開辟半導體激光新方向：量子點激光器最新進展

網訊：早在80年代初，理論預言：量子點激光器的性能與量子階激光器或量于線激光器相比，具有更低的閡值電流密度，更高的特征溫度和更高的增益等優(yōu)越特性。這主要由于在量子點材料(又稱零維材料)中，載流子在三個運動方向上受到限制，載流于態(tài)密度與能量關系為6函數(shù)，因而具有許多獨特的物理性質，如量子效應、量子隧穿、非線性光學等，極大地改善了材料的性能。因此，不但在基礎物理研究方面意義重大，而且在新型量子器件等方面顯示出廣闊的應用前景。目前，零維材料結構及其應用為國際上最前沿的研究領域之一，仍處于探索階段。

的性能有一個大的飛躍，有力地推動激光物理學科的發(fā)展，開辟半導體激光器制造的新方向，并有可能成為21世紀光電子技術產業(yè)的支柱之一。

　　一、量子點激光器最新進展

　　來自加州大學Santa Barbara分校UCSB的華裔學生Alan Y. Liu和同事，包括John E. Bowers教授和Arthur C. Gossard教授，發(fā)展了一種新的量子點激光器，并稱這項技術讓光子器件的成本可以比擬微電子器件。

　　Liu和他的同事們的做法是直接在硅襯底上用分子束外延技術生長量子點激光器。他們的貢獻在于不僅能夠在硅襯底上生長量子點激光器，而且讓這種量子點激光器的性能可以比擬傳統(tǒng)的量子點激光器的性能。這將是向著未來低成本大容量光子集成的重要一步。

　　量子點激光器是半導體激光器領域的最前沿技術。在量子點之前是所謂量子阱激光器。量子阱激光器是由一系列納米層級的發(fā)光材料夾在其他折射率材料直接，一邊用來限制注入電流，一邊用來輸出光。對于量子點來說，高密度的更小的幾個納米高，數(shù)十納米大小的點機構替代了量子阱中的納米層材料。這種量子點的大小可以用一個例子來估計，一分硬幣的大小可以容納500億個量子點。量子阱結構還有一個問題是，由于量子阱是兩維連續(xù)，一個地方的問題可以影響到整個一層材料。相比來說，量子點之間互相不影響，因此對于有源層生長過程中的晶體缺欠更加容忍。用Liu的話說，“正是因為這樣，我們可以在更大更便宜的硅材料上生長激光器。量子點激光器的小巧還決定了它的功耗遠比以往的量子阱激光器低，從而成本也更低。”

　　談到他們所采用的分子束外延工藝，Liu還指出，這種技術的優(yōu)點在于可以充分利用硅器件的成熟工藝，從而有助于降低成本。分子束外延是開發(fā)高品質量子點激光器的最好技術，整個激光器可以一步完成，最小化了遭到污染的風險。

　　Liu將在3月12日下午5點在121房間介紹這一成就，題目是“硅上外延生長的高性能1.3微米InAs量子點激光器”。最新一期應用物理快報也發(fā)表了這一成果。

　　二、量子點激光器研發(fā)進展回顧：

　　1、美科學家發(fā)明微米級量子點激光器

　　2007年美國國家標準技術局和Stanford及Northwestern大學的科學家發(fā)明了一種微米大小的固體激光器，這種裝置的性能中，量子點起到了決定性作用。它能在低于微瓦的能量條件下接通。這些高效的光學設備將來能制造出低能激光，它能用于電信、光學計算機等領域。結果發(fā)表在《物理評論快報》（PRL）上。

　　傳統(tǒng)激光器有數(shù)量很多的發(fā)射器，它們限制在一個光學腔內。光在腔內來回反射放大，最終形成激光。在大約10年前，科學家發(fā)明了第一個量子點激光器。

　　量子點是晶體結構中的納米級別區(qū)域，它們能捕獲在半導體中傳導電流的電子及空穴。當捕獲的電子和空穴重新配對后，特定頻率的光就被發(fā)射出來。量子點激光器的優(yōu)勢不僅在于它們的體積很小，更在于它們能在極低的能量下運作。

　　在最近的實驗中，NIST小組通過在砷化鎵上鋪上一層砷化銦得到了新型激光。原子格之間的不匹配形成了量子點。這些材料被做成一定大小的盤，使得900納米的紅外光能沿著盤邊緣旋轉。整個區(qū)域含有約60個量子點，這能作為激光使用。通過利用非共振頻率的光就可以激發(fā)出光。但是量子點之間彼此并不相同，每個量子點之間的細微差別意味著它們的發(fā)射頻率也有所不同，而且溫度也會有一定影響�？茖W家表示，任意時刻，最多有一個量子點——通常沒有——的特征頻率和光學共振頻率相匹配。