基于激发态激射的高速1.3微米InAs/GaAs量子点激光器

1.3 micron InAs/GaAs quantum dot lasers are considered as next-generation key light sources in the LAN (local area networks) and high speed data exchange systems, because of the possibility to realize low cost, low power consumption and high thermal stability. Commonly quantum dot lasers are based on ground-state lasing, but they are facing bottleneck in high speed modulation due to low state density and slow carrier injection process. The excited state of quantum dot has higher degeneracy and faster carrier dynamics than the ground state, and is easy to achieve population inversion and lasing, which provides a completely new way to improve the modulation speed of quantum dot lasers. This project aims to realize high speed 1.3 micron quantum dot lasers based on the excited state lasing. To do this, the emission wavelength of excited state in InAs quantum dots will be extended to 1.3 micron without quality degradation by epitaxy control. A rate-equation model will be set up to investigate the maximum modulation bandwidth of the excited state in quantum dot lasers.

1.3微米InAs/GaAs量子点激光器因其低成本、低功耗、高热稳定性等优点有望成为局域网光通信系统和高速信息交换系统所需的关键光源。量子点激光器的高速调制主要基于基态激射，但受限于基态较低的态密度和较长的载流子注入过程，其调制速率的进一步提高面临瓶颈。量子点的激发态具有更高的简并度和更快的载流子动力学过程，并且易于达到载流子数反转和激射，为进一步提升量子点激光器的调制速率提供了一种新途径。本项目拟充分利用量子点激发态的这些优势，开展基于激发态激射高速1.3微米InAs/GaAs量子点激光器的研究：通过InAs/GaAs量子点外延生长和相关机理的研究、量子点激发态发光波长的调控、量子点激光器激发态最大调制带宽的限制因素和作用机制的速率方程模型分析，探索新概念、新方法和新的器件原理，实现面向高速光通信和信息交换的高速1.3微米量子点激光器。

.半导体激光器的一项重要应用是作为光纤通信中的光源，是光通信系统不可缺少的核心组成部分。近年来1.3微米量子点激光器因其特有的性能引起了科学家们极大的关注。由于量子点对载流子限制的增强，1.3微米GaAs基量子点激光器预计比传统的1.3微米InP基量子阱激光器具有更高的温度稳定性、更高的调制速率、更低的功耗以及更低的成本，极有希望成为下一代高速光通信局域网及高速信息处理交换系统所需的关键光源。..本项目开展基于激发态激射的高速1.3微米InAs/GaAs量子点激光器的相关研究，重点研究如何实现激发态发光波长为1.3微米的高密度、高均匀InAs/GaAs自组织量子点材料的生长技术与机理，以及基于它们的高速半导体激光器。 . 在InAs/GaAs量子点材料制备方面，本项目基于分子束外延系统通过优化生长条件制备出了高质量高均匀量子点材料。量子点材料的单层面密度达到4.7×10cm-2，室温光致荧光谱的半高宽为31meV。本项目设计并基于分子束外延系统实现了一种InAs/GaAs和GaSb/GaAs耦合量子点材料，与纯InAs量子点材料相比，该耦合量子点结构材料在不增加材料外延厚度的情况下具有更强的发光特性，积分荧光强度分别是纯InAs和纯GaSb量子点样品的4.6倍和4.1倍。基于金属有机物气相外延系统进行了InAs/GaAs量子点材料的探索制备，实现了室温发光波长在1.29微米的GaAs基InAs量子点材料。在量子点激光器激发态调制特性理论研究方面，本项目基于速率方程模型研究了激光器从基态激射向激发态激射转变过程前后的调制特性，分析了激光器的光电响应过冲和稳定机制，阐明了双态激射对量子点激光器调制特性的影响机理。在InAs/GaAs量子点激光器器件制备和性能研究方面，本项目制作了双态激射量子点激光器和直接激发态激射量子点激光器，发现在激光器从基态激射向激发态激射转变过程中，不同于小信号调制带宽出现的明显阶跃上升现象，器件的大信号调制眼图没有发生显著变化，这与本项目速率方程理论模型得出的基态和激发态光电转换过程中的瞬态相互补偿机制相吻合。..本项目的研究不仅为量子点激光器调制性能的提升提供了新的技术途径，也对半导体量子点激光器调制特性的物理机理进行了深入拓展。