面向硅光集成的量子点激光器及波导耦合研究进展

硅光集成结合了光电子高速率、低串扰和微电子高集成、低成本的优势,是突破当前微电子芯片性能墙、功耗墙等瓶颈,实现信息高速传输与处理的重要路径。经过二十余年的快速发展,硅光芯片用光波导、光调制器、光探测器、分波/合波器等元器件及其小规模集成已经基本成熟,但高性能的硅基光源尚未完全解决。由于本征硅的发光效率极低,如何将Ⅲ-Ⅴ族激光器集成到硅光芯片上并实现其与片上波导的低损耦合,是目前亟待解决的核心问题。量子点材料具有对载流子三维方向的强限制,使得量子点激光器呈现出低功耗、高工作温度、高温度稳定、强抗反馈等优异特性,被视为未来硅基光源的主流。本文面向大规模、高密度的硅光集成,重点介绍片上键合和异质集成两类量子点激光器方案,及光子引线、端面耦合和倏逝波耦合三种波导耦合方案,以期为尽早完成高性能激光光源这一硅光集成中的“最后一块拼图”提供启发。

环境友好的近红外量子点激光器综合性教学实验设计

铅盐量子点最低量子态的多重简并及其生物毒性,严重阻碍了近红外胶体量子点相干光源的发展。该文凝练团队创新科研成果,设计了环境友好的近红外量子点激光器综合性教学实验。该实验要求学生根据行业难题自主设计并搭建实验平台,深入研究环境友好的Ag_(2)Se量子点的光增益特性,并以此为基础研制低阈值的单模近红外量子点激光器,具有前沿性、创新性和挑战性。实验内容与光电类专业课程关联程度高,有助于培养学生灵活运用所学知识分析、解决问题的能力。通过文献调研、方案设计、光增益特性分析和激光器研制这一完整的研发过程,可显著提高学生的科研素养和实践创新能力,为他们参与科研攻关和产品研发奠定基础。

基于PbS量子点的可调谐高能量锁模光纤激光器

基于低维纳米材料的飞秒光纤激光器在光学开关、光纤传感和光通信领域中发挥着重要的作用。然而,低损伤阈值限制了其在高能量激光领域的实际应用。为了解决这一问题,实验中基于PbS量子点饱和吸收体,在近零色散区研究掺铒光纤激光器的飞秒脉冲输出特性,脉冲中心波长为1568.6 nm,光谱的3 dB带宽为11.4 nm,脉冲半高全宽为361 fs。利用多模光纤中的非线性多模干涉效应实现带宽可调的光谱滤波效应,调节偏振相关“基模”引起的群时间延迟量调控腔内总色散量,升高泵浦驱动电流达到饱和吸收体的反饱和吸收特性区域,实现从展宽脉冲到高能量耗散孤子共振脉冲的切换。由于局部的非同步色散波与孤子之间的相消干涉效应,导致耗散孤子共振脉冲光谱出现了dip型边带和Kelly边带不对称地分布在光谱两边的现象。通过调谐腔内脉冲的偏振状态和泵浦功率,高能量脉冲的半高全宽可以在7.7~23 ns之间调谐。当泵浦驱动电流达到800 mA时,腔内激光脉冲能量为34.8 nJ,其损伤阈值大于60 mJ/cm^(2)。该工作为实现高效、高能量飞秒光纤激光提供了新的解决方案。

基于硫化铅量子点可饱和吸收体的锁模光纤激光器

通过优化后的热注入法制备得到硫化铅胶体量子点,再利用匀胶机两步旋涂的方法使材料平铺在小块羧甲基纤维素薄膜上,并将其作为可饱和吸收体应用于光纤激光器中,实现稳定的锁模。制备的硫化铅量子点可饱和吸收薄膜的调制深度和饱和强度分别约为26.46%和6.75 MW/cm^(2),非饱和损耗为6.42%。测试结果表明该薄膜具有更小的非饱和损耗以及更好的重复性和一致性。采用该薄膜作为可饱和吸收体的光纤激光器能在47 mW的泵浦功率处开始实现自启动锁模,且能够实现长时间稳定的锁模激光输出。研究结果为硫化铅量子点可饱和吸收体在光纤激光器中的后续应用奠定了基础。

大功率In(Ga)As/GaAs量子点激光器

利用分子束外延技术和 S- K生长模式 ,系统研究了 In As/Ga As材料体系应变自组装量子点的形成和演化 .研制出激射波长λ≈ 960 nm,条宽 1 0 0μm,腔长 80 0μm的 In( Ga) As/Ga As量子点激光器 :室温连续输出功率大于 3.5W,室温阈值电流密度 2 1 8A/cm2 ,0 .61 W室温连续工作寿命超过

室温脉冲激射的纵向控制InAs量子点激光器

利用一种我们新近提出的ＭＢＥ自组织ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子点生长方式，制成条型激光器，在室温脉冲工作条件下实现了激射．与测得的光致发光（ＰＬ）谱对照，发现激射峰位与量子点的ＰＬ谱峰位基本吻合．不同激光器结构的样品激射峰有相当大的移动，说明了激射来自量子点．在其它条件完全相同而仅有源区不同的条件下，纵向控制量子点激光器的阈值电流只是垂直耦合量子点激光器的１／３（６０ｍＡ∶２００ｍＡ），我们给出了一个简单的解释，并据此提出了一种实现调节量子点激光器激射能量的方法．

生长停顿对量子点激光器的影响

在 In As自组织量子点的 Ga As覆盖层中引入生长停顿 ,将这种量子点结构作激光器的有源区 ,与不引入生长停顿的量子点激光器进行对比后发现 :生长停顿可以降低激光器的阈值电流 ,提高其特征温度 ,改善激光波长的温度稳定性 .简单的分析表明 ,量子点中的能带填充效应影响了激光波长的温度特性 .

外腔反馈对量子点激光器输出特性的影响

在对光栅外腔量子点激光器进行理论研究的基础上,分析了外腔反馈对Littrow型光栅外腔量子点激光器输出功率、调谐范围等输出特性的影响,发现器件参数的选择对外腔激光器的性能影响很大。对外腔激光器的输出功率和调谐范围进行了理论计算,并与实验结果进行了对比。计算得到的外腔激光器的输出功率与实验结果符合得很好,忽略了非线性增益相关的增益抑制的单模调谐范围理论计算值稍小于实验结果。

PbSe量子点光纤激光器的数值模拟

提出了一种新型的光纤激光器——掺量子点的光纤激光器(QDFL)。在QDFL中,利用PbSe量子点具有大发射截面的特点,将PbSe量子点作为激光器的激活介质,对QDFL进行了计算机数值模拟。数值计算了掺PbSe量子点光纤激光器的激光功率及饱和长度,并给出了不同输出镜反射率对激光功率的影响。结果表明:与传统的掺镱离子的光纤激光器相比,QDFL的输出激光功率更高,增益系数更大,光纤的饱和长度较短。QDFL的激光功率与光纤长度密切相关,饱和功率与掺杂浓度无关。改变谐振腔出射镜的反射率,可以改变激光功率。这些结果有待于实验的证实和检验。

量子点激光器及其应用研究

报道了用分于束外延生长出自组装垂直耦合InAs/GaAs大功率量子点激光器(QDLaser)材料和器件。对腔长为 80 0 μm ,室温下和 77K下连续激射阈值电流密度分别为 2 18A/cm2 和 4 9A/cm2 ,波长为 96 0nm ,最大输出功率大于lW。首次报道在0 54W工作下 ,寿命超过 30 0 0小时 ,功率仅下降 0 4 9db ,并制备出实用化的大功率量子点激光器激光耦合模块 ,室温连续激射功率超过

InGaAs量子点激光器光增益的温度特性

研究了非耦合多层InGaAs量子点材料光增益的温度特性 ,并与InGaAs单量子阱材料进行了对比 .发现In GaAs量子点表现出更好的增益温度稳定性 .同时发现随着温度升高 ,在 14 0～ 2 0 0K温度范围内 ,InGaAs量子点增益峰值首先增大 ,当温度超过 2 0 0K后开始减小 .对这种增益特性的产生机制进行了分析 .增益曲线峰值波长随温度升高单调地向长波长方向移动 。

InAs/GaAs量子点材料和激光器

介绍了近年来长波长InAsG/aAs量子点材料的生长、结构性质和量子点激光器的研究进展。

量子点激光器和量子点能态的计算

本文首先从态密度的角度 ,分析了半导体激光器从三维到零维发展的内因 ;介绍了实现量子点的工艺和量子点激光器的研究进程 ;评述了影响量子点激光器发展的“瓶颈”问题。在文章的后半部分 ,介绍了量子点电子态的计算 ,其中着重介绍了k.p微扰法。

量子点激光器

主要介绍了量子点激光器的产生、量子点的生长制作、激光器基本结构和性能、最新进展和未来发展要解决的问题。

空间光通信用量子点激光器辐射损伤效应研究

采用电子和质子辐射空间激光通信系统,选用1 310 nm量子点激光器,对其辐射损伤效应开展研究,给出了辐射前后器件的I-V和I-P等特性参数随辐射剂量的变化数据,并对主要结果进行了分析。结果表明,随着辐射剂量的增加,同一电流处的电压均随着辐射剂量呈上升趋势;量子点激光器阈值电流逐渐增大,同时,在同一驱动电流下,光功率逐渐减小,斜率效率下降;当电子和质子的辐射剂量分别超过1×10~7rad和8×10~5rad之后,阈值电流增加和斜率效率的下降趋势都变缓。

InAs/GaAs量子点激光器增益特性

由于载流子在3个维度受到量子限制,半导体量子点具有类似于原子的分立能级,并展现出许多独特的光学和电学性能.实验研制了InAs/GaAs量子点半导体激光器,分别采用傅里叶级数展开方法和Hakki-Paoli方法准确地测量和表征量子点激光器的模式增益,分析了其增益与损耗.实验结果表明HakkiPaoli方法受测量系统分辨率影响大,在增益谱峰值附近由其得到的增益明显偏低.采用傅里叶级数展开方法并由测试系统响应函数进行修正,可以获得更准确的增益谱.

半导体量子点激光器的发展

本文综述了半导体量子点激光器的发展和研究现状,并简单介绍了量子点材料的自组装生长,量子点在其他光电子器件上的应用及其发展趋势。

InAs/GaAs多层堆垛量子点激光器的激射特性

利用固态源分子束外延技术,按S-K模式生长出五层堆垛InAs/GaAs量子点(QD)微结构材料.用这种QD材料制成的激光器,内光学损耗为2.1cm-1,透明电流密度为15士10 A/cm2.对于条宽100μm,腔长2.4mm的激光器(腔面未经镀膜处理),室温下基态激射的波长为1.08μm,阈值电流密度为144A/cm2,连续波光功率输出达2.67W(双面),外量子效率为63%,特征温度为320K.研究了QD激光器翟激射特性,并对结果作了讨论.

1.5mm腔长InAs/InP量子点激光器镜面外腔光谱特性研究

基于研制的1.5mm腔长InAs/InP共面条状量子点激光器,搭建了其镜面外腔结构,并对其光谱特性进行了测试,获得了镜面外腔周期性调制光谱,并在周期性的产生、多模激射和模式随电流的变化等方面对其光谱特性进行了分析研究。相比以前为获得单模使用的超短腔长超短外腔量子阱激光器,长腔长InAs/InP量子点激光器表现出较小的模式压缩比,更容易发生多模激射。

量子点激光器瞬态响应及调制特性分析

基于二能级系统建立量子点激光器的载流子-光子速率方程模型,分析量子点激光器的瞬态响应和调制特性,获得其动态特性。同时分析了注入电流对量子点激光器输出光子密度的影响,随着注入电流的增大,激光器光电延迟时间缩短,弛豫过程缩短,弛豫振荡频率增大,且输出光子峰值和稳态功率增加,适当增加注入电流可拓宽量子点激光器调制带宽。通过小信号调制分析,发现量子点激光器上限调制频率比普通激光器高一个数量级,证明了其具有良好的高频调制特性。