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　　所謂量子點就是將電子的運動限制在納米尺寸的三維結(jié)構(gòu)中，從三個方向限制電子運動的零維結(jié)構(gòu)量子勢阱。研究者們在理論上已經(jīng)證明量子點激光器與量子阱、量子線等激光器相比，擁有更好的激射特性，會達(dá)到更低的閾值電流、更高的發(fā)光效率等特性。進(jìn)入21世紀(jì)后，量子點激光器的研究更是取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其優(yōu)良的性能以及廣闊的應(yīng)用前景吸引很多人的研究。

　　1、量子點激光器

　　半導(dǎo)體晶體材料如果在三維空間的尺寸都與載流子的DeBroglie波長或電子的平均自由程尺寸相當(dāng)或更小，且該材料又是被禁帶寬度比較更大的材料包圍，即為量子點結(jié)構(gòu)，電子在材料中的運動受到三維限制，即電子能量是量子化的。這種電子在三維方向上全部受限制的材料( 或者結(jié)構(gòu))稱量子點。

　　量子點的最低的兩個分立能級的能量差如果大于幾倍的KT，增益函數(shù)會出現(xiàn)熱依賴性，就會得到極好的溫度穩(wěn)定性，這樣可得到更優(yōu)良的性能，極低的閾值電流密度、超高微分增益和極高的調(diào)制帶等。同時量子點激光器具有高速光源、大功率激光及紅外探測器等方面應(yīng)用前景。

　　2、量子點激光器基本機構(gòu)和性能

　　1)激光器的基本結(jié)構(gòu)：量子點激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示 。

量子點激光器結(jié)構(gòu)示意圖

　　2)閾值電流及增益特性：在忽略非均勻展寬的情況下，量子點材料與高維度量子阱、量子線 、體材料相比，其增益譜要窄得多，并且在峰值有更大增益，可以是量子 阱的1O倍，體材料的2O倍 。

　　3)閾值電流的穩(wěn)定性：以往激光器因為注入的載流子熱擴散，它的閾值電流的熱依賴性分布展寬，使最大增益減小。因為理想的量子點態(tài)密度是類氫譜狀，無限的高勢壘限制了載流子，就不可能生熱擴散，因此閾值電流密度徹底不依賴溫度，即特征溫度為∞。實際上量子點激光器的特征溫度同勢壘層材料組分、量子點的尺寸、生長質(zhì)量等密切相關(guān)。可以通過優(yōu)化尺寸及分布的均勻性等方法，實現(xiàn)有效地提高其特征溫度。

　　4)光譜特性：理想的量子點激光器應(yīng)只有單一的電子能級和空穴能級，易實現(xiàn)單模工作。實際制備過程中，由于不可能保證尺寸和形狀完全相同，導(dǎo)致單個量子點能級被展寬為點集。實際單層量子點典型的增益譜寬大大超過所需的低于leV的增益譜寬，影響閾值電流密度的降低。20世紀(jì)末Kirstaedter等人在77K的低溫和稍高于閾值 電流密度條件下發(fā)現(xiàn)了單模工作。在最初的研究過程中發(fā)現(xiàn)量子點激光器光譜中激光模式分組的現(xiàn)象，部分研究者認(rèn)為模式分組和泄漏模有關(guān)。

　　20世紀(jì)初D.Ouyang等人比較系統(tǒng)的研究了不同條寬及一定溫度范圍內(nèi)量子點中的模式分組效應(yīng)，得出模式組的間隔不會依賴于溫度，卻與條寬有關(guān)。如果對條寬的邊緣進(jìn)行合適的周期性刻蝕，會抑制或增強某波長增益譜的空間燒孔現(xiàn)象，這樣會對波長的穩(wěn)定及單縱模工作的實現(xiàn)有特別大的幫助。

　　3、量子點激光器的研究進(jìn)展及發(fā)展方向

　　1986年，Asada研究發(fā)現(xiàn)邊長lOmm立方體結(jié)構(gòu)的InGaAs量子點材料，它的增益達(dá)到10^4cm-1，遠(yuǎn)高于量子阱材料。1994年Ledentsov等人報道了77K低溫下自組織生長的I nGaAs量子點的光泵浦激射現(xiàn)象。1996 ～1997年很多的小組加入到量子點激光器的研究，顯著改善了量子點的性能，使其大小均勻性很好地控制在10％以下，實現(xiàn)基態(tài)激射。1999年，報道了100μm條寬量子點激光器在室溫下連續(xù)輸出功率可達(dá)3.5W-4W，效率達(dá)到95％。2000年報道了氧化物限制量子點激光器，激射波長1.3μm，閾值達(dá)到19A/cm2。2000年Grundmann報道了在近紅外InGaAs量子點77K低溫下觀察到16μm的量子點子能級帶內(nèi)躍遷產(chǎn)生的中紅外激射現(xiàn)象。2004年在歐洲的光通訊會議上 東京大學(xué)和富士通報道了工作在1.3μm，由溫度影響的光功率變動幅度控制到原來1/6左右。20℃-70℃間不用調(diào)整電流就能穩(wěn)定的發(fā)送出10Gb/s的光信號，可以降低 光發(fā)送器的大小和成本。2005年中科學(xué)院半導(dǎo)體研究所成功制備了激射波長1.33μm，可在室溫連續(xù)工作的GaAs基InAs自組織量子點邊發(fā)射激光器 。

　　2012年臺灣國立交通大學(xué)的Gray Lin等人利用InAs/InGaAs/GaAs量子點結(jié)構(gòu)研究了低閾值和寬調(diào)諧的外部腔的激光器 。對于長2mm的量子點外部腔獲得的可調(diào)諧范圍達(dá) 130nm( 1160-l29Onm)，最大閾值電流密度僅為0.9KA/cm2 ；對于長1．5mm的量子點外部腔獲得的可調(diào)諧范圍達(dá)150nm( 1143-1293nm )，最大閾值電流密度不超過0.9KA/cm2的記錄。

　　2013年日本東京大學(xué)研制出了鍵合在硅基底上的1.3m量子點（QD）激光二極管。采用硅摻雜部分P型砷化鎵（GaAs）壁壘結(jié)合自行聚合砷化銦（InAs）形成量子點，以構(gòu)建激光二極管的有源發(fā)光區(qū)域，再將這些器件鍵合到硅基底上。有源區(qū)域由8層P-GaAs壁壘中自行聚合的InAs 量子點結(jié)構(gòu)組成。每層的點密度為6×1010/cm2。試驗中對直接和金屬介導(dǎo)兩種鍵合工藝進(jìn)行了測試，兩種工藝研制的器件均可在超過100℃的條件下發(fā)射1.3m（光通信的O波段）的激光。這些結(jié)果證實了，采用晶圓鍵合工藝研制的硅上III-V族量子點激光器有望在高密度光子集成電路中實現(xiàn)溫度穩(wěn)定的運行。

　　2015年日本東北大學(xué)和日本情報通訊研究機構(gòu)（NICT）合作研究出了一種超小封裝的新型波長可調(diào)異構(gòu)激光器樣品。該器件的中心波長為1230nm，圍繞該中心具有44nm調(diào)諧寬帶。最近研發(fā)的大容量光纖傳輸系統(tǒng)采用了波分復(fù)用（WDM）密集頻率通道系統(tǒng)。因為在1530–1565nm的傳統(tǒng)波段（C波段）的頻率通道已人滿為患，波分復(fù)用系統(tǒng)的頻譜利用率趨于飽和。然而，更多的未被利用的頻率資源則埋藏在近紅外（NIR）區(qū)域，如1000-1260nm的千波段（T波段）和1260-1350nm的原始波段（O波段）。
2015年歐盟節(jié)能硅發(fā)射器使用III-V族半導(dǎo)體量子點和量子點材料的異質(zhì)集成（SEQUOIA）項目報道稱在硅光子集成電路（PIC）上取得新進(jìn)展。通過使用硅襯底納米結(jié)構(gòu)異質(zhì)集成材料，光學(xué)濾波器可以直接與異質(zhì)量子點/量子簇/硅激光器集成制備出線性調(diào)頻激光器。與直接調(diào)制激光器相比，該激光器有一個增強的調(diào)制帶寬和消光比。作為該技術(shù)的一個例子，目的是開發(fā)一個總?cè)萘?00Gbps發(fā)射機（16x25Gbps）。兩種 PIC 最終示范產(chǎn)品也設(shè)計完成，分別是直接調(diào)制比特率達(dá) 25Gbps 的線性調(diào)頻激光器和與級聯(lián)環(huán)諧振器調(diào)節(jié)器集成為一體的光梳子雷射。這些PIC使用16波分復(fù)用信道便可提供 400Gbps的總?cè)萘?，以更低的成本提供更好的性能，并通過采用新材料和新集成工藝增強器件性能。

　　量子點激光器的研究不斷取得長足進(jìn)步，同理論預(yù)測相比，它的性能還存在差距，要使性能有所提高，需要在量子點陣列、量子點材料的增益、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其尺寸等方面不斷有所研究和突破。根本實現(xiàn)高性能、低成本等一系列優(yōu)點，更好地在光學(xué)領(lǐng)域得到廣闊的應(yīng)用前景。（內(nèi)容節(jié)選自黑龍江科技學(xué)院理學(xué)院徐寶玉《量子點激光器的研究》 ）