量子阱半导体激光器

2005/2/1/15:8   光纤通信技术的发展已有近30年的历史，目前广泛应用于光纤通信系统的光源器件是采用iii-v族化合物半导体材料1ngaasp／lnp制作的激光二极管。lngaasp／inp材料体系的发光波长正好满足了石英光纤的需要，采用这种材料制作的半导体激光器在室温下表现出了良好的光电特性，可以满足使用要求。但是，由于材料本身特性的限制，采用lngaasp /lnp材料制作的半导体激光器表现出一个明显的缺点，就是对温度特别敏感，在室温下工作得很好的器件，温度较高时激光输出会明显减小，甚至不能正常工作。

    为此，人们在使用激光器时一般要给它加上半导体热电制冷器，使其能恒温工作，还要加上监控输出光强的光电探测器和光控电路使激光输出功率稳定，这使得整个激光模块的成本增加不少，体积和重量也相应增加，同时由于零部件较多，可靠性也会受到影响。还应注意到，由于半导体热电制冷器的耗电较大，一般要超过激光器本身的耗电，这使得使整个模块所消耗的电能也增加很多，为其供电的电源部分的体积和重量有可能超过激光模块本身。对于较长距离的干线通信系统，由于系统的投资主要集中在线路方面，端机所占的成本份额较小，端机的工作环境也较好，这些缺点还可以忍受。但随着信息量的增长，特别是光纤到户目标的提出，半导体激光器将直接面对数以亿计的个人用户。要想构成一个能够双向通信的光纤节点，每户至少需要一个半导体激光器和一个光电探测器，这些器件往往有可能在较差的环境下工作，前述普通ingaasp/inp半导体激光器的缺点将变得难以忍受。因此，人们迫切希望发展出能在较宽的温度范围内正常工作，无需热电制冷和光控电路的半导体激光器，只有这样才能简化系统和降低成本，并保证所需的性能和足够的可靠性，迈出光纤到户的关键一步。

    在半导体激光器中引人量子阱结构可以明显改善其温度特性。采用先进的半导体材料外延生长工艺（如分子束外延生长工艺），将厚度仅为几十个原子层的半导体发光材料（作为量子阱）交替生长在光限制材料（作为量子势垒）之间，使其产生量子限制效应，可以使激光器在较低的电流驱动下就产生较强的激光，从而降低温度对器件性能的影响。量子阱结构还可同时改善激光器的其他光电性能。在量子阱中引人适当的应变，可以进一步改善器件的温度特性；而在量子势垒材料中引人与量子阱材料中类型相反的应变，可以补偿应变对材料生长质量带来的不利影响。综合以上这些措施，可以发展出适用于石英光纤波长范围，能在较高的温度下正常工作的半导体激光器。这样的半导体激光器将无需热电制冷器和光控电路，对工作环境温度也无严格要求，使每个终端的成本大大降低，能够直接面对未来高速光纤信息平台最末端的众多用户。