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标题: 半导体光子学的重大突破 [打印本页]

作者: guochaohao 时间: 2007-9-14 19:24
标题: 半导体光子学的重大突破
半导体光子学的重大突破
与电子集成回路比较，光子集成回路(PIC)实现的难度要大得多。一个PIC芯片上要包含诸如激光器、调制器、光开关、滤波器、偏振器、探测器等不同结构与功能的光子器件，而其功能体现又多来源于不同的材料特性与器件结构设计。例如半导体激光器通常为F-P腔，腔面即是激光器的端面，显然，这难于与其他器件实现平面集成。另外，为满足集成化中的结构兼容性要求，或从简化工艺流程和降低成本等方面考虑，要求能在同一种材料中实现集成。
(1) 介质光栅反射器(DBR)
在半导体光子学中由于介质光栅技术的引入，导致了无腔面激光器的实现，相继开发出分布反馈式(DFB)和分布布喇格反射式(DBR)半导体激光器。它们的发射线宽比F-P腔激光器窄3个量级，其单色性、稳定性大幅度提高，这就为PIC的发展奠定了重要基础。光栅具有反射、耦合、选频、滤波等多功能特性，而且可通过电注入来改变光栅介质区域的载流子浓度，导致折射率的变化，可以调谐布喇格波长，因此还可以实现半导体激光器的波长调谐。
(2) 量子阱超晶格人构改性多功能材料
这种量子阱超晶格人构物性的改变，导致诸多新颖的物理特性出现并成为当代开拓多功能光子器件的有力基础。其后，性能优异的量子阱激光器应运而生，它将半导体激光器推进到一个全新的阶段。
由于量子阱能态密度的阶梯状分布，使得注入量子阱的载流子利用效率提高，而对激光波的吸收降低，因此，促成了激光器阈值的大幅度降低，与以往的DH激光器比较，其阈值可小两个量级，亚毫安量级以下的极低阈值激光器的实现无疑使PIC实用化成为可能。量子阱的阶梯状密度分布还导致增益谱的窄化和抑制腔内高阶模的出现，因而量子阱激光器自然保证有窄线宽、单纵模的输出特性。另外，由于量子阱的态密度比体材料小一个维度的贡献，分布又更为集中，因此其峰值增益与注入载流子浓度的依赖关系更为灵敏，微分增益随之提高，腔内光子与载流子的耦合时间常数大为缩短，激光固有的张弛振荡频率从5GHz处移至30GHz。这样，激光器将能在很高的调制频率下工作。由此可见，量子阱材料的开发大大优化了半导体激光器的特性，为实用化PIC的发展提供了有力保证。
量子阱材料的另一个重要人构属性是，它大大增强了自由激子的局域化程度，使其运动半径减小了若干倍，激子的离化能从4.2meV提高到12meV，即使在室温下，自由激子仍能不受晶格热振运的骚扰而依然存在，人们第一次可以考虑研制室温下运行的激子器件，而激子器件恰是半导体光子学发展的有待开发的重要资源。局域化的阱中激子，库仑牵引效应增强，能够承受更大的外场作用，表现出更明显的斯塔克红移效应。基于这种效应，已经研制出开关能量低达10-12 J的自电光效应器件(SEED)—光学双稳态开关。这为数字光子学的发展奠定了基础。
量子阱超晶格结构还蕴藏着许多未被充分开发利用的新颖功能，例如，利用热电子效应人工实现材料中的电子、空穴离化系数非对称单极性增强，可制备极低噪声的光子探测器件。目前人们已能够由此研制成功单光子APD探测器，还有带内工程的应用将为新型激光器的开拓提供一条重要的新路。
可见，在同一结构的量子阱芯片上，人们可以设计制备出性能优化的多种功能的光子器件。这正是发展光子集成芯片所必具的条件。
(3) 垂直腔面激光器(VCSEL)
如上所述，量子阱材料具有更大的峰值增益和更小的带边吸收损耗，因此可以说，量子阱人构改性材料的出现已为低阈值垂直腔面激光器的开发奠定了基础。现在的VCSEL实际上也是一种超短腔DBR激光器，只不过这里的介质光栅反射器是由交替生长的半导体超晶格异质结构来实现的。VCSEL允许将其有效腔面做得很小，直至为波长线度量级，亦即平方微米的量级。这种微腔激光器的功耗极低，其阈值有望达到微安量级，加之它所固有的窄谱线、单纵模特性以及很窄的光束发散角与很短的腔内光子寿命，无疑这对高密度面阵集成是十分有利的。再有，由于腔的体积小，其线度可与激光的波长相比拟，因此光波在腔内的量子化相干特性明显化。人们期望通过自发辐射模的导引与控制，最终实现准无阈值、极低功耗和高速率的激光运行。这些正是大规模集成面阵所必备的条件。

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