什么是量子阱激光器（Quantum Well Laser）？

量子阱激光器是一种半导体激光器，其活性区域的厚度非常窄。有源区的厚度决定了激光器所发射的光的波长。这些激光器的有源区的厚度约为100埃。这些激光器的发射波长通常在700纳米和1600纳米之间。这种激光器的光脉冲的脉冲时间是皮秒级的。在连续波操作下，量子阱激光器的输出功率相对较高，从几毫瓦到几瓦不等。


图1：量子阱的表示方法

量子阱是由具有较宽带隙的材料形成的薄层半导体介质，粒子或载流子（电子或空穴）被限制在这个井里。量子井的厚度通常为5-20纳米。粒子被限制在一个维度上，但它们可以在其他两个方向上自由移动。图1中显示了一个量子井。量子约束是一种效应，其中材料的尺寸与参与的电子的德布罗格利波长相当，这发生在激光器的活性区域。当尺寸很大时，粒子表现得很自由，带隙保持在原来的能量。但是当尺寸太小时，通常是在纳米级，能谱变得不连续，带隙变得与尺寸有关。由于粒子减少，电子和空穴变得更近，需要更多的能量来激活它们，这导致了光发射的蓝移。

量子阱激光器的特点是有一个薄的活性区域，可以提供更好的光放大。异质结是两个具有不同带隙的半导体之间形成的结。如果有两个这样的结形成，那么它们就是双异质结。在异质结半导体激光器中，形成有源区的两个半导体将具有两个不同的折射率。

量子阱的形成

量子阱通常是通过使用一种叫做外延的技术生长半导体材料的薄层来创建的。量子井所选择的半导体材料取决于所需的性能和设备的应用。用于量子井的常见材料包括砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。量子井层的厚度对于控制电子和空穴的束缚至关重要，它必须比周围的层更薄，以创造一个势阱。

外延工艺被用来培养半导体材料层，方法是将它们薄薄地沉积在基底上，如GaAs晶圆。这种生长可以使用不同的技术，如分子束外延或金属有机化学气相沉积。必须仔细控制生长条件，如温度、压力和气体流量，以确保所需的层厚度和质量。掺杂物，如硅或锌，可以被添加到层中以控制电子和空穴的浓度。为了创造一个具有多个量子阱的异质结构，可以用不同的层厚度重复层的生长过程。金属触点可以被添加到这些层中，以提供与器件的电接触。

图2中显示了一个量子井结构。这里，半导体A（GaAs）被夹在两层半导体B（AlGaAs）之间。半导体A和B沿Z方向堆叠。为了沿z方向创建一个量子井，半导体A的带隙应小于半导体B的带隙。量子井的尺寸通常在20纳米或更小的量子特性出现的顺序。因此，井中电子和空穴的能级是量化的（离散的能级）。


图2：量子阱激光器的结构和能带图

量子阱激光器的工作原理 

当电流被施加到量子阱时，电子和空穴被注入量子阱。这些电子和空穴被限制并困在狭窄的量子井内，因为它们被强制进入离散的能级，即所谓的子带。当较高能级中的电子比较低能级中的电子多时，就会发生群体反转。然后电子与井中的空穴重新结合，以光子的形式释放出能量。这些被释放的光子将通过刺激发射诱发电子和空穴的进一步重组，并发射出更多的光子。

量子阱激光器中使用的光腔是反射器，例如；布拉格反射器。其中一个反射器是高反射的，另一个是部分反射的。量子阱中自发发射的光子在光腔内来回跳动，引起刺激发射，然后被放大。腔内的光通过低反射层被发射出去。

量子阱的结构提高了电子-空穴重组的概率，有助于量子阱激光器的低阈值电流。广泛使用的单量子阱激光器之一是GaAs/AlGaAs。

多量子井（MQW）激光器


图3：多量子阱激光器的结构

多量子阱激光器是通过重复排列单个量子阱而产生的。这些激光器有多量子井作为活性区域。量子井的阻挡层是足够厚的。由于有多个井，在一个井中未被捕获的载流子可以被下一个井捕获。由于其改进的封闭性和增加的状态密度，它们提供更大的输出功率和更小的阈值电流。多量子阱激光器比量子阱激光器更有效，它们可以通过改变量子阱的厚度来调整发射波长。图3是一个多量子阱激光器的示意图，图4是多量子阱激光器的能带图。


图4：多量子阱激光器的能带图

在低阈值增益下，多量子阱激光器的阈值电流密度增加。透明电流密度是低阈值增益时阈值电流密度的主要部分。由于多量子阱结构与单量子阱结构相比，有许多有源区部件，即量子阱，因此多量子阱结构中的透明电流密度更高。多量子阱结构优于单量子阱结构，因为多量子阱激光器需要更少的工作注入电流密度和光功率来实现最高的调制带宽。总之，通过减少热效应和光学衰减，使用多量子阱作为激光器的活性介质，更容易达到高速带宽的极限。

应变量子阱激光器

应变量子阱激光器是一种量子阱激光器，它比其他任何量子阱激光器发出的光束更加集中，因此它们非常高效。应变量子阱激光器的基本设计包括一层薄薄的半导体材料，如砷化镓（GaAs），它被夹在两层不同的半导体材料之间，如砷化铝（AlGaAs）。所用材料的不同晶格常数在砷化镓的薄层上产生了一个应变，导致其能级变得量化。这在量子阱中创造了一些定义明确的能量状态，这导致了比传统激光器设计中更有效的光发射。

它们的高效率是由于量子井中能量状态的量化允许更有效的载流子重组和更少的能量损失。这种效率的提高导致了更高的输出功率和更低的功耗，这对许多应用来说是一个重大优势。它们还具有以特定波长发光的能力。通过调整激光结构中各层的组成和厚度，可以控制发射光的波长。这使得应力量子阱激光器成为光通信系统的理想选择，在这些系统中，特定的波长被用来进行长距离的信息传输。应变量子阱激光器还表现出许多其他特性，如极低的阈值电流密度，以及在连续波操作和调制下都比普通多量子阱激光器的线宽低。

主要挑战之一是制造这些激光器所需的复杂层状结构的难度。对层的厚度和成分的高精度要求使得这些激光器的制造具有挑战性和昂贵性。

应变平衡量子阱激光器

应变平衡量子阱激光器（SB-QW激光器）是一种半导体激光器，它的开发是为了解决传统量子阱激光器的某些限制。这些激光器能够产生更高的输出功率，同时保持高水平的效率，使它们在电信和光数据存储等领域的一系列应用中很有用。

应变平衡量子阱激光器的设计是基于使用具有不同晶格常数的半导体材料层来平衡装置中的应变的概念。在传统的量子阱激光器中，有源区（产生激光的区域）通常由单一的量子阱层组成，周围是更厚的不同半导体材料层。然而，这可能在有源区产生大量的应变，这可能导致缺陷和其他性能问题。

为了解决这个问题，应变平衡的量子阱激光器使用了一种更复杂的设计，涉及不同材料的多个量子阱层，每一层都经过精心选择，以平衡器件中的应变。其结果是一个更加稳定和可靠的装置，能够产生更高的输出功率，同时保持高水平的效率。

应变平衡量子阱激光器的主要优势之一是其产生高输出功率的能力。这是由于该装置的多层设计允许更多的活性区域，这反过来又允许产生更多的光子。另外，由于器件中的应变是平衡的，因此有源区不太可能出现缺陷或其他可能限制性能的问题。

应变平衡的量子阱激光器也有很高的效率。这是由于该装置的设计允许将电能更有效地转化为光，这减少了产生的热量，并能延长装置的寿命。这些激光器是半导体激光器领域的一个重要发展，并在各行业有广泛的实际应用。
量子阱激光器的优点

低阈值电流密度
优异的温度特性 
高调制率 
波长可调节 
高速度
高输出功率
高量子效率
量子阱激光器的应用

量子阱激光器由于其独特的特性，在材料加工方面有多种应用。它们可用于材料的精密切割和钻孔，如金属、陶瓷和半导体。激光的窄光束可以精确控制切割或孔的大小，而激光的高强度可以有效地去除材料。它们被用于材料的表面处理，如清洗、蚀刻和纹理处理。激光可以有选择地从表面去除材料，形成特定的图案或结构，从而改善材料的表面特性。它们还被用于焊接、粘接。

量子阱激光器被广泛用作光纤通信中的单频源，它们通过将电信号转换为光信号来传输信息。它们还被用于光放大器和波分复用，这使得多个信号可以在一根光纤上传输。

这些激光器在医学上有多种应用，包括皮肤病学、眼科学和牙科。它们可用于组织的精确切割和消融，也可用于光动力疗法，即用光来激活光敏药物以杀死癌细胞。

量子阱激光器被用于军事和国防应用，如目标指定、激光测距和激光武器。量子阱激光器的高功率和高精确度使它们成为这些应用的理想选择。

这些激光器还被用作固态激光器的泵，用于激光打印和传感应用，如气体检测、温度感应和应变感应。