1.3μm半导体量子点激光器的研究进展
发布时间：2021-11-12 10:51
由于半导体量子点具有很强的三维量子限制效应,量子点（QD）激光器展现出低阈值电流、高调制速率、高温度稳定、低线宽增强因子和高抗反射等优异性能,有望在未来高速光通信及高速光互连等领域有重要的应用。同时,量子点结构具有对位错不敏感的特性,使得量子点激光器成为实现硅光集成所迫切需求的高效光源强有力候选者。先简要综述1.3μm半导体量子点激光器的研究进展,再着重介绍GaAs基量子点激光器在阈值电流密度、温度稳定性、调制速率和抗反射特性等方面展示出的优异特性,最后对在切斜Si衬底和Si（001）衬底上直接外延生长的量子点激光器进行介绍。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
SK生长模式示意图
2018年,Lü等[26]提出了一种新型的量子点激光器掺杂方式,在量子点材料生长过程中直接掺入Si原子,量子点激光器的阈值电流特性获得了大幅度提升,这种直接掺Si的方式可有效钝化量子点附近或内部的非辐射复合中心,提高材料质量,同时增加激光器载流子(电子)的填充。图4为利用该方法制备的量子点激光器,其在连续电流注入下的阈值电流密度从167.3 A/cm2(对应单层33.5 A/cm2)减小到71.6 A/cm2(对应单层14.3 A/cm2),减幅超过50%,同时,斜率效率也从0.28 W/A增加到0.42 W/A,增幅近40%[26]。此外,激光器的高温工作特性也有一定改善。利用这一新型的掺杂方式进一步优化生长条件,有望进一步降低量子点激光器的阈值电流。3.2 高温度稳定
针对量子点激光器温度稳定性与理论结果相差较大的问题,经过对量子点能级的分析,Deppe等[28-31]提出了采用p型调制掺杂的方式来改进量子点激光器的温度稳定性,该方法已成为目前获得高温度稳定性量子点激光器最常用的方式。半导体量子点自身价带空穴能级间隔(10 meV)小于室温热激发能级(25 meV),随着温度的升高,空穴将从基态不断向更高能级的激发态跃迁,进而降低载流子辐射复合几率,导致激光器的增益随着温度的升高而明显减小[32],如图5所示。在量子点附近的势垒层中进行p型调制掺杂可为量子点价带能级提供额外空穴,有效地抑制由热激发引起的热空穴能级展宽,从而保持量子点的零维特性。2002年,Deppe等[28]首次在有源区量子点附近引进p型调制掺杂,使得激光器的T0达到213 K(0～81 ℃)并在161 ℃时仍能维持基态激射。2004年,Fathpour等[32]采用p型调制掺杂的方式在5～75 ℃温度范围内获得了T0为正无穷的高温度稳定性的量子点激光器,对应的未掺杂量子点激光器的T0仅为69 K。此后,Ishida等[33]报道了在20～50 ℃温度范围内T0为300 K的量子点激光器,其最高工作温度可以达到90 ℃。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识[J]. 朱晓农,包文霞. 中国激光. 2019(12)
[2]基于半导体激光器的780 nm高光谱分辨率激光雷达系统设计[J]. 宋跃辉,周煜东,汪丽,王玉峰,狄慧鸽,高飞,刘鹏博,华灯鑫. 中国激光. 2019(10)
[3]太赫兹光谱技术在生物医学检测中的定性与定量分析算法[J]. 彭滟,施辰君,朱亦鸣,庄松林. 中国激光. 2019(06)
[4]空间光通信用量子点激光器辐射损伤效应研究[J]. 王俊,高欣,冯展祖,杨生胜,秦晓刚,把得东,薛玉雄,王静. 真空与低温. 2019(01)
[5]结构光场编译码通信研究进展[J]. 王健,刘俊,赵一凡. 光学学报. 2019(01)
[6]中国新一代巨型高峰值功率激光装置发展回顾[J]. 张小民,魏晓峰. 中国激光. 2019(01)
[7]硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点激光器的发展现状和前景[J]. 王霆,张建军,Huiyun Liu. 物理学报. 2015(20)
本文编号：3490766
【文章来源】：中国激光. 2020,47(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
SK生长模式示意图
2018年,Lü等[26]提出了一种新型的量子点激光器掺杂方式,在量子点材料生长过程中直接掺入Si原子,量子点激光器的阈值电流特性获得了大幅度提升,这种直接掺Si的方式可有效钝化量子点附近或内部的非辐射复合中心,提高材料质量,同时增加激光器载流子(电子)的填充。图4为利用该方法制备的量子点激光器,其在连续电流注入下的阈值电流密度从167.3 A/cm2(对应单层33.5 A/cm2)减小到71.6 A/cm2(对应单层14.3 A/cm2),减幅超过50%,同时,斜率效率也从0.28 W/A增加到0.42 W/A,增幅近40%[26]。此外,激光器的高温工作特性也有一定改善。利用这一新型的掺杂方式进一步优化生长条件,有望进一步降低量子点激光器的阈值电流。3.2 高温度稳定
针对量子点激光器温度稳定性与理论结果相差较大的问题,经过对量子点能级的分析,Deppe等[28-31]提出了采用p型调制掺杂的方式来改进量子点激光器的温度稳定性,该方法已成为目前获得高温度稳定性量子点激光器最常用的方式。半导体量子点自身价带空穴能级间隔(10 meV)小于室温热激发能级(25 meV),随着温度的升高,空穴将从基态不断向更高能级的激发态跃迁,进而降低载流子辐射复合几率,导致激光器的增益随着温度的升高而明显减小[32],如图5所示。在量子点附近的势垒层中进行p型调制掺杂可为量子点价带能级提供额外空穴,有效地抑制由热激发引起的热空穴能级展宽,从而保持量子点的零维特性。2002年,Deppe等[28]首次在有源区量子点附近引进p型调制掺杂,使得激光器的T0达到213 K(0～81 ℃)并在161 ℃时仍能维持基态激射。2004年,Fathpour等[32]采用p型调制掺杂的方式在5～75 ℃温度范围内获得了T0为正无穷的高温度稳定性的量子点激光器,对应的未掺杂量子点激光器的T0仅为69 K。此后,Ishida等[33]报道了在20～50 ℃温度范围内T0为300 K的量子点激光器,其最高工作温度可以达到90 ℃。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识[J]. 朱晓农,包文霞. 中国激光. 2019(12)
[2]基于半导体激光器的780 nm高光谱分辨率激光雷达系统设计[J]. 宋跃辉,周煜东,汪丽,王玉峰,狄慧鸽,高飞,刘鹏博,华灯鑫. 中国激光. 2019(10)
[3]太赫兹光谱技术在生物医学检测中的定性与定量分析算法[J]. 彭滟,施辰君,朱亦鸣,庄松林. 中国激光. 2019(06)
[4]空间光通信用量子点激光器辐射损伤效应研究[J]. 王俊,高欣,冯展祖,杨生胜,秦晓刚,把得东,薛玉雄,王静. 真空与低温. 2019(01)
[5]结构光场编译码通信研究进展[J]. 王健,刘俊,赵一凡. 光学学报. 2019(01)
[6]中国新一代巨型高峰值功率激光装置发展回顾[J]. 张小民,魏晓峰. 中国激光. 2019(01)
[7]硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点激光器的发展现状和前景[J]. 王霆,张建军,Huiyun Liu. 物理学报. 2015(20)
本文编号：3490766
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3490766.html
