VECSEL）5

由于VECSEL的特殊结构，使得它与边发射激光器相比有很多优点：

谐振腔是通过单片生长多层介质膜形成从而避免了边发射激光器解理腔由于解理本身的机械损伤、表面氧化和玷污等引起激光器性能退化。因为谐振腔是由多层介质膜组成，可望有高的光损伤阈值；可以做成二维面阵，能够大规模集成，适宜于信息处理；因为VECSEL的腔长很短，所以纵膜间距很大，以实现动态单纵模工作；可以实现极底阈值电流工作。6新型的量子阱激光器（1）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。（2）量子级联激光器（QuantumCascadeLaser）：由数组量子阱结构串联在一起构成的新型量子阱激光器。

（3）微带超晶格红外激光器：掺杂的超晶格有源区和掺杂的载流子注入区交替构成级联，在超晶格的第一激发态之能带和基态子能带之间产生受激辐射，即光跃迁发生在强烈耦合的超晶格的微能带之间。7（1）低维超晶格——量子线、量子点激光器ρ（E）EEEρ（E）ρ（E）这种更窄的态密度分布带来更高的微分增益，将使得半导体激光器的特性进一步提高，如阈值电流降低，光谱线宽、调制速率、温度特性等可以进一步改善。态密度分布（量子阱、量子线、量子点）8（2）量子级联激光器从电子跃迁的方式上可分为斜跃迁和垂直跃迁两种。斜跃迁量子阱级联激光器能带结构示意图及P-I特性垂直跃迁量子阱级联激光器部分导带图9主要应用与研究进展（1）VECSEL（2）可见光半导体激光器：红光半导体激光器和蓝绿光激光器

（3）光纤通讯中半导体激光器及大功率半导体激光器10（1）VECSELVECSEL能够大面积集成为线性或二位列阵（左图），因此可以用于并行数据传输系统，被认为是fibertohome装置的合适光源。可见光VECSEL激光器可用于光信号存贮系统,以提高存贮密度。HudgingsJA(美国,加利弗尼亚大学)演示了一种采用带有内腔量子阱吸收器的VECSEL的新型集成光盘读出头。（右图）另外VECSEL在未来的光互连领域有巨大的发展潜力。11（2）可见光半导体激光器红光半导体激光器主要应用在光信息存储、条形码识别、激光打印、医学方面，而蓝绿激光在海洋探测中发挥作用。蓝光激光器材料有（1）Ⅱ-Ⅶ化合物半导体ZnSe：Sony