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開辟半導(dǎo)體激光新方向:量子點(diǎn)激光器最新進(jìn)展

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-10-10     來源:[標(biāo)簽:出處]     作者:[標(biāo)簽:作者]     瀏覽次數(shù):142
核心提示:
網(wǎng)訊:早在80年代初,理論預(yù)言:量子點(diǎn)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(diǎn)材料(又稱零維材料)中,載流子在三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上受到限制,載流于態(tài)密度與能量關(guān)系為6函數(shù),因而具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì),如量子效應(yīng)、量子隧穿、非線性光學(xué)等,極大地改善了材料的性能。因此,不但在基礎(chǔ)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(yīng)用前景。目前,零維材料結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用為國(guó)際上最前沿的研究領(lǐng)域之一,仍處于探索階段。

的性能有一個(gè)大的飛躍,有力地推動(dòng)激光物理學(xué)科的發(fā)展,開辟半導(dǎo)體激光器制造的新方向,并有可能成為21世紀(jì)光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱之一。

  一、量子點(diǎn)激光器最新進(jìn)展

  來自加州大學(xué)Santa Barbara分校UCSB的華裔學(xué)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(diǎn)激光器,并稱這項(xiàng)技術(shù)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(shù)生長(zhǎng)量子點(diǎn)激光器。他們的貢獻(xiàn)在于不僅能夠在硅襯底上生長(zhǎng)量子點(diǎn)激光器,而且讓這種量子點(diǎn)激光器的性能可以比擬傳統(tǒng)的量子點(diǎn)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(diǎn)激光器是半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域的最前沿技術(shù)。在量子點(diǎn)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(jí)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(duì)于量子點(diǎn)來說,高密度的更小的幾個(gè)納米高,數(shù)十納米大小的點(diǎn)機(jī)構(gòu)替代了量子阱中的納米層材料。這種量子點(diǎn)的大小可以用一個(gè)例子來估計(jì),一分硬幣的大小可以容納500億個(gè)量子點(diǎn)。量子阱結(jié)構(gòu)還有一個(gè)問題是,由于量子阱是兩維連續(xù),一個(gè)地方的問題可以影響到整個(gè)一層材料。相比來說,量子點(diǎn)之間互相不影響,因此對(duì)于有源層生長(zhǎng)過程中的晶體缺欠更加容忍。用Liu的話說,“正是因?yàn)檫@樣,我們可以在更大更便宜的硅材料上生長(zhǎng)激光器。量子點(diǎn)激光器的小巧還決定了它的功耗遠(yuǎn)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)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(zhì)量子點(diǎn)激光器的最好技術(shù),整個(gè)激光器可以一步完成,最小化了遭到污染的風(fēng)險(xiǎn)。

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

  二、量子點(diǎn)激光器研發(fā)進(jìn)展回顧:

  1、美科學(xué)家發(fā)明微米級(jí)量子點(diǎn)激光器

  2007年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局和Stanford及Northwestern大學(xué)的科學(xué)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(diǎn)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(xué)設(shè)備將來能制造出低能激光,它能用于電信、光學(xué)計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(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(gè)光學(xué)腔內(nèi)。光在腔內(nèi)來回反射放大,最終形成激光。在大約10年前,科學(xué)家發(fā)明了第一個(gè)量子點(diǎn)激光器。

  量子點(diǎn)是晶體結(jié)構(gòu)中的納米級(jí)別區(qū)域,它們能捕獲在半導(dǎo)體中傳導(dǎo)電流的電子及空穴。當(dāng)捕獲的電子和空穴重新配對(duì)后,特定頻率的光就被發(fā)射出來。量子點(diǎn)激光器的優(yōu)勢(shì)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(yùn)作。

  在最近的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。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(zhuǎn)。整個(gè)區(qū)域含有約60個(gè)量子點(diǎn),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(diǎn)之間彼此并不相同,每個(gè)量子點(diǎn)之間的細(xì)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(huì)有一定影響?茖W(xué)家表示,任意時(shí)刻,最多有一個(gè)量子點(diǎn)——通常沒有——的特征頻率和光學(xué)共振頻率相匹配。

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