液相外射面發(fā)射激光器的研究進(jìn)展

液相外射面發(fā)射激光器的研究進(jìn)展

1子帶的垂直腔表面發(fā)育著激光的發(fā)展和特點(diǎn)1.1gaisa/gaas面發(fā)射激光器1979年，h.soda和k.iga首次報(bào)道了impi-sdp的液體傳輸裝置。他們利用兩種表面活性劑形成法布里-培羅腔，并將出射光垂直于生長(zhǎng)平面。77K下脈沖電流激射的閾值電流為900mA,Jth=11kA/cm2(圓電極直徑100μm),輸出波長(zhǎng)為1.18μm的幾毫瓦激光。1983年首次研制成功GaAs/GaAlAs面發(fā)射激光器,77K下閾值電流為350mA,同年實(shí)現(xiàn)室溫激射。1986年將GaInAsP/InP面發(fā)射激光器77K下脈沖閾值電流降低到20mA,GaAlAs/GaAs面發(fā)射激光器室溫下脈沖閾值電流為6mA。1988年GaInAsP/InP面發(fā)射激光器室溫下連續(xù)波閾值電流達(dá)到15mA,GaAlAs/GaAs面發(fā)射激光器室溫下連續(xù)波閾值電流達(dá)到50mA。2000年藍(lán)光面發(fā)射激光器已經(jīng)成功激射。1.2橫向限制研究分子束外延(MBE)和金屬氧化物化學(xué)汽相淀積(MOCVD)可以生長(zhǎng)原子尺度量級(jí)的單原子層,因此通過(guò)生長(zhǎng)不同的半導(dǎo)體材料很容易實(shí)現(xiàn)載流子和光的縱向限制。與之相比實(shí)現(xiàn)橫向限制成為制造垂直腔面發(fā)射激光器關(guān)鍵而困難的工藝,實(shí)驗(yàn)室中常使用H+離子注入或選擇性氧化工藝。離子注入工藝有利于平面工藝和大面積均勻的注入,適應(yīng)于大規(guī)模地制造面發(fā)射激光器。同時(shí)這種方法也存在缺點(diǎn),由于金屬十字叉絲不能做的太小和離子注入橫向擴(kuò)展效應(yīng),垂直腔激光器閾值不能降到很低。近年人們?cè)谥圃齑怪鼻幻姘l(fā)射激光器中更普遍地采用選擇性氧化的方法,控制電流孔徑的大小,可以提高自發(fā)發(fā)射耦合效率,降低了閾值。使用選擇性氧化工藝制造的InGaAs/GaAs垂直腔面發(fā)射激光器閾值降低到幾十微安量級(jí)。1.3dbr型使用分子束外延、金屬氧化物化學(xué)汽相淀積、氧化、淀積、刻蝕、離子轟擊、選擇性氧化等工藝,反射鏡由鍍膜分配布拉格反射器(DBR)組成,其反射率大于99%,很短的諧振腔垂直于襯底片,因此腔內(nèi)存在的模數(shù)很少,輸出窄發(fā)散角(10°)圓柱對(duì)稱(chēng)光束垂直于襯底片,無(wú)需解理、易實(shí)現(xiàn)二維集成和單模運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)閾值為微安級(jí)的垂直腔面發(fā)射激光器,并且特征頻率達(dá)到10GHz/s,這樣的激光器傳遞信息量大,可以應(yīng)用在光通信、光互連、光計(jì)算及其他平行光信息處理和光電集成中。2腔能量電流學(xué)[11、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28和29]2.1抑制自發(fā)發(fā)射的活性1946年E.M.Purcell觀察激活磁核在輻射頻率ν為107s-1的衰變率。使用傳統(tǒng)方法計(jì)算自發(fā)發(fā)射衰減率,得到弛豫時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1021s量級(jí),顯然這與實(shí)際完全不符。Purcell認(rèn)為一個(gè)磁偶極子耦合到共振電子回路系統(tǒng)中,當(dāng)回路有關(guān)的ν/Q頻率內(nèi)只有一個(gè)諧振子時(shí),使用傳統(tǒng)公式計(jì)算自發(fā)發(fā)射發(fā)生偏差。他證實(shí)室溫下激活的磁核介子放在直徑為10-3cm的金屬粒子中,只需數(shù)分鐘就可通過(guò)自發(fā)發(fā)射復(fù)合恢復(fù)平衡。1981年MIT的學(xué)者從理論上預(yù)計(jì)自發(fā)發(fā)射可以被增進(jìn)的同時(shí)也可被抑制,表明腔可以改變物質(zhì)和真空?qǐng)鱿嗷プ饔玫牧孔与妱?dòng)力學(xué)過(guò)程。1985年MIT物理學(xué)家讓一束Cs原子通過(guò)20cm長(zhǎng)、間距約0.2mm的鋁反射鏡,原子輻射波長(zhǎng)約0.4mm,利用電場(chǎng)作用在Rydberg原子的Stark效應(yīng)改變?cè)拥妮椛洳ㄩL(zhǎng),發(fā)現(xiàn)當(dāng)輻射波長(zhǎng)大于2倍平行平板間距時(shí),自發(fā)發(fā)射被抑制;反之,自發(fā)發(fā)射被增進(jìn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)定被抑制輻射的壽命比自由空間增進(jìn)20倍。1987年MIT物理學(xué)家觀察到腔可以分別抑制或增進(jìn)自發(fā)發(fā)射42倍和19倍。Yale大學(xué)的學(xué)者使用與MIT類(lèi)似的裝置,證明在窄平面鏡中真空?qǐng)龅姆较蛐浴?0年代前,雖然人們已經(jīng)對(duì)電磁波進(jìn)行了深入的研究,但研究腔控制光頻范圍內(nèi)的產(chǎn)生與傳播進(jìn)展很慢,其原因在于光波波長(zhǎng)比任何儀器的尺寸都小許多。1974年Drexhage利用長(zhǎng)鏈脂肪酸和染料制成多層單分子層,形成厚度接近光波波長(zhǎng)大小的材料,可以對(duì)光波特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究,并發(fā)現(xiàn)金屬鏡可以改變常規(guī)的自發(fā)發(fā)射空間分布。2.2rabi振蕩除腔控制自發(fā)發(fā)射外,腔量子電動(dòng)力學(xué)行為還包括:真空?qǐng)龅腞abi振蕩;單原子放大器(one-atommaser);雙光子放大器(two-photonmaser);腔影響原子的輻射頻率;腔內(nèi)多原子相互耦合超輻射現(xiàn)象等。3微腔半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體面發(fā)射激光器諧振腔的大小已經(jīng)接近光波長(zhǎng)量級(jí),滿(mǎn)足了微腔結(jié)構(gòu)要求,所以某些現(xiàn)象表現(xiàn)為量子電動(dòng)力學(xué)的特征,即微腔半導(dǎo)體激光器能夠改變腔內(nèi)真空?qǐng)龅姆植?從而控制自發(fā)發(fā)射和增進(jìn)自發(fā)發(fā)射因子,改變器件的性能,這是它引起人們注意的重要原因。3.1電子庫(kù)侖作用勢(shì)變1991年日本學(xué)者在低溫下通過(guò)改變加在量子阱的電壓,使有源區(qū)量子阱的形狀發(fā)生傾斜,于是電子的庫(kù)侖作用勢(shì)變?nèi)?自發(fā)發(fā)射譜峰值發(fā)生紅移。當(dāng)發(fā)射波長(zhǎng)和微腔腔長(zhǎng)共振時(shí),PL譜最強(qiáng),可增進(jìn)約40倍。3.2微腔自發(fā)發(fā)射因子的檢測(cè)1994年科羅拉多州立大學(xué)的學(xué)者測(cè)量注入電流和輸出光功率曲線(xiàn),并與改變自發(fā)發(fā)射因子的速率方程進(jìn)行對(duì)比,在室溫下給出直徑為6μm的GaAs/AlGaAs微腔自發(fā)發(fā)射因子2.8×10-3。1996年加州的學(xué)者考慮了微腔中的散射損耗和載流子擴(kuò)散的影響,126K下電抽運(yùn)直徑為3μm的面發(fā)射激光器,測(cè)得自發(fā)發(fā)射因子為0.01。3.3邊緣發(fā)射激光器處于低溫下的半導(dǎo)體微腔可以觀測(cè)到Rabi分裂,但在室溫下這種現(xiàn)象變得很弱。由此可見(jiàn),普通邊緣發(fā)射激光器出射光平行于生長(zhǎng)底片,依靠折射率或增益波導(dǎo)形成對(duì)光的限制,通過(guò)解理形成諧振腔,所以邊緣發(fā)射激光器很難達(dá)到微腔結(jié)構(gòu)。80年代MOCVD和MBE技術(shù)的出現(xiàn),使納米半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),為面發(fā)射激光器提供了有力的手段。MOCVD或MBE工藝結(jié)合質(zhì)子轟擊、光刻、反離子刻蝕、選擇性氧化等技術(shù)很容易制成微腔結(jié)構(gòu),即腔長(zhǎng)在激光波長(zhǎng)量級(jí),所以人們希望用半導(dǎo)體面發(fā)射激光器制成理想的微腔結(jié)構(gòu)。4半導(dǎo)體面發(fā)射激光器1993年前后,中科院半導(dǎo)體研究所、北京大學(xué)、吉林大學(xué)等單位開(kāi)始研制半導(dǎo)體垂直腔面發(fā)射激光器和微盤(pán)激光器。中科院半導(dǎo)體研究所使用MBE生長(zhǎng)多層DBR和量子阱,結(jié)合質(zhì)子轟擊半導(dǎo)體工藝,實(shí)現(xiàn)了激射波長(zhǎng)為0.86μm,閾值為8mA的面發(fā)射激光器。1995年垂直腔面發(fā)射激光器最低閾值降低到1.5～2mA。1997年使用選擇性氧化工藝制造出陣列面發(fā)射激光器,同時(shí)研制了其他波長(zhǎng)的半導(dǎo)體面發(fā)射激光器。吉林大學(xué)同樣對(duì)垂直腔面發(fā)射激光器有新的進(jìn)展。在實(shí)現(xiàn)垂直腔面發(fā)射激光器的同時(shí),國(guó)內(nèi)專(zhuān)家開(kāi)始研究垂直腔面發(fā)射激光器激射和微盤(pán)激光器的微腔效應(yīng)。1996年討論了微盤(pán)微腔自發(fā)發(fā)射因子;1997年“第一屆半導(dǎo)體微腔物理及應(yīng)用研討會(huì)”在北京召開(kāi),對(duì)微腔物理、微腔效應(yīng)和微腔閾值等進(jìn)行了研討;1998年模擬了以微腔為光源的10Gb/s通信系統(tǒng);1999年前后一些學(xué)者探討了半導(dǎo)體垂直腔面發(fā)射激光器的熱、電和波導(dǎo)特性;2000年研究了半導(dǎo)體面發(fā)射微腔激光器的自發(fā)發(fā)射。5微腔激光器實(shí)驗(yàn)研究量子阱垂直腔面發(fā)射激光器及其微腔物理是在一定的條件下發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科,我們借助原始文獻(xiàn),對(duì)其發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了概括,突出了首次提出理論、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和探索器件的杰出學(xué)者。從上面的敘述可以看出:第一只垂直腔面發(fā)射激光器的有源區(qū)并不是量子阱,