一种降低半导体量子点激光器线宽增强因子的方法技术

本发明专利技术公开了一种降低半导体量子点激光器线宽增强因子的方法，通过对量子点的尺寸、应力以及量子点材料和势垒材料禁带宽度的调控，增加量子点能态能级差，抑制非均匀性展宽的影响，提高量子点增益谱在跃迁能级附近的对称性，从而有效降低量子点激光器的线宽增强因子。本发明专利技术与当前的实验室和产业界所使用的设备和工艺完全匹配，具有成本低廉、可操作性强、和效果明显等特点，可有效提高量子点半导体激光器的性能。光器的性能。光器的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种降低半导体量子点激光器线宽增强因子的方法


[0001]本专利技术涉及半导体量子点激光器设计技术，具体涉及一种通过提高量子点能态能级差以降低半导体量子点激光器线宽增强因子的方法。

技术介绍

[0002]半导体激光器在光通信系统、高密度数据存储、生物医学影像和激光显示等方面应用广泛。其中以低维量子点为有源区的激光器除了具有温度稳定性高和阈值低的特性之外，还具有线宽增强因子小等优点。线宽增强因子描述了由于注入载流子浓度变化而导致的光学增益和折射率之间的耦合效应。较小的线宽增强因子有助于减小激光器谱线展宽、降低频率啁啾和提高模式稳定性，在光通信系统、光反馈噪声容度、激光探测器等领域具有重要应用。
[0003]以往实验结果显示，以量子阱和异质结为有源区的半导体激光器的线宽增强因子大多分别大于2和5。如此大的线宽增强因子与增益谱相对于跃迁能量的低对称性有关，对称性越低线宽增强因子越高。量子点具有像单原子一样的δ函数型能态密度，理想量子点的增益谱是关于跃迁能量完美对称的，所以，以低维量子点为有源区的激光器可有效降低线宽增强因子，特别是根据理论预测，理想量子点激光器的线宽增强因子为0。
[0004]但是在实际的量子点激光器中，由于存在诸如组分、尺寸不均匀等非均匀性展宽的影响，量子点不同能态的增益谱之间出现重叠，影响了量子点增益谱的对称性，造成实际量子点激光器的线宽增强因子依然远大于0。

技术实现思路

[0005]针对以上半导体量子点激光器中存在的问题，本专利技术提出了一种通过提高量子点能态能级差以降低半导体量子点激光器线宽增强因子的方法，通过对量子点的尺寸、应力以及量子点材料和势垒材料禁带宽度的调控，增加量子点能态能级差，抑制非均匀性展宽的影响，提高量子点增益谱在跃迁能级附近的对称性，从而有效降低量子点激光器的线宽增强因子。
[0006]本专利技术提出的降低半导体量子点激光器线宽增强因子的方法是通过提高量子点基态和激发态的能态能级差来实现的，所述量子点激光器包括量子点层和量子势垒层，其中所述量子点层的量子点材料和所述量子势垒层的量子势垒材料为两个不同的量子结构材料，通过对量子点激光器的以下三方面中的一项或多项进行调控来提高量子点能态能级差：
[0007]1)通过降低量子点材料的禁带宽度或提高量子势垒材料的禁带宽度，或者二者同时进行，增加电子和空穴各自的子带间距；
[0008]2)通过减小量子点层中的量子点尺寸，增加电子和空穴各自的子带间距；
[0009]3)通过对量子点应力分布的调控，增加电子和空穴各自的子带间距。
[0010]所述量子点激光器的材料体系包括但不限于AlInGaN、AlInGaAs、InGaAsP等半导
体材料体系，根据材料体系特征，构建两个不同的量子结构材料，即量子势垒材料和量子点材料，例如，量子点材料In
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Ga1‑
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N和量子势垒材料为Al
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N构成的材料体系，量子点材料In
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Ga1‑
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As和量子势垒材料Al
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As构成的材料体系。
[0011]在上述第1)方面，根据材料组分合金特性，分别提高量子势垒材料的禁带宽度和降低量子点材料的禁带宽度，提高量子结构的限制能，增加量子点基态和激发态之间的能级差，弱化非均匀性展宽对量子点能态密度和增益谱线对称性的影响，降低量子点激光器线宽增强因子。
[0012]具体的，可以通过调节材料中原子组分比例调节材料的禁带宽度，例如在以两种二元化合物半导体AC和BC构成的三元合金A
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B1‑
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C中，组分值x的变化使得三元合金的禁带宽度在AC和BC之间变动，其中A为金属类元素，B为金素类元素，C为非金属类元素。通过组分调节而提高量子结构限制能，其目的是为了提高量子点增益谱线在跃迁能级附近的对称性。
[0013]在上述第2)方面，根据介观物理体系中的量子尺寸限制效应，减小低维度量子点空间体积，增加量子点基态和激发态之间的能级差，弱化非均匀性展宽对量子点能态密度和增益谱线对称性的影响，降低量子点激光器的线宽增强因子。
[0014]具体的，量子点空间体积的减小通过MBE或MOCVD生长过程中量子点生长时间减少或量子点生长后的蒸发或退火时间增加得以控制。利用减小量子点空间体积提高基态和激发态之间能级差，其目的是为了降低不同跃迁能级的增益谱线之间的重合，提高增益谱线在跃迁能级附近的对称性。
[0015]在上述第3)方面，通过对量子点应力分布的调控，增强量子点能态能级差，抑制非均匀性展宽的影响，提高量子点增益谱在跃迁能级附近的对称性，低量子点激光器的线宽增强因子。
[0016]具体的，对量子点应力分布的调控可以通过在各量子点层之间插入应力补偿层或者改变量子点材料或势垒材料的原子组分实现。
[0017]上述第1)至第3)方面可同时进行，也可只进行其中的任意一项，均可达到提高量子点的能态能级差、抑制非均匀性展宽的影响、提高量子点增益谱在跃迁能级附近的对称性，进而降低激光器线宽增强因子的目的。
[0018]其中，上述第1)方面量子点禁带宽度的调节可能造成激光器发光波长红移，而第2)方面量子点尺寸的调节可能造成波长蓝移，针对该问题，可协同进行第1)和第2)方面的调控，平衡红移和蓝移，在保持激光器发光波长不变的同时，提高量子点的能态能级差，抑制非均匀性展宽的影响，提高量子点增益谱在跃迁能级附近的对称性，降低激光器线宽增强因子。
[0019]本专利技术通过对量子点的尺寸、应力以及量子点材料和势垒材料禁带宽度的调控，增加量子点能态能级差，抑制非均匀性展宽的影响，提高量子点增益谱在跃迁能级附近的对称性，从而有效降低量子点激光器的线宽增强因子。本专利技术与当前的实验室和产业界所使用的设备和工艺完全匹配，具有成本低廉、可操作性强、和效果明显等特点，可有效提高量子点半导体激光器的性能。
附图说明
[0020]图1至图4为本专利技术利用提高量子点能态能级差以降低半导体量子点激光器线宽增强因子的实施例说明图。其中：
[0021]图1为制备的量子点具有较低限制能和较大体积时的能带结构示意图；
[0022]图2为与图1对应的增益谱线示意图；
[0023]图3为制备的量子点具有较高限制能和较小体积时的能带结构示意图；
[0024]图4为与图3对应的增益谱线示意图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本专利技术。
[0026]实施例一
[0027]在本实施例中，量子点材料为In
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N，量子势垒材料为Al
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N。首先设计量子点材料禁带宽度相对较大、势垒材料禁带宽度相对较小的量子点体系，即是同时降低In
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低半导体量子点激光器线宽增强因子的方法，所述量子点激光器包括量子点层和量子势垒层，其中所述量子点层的量子点材料和所述量子势垒层的量子势垒材料为两个不同的量子结构材料，通过对量子点激光器的以下三方面中的一项或多项进行调控来提高量子点能态能级差：1)通过降低量子点材料的禁带宽度或提高量子势垒材料的禁带宽度，或者二者同时进行，增加电子和空穴各自的子带间距；2)通过减小量子点层中的量子点尺寸，增加电子和空穴各自的子带间距；3)通过对量子点应力分布的调控，增加电子和空穴各自的子带间距。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子点激光器的材料体系选自AlInGaN、AlInGaAs、InGaAsP半导体材料体系。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子点激光器的量子点材料为In
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N，量子势垒材料为Al
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N；或者，所述量子点激光器的量子点材料为In
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【专利技术属性】
技术研发人员：王新强，陶仁春，沈波，刘放，盛博文，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：