GSMBE 1.55微米 InAs/InGaAsP 量子点激光器材料与器件

InP基1.55微米InAs/InGaAsP自组装量子点是具有独特光电性质的可用于光纤通信的新型量子材料。本项目对气态源分子束外延(GSMBE)生长的InAs/InGaAsP自组装量子点材料的光电性质进行细致研究，探索如何有效地控制量子点材料的发光波长和提高发光效率。通过量子点结构生长动力学研究阐明InAs/InGaAsP量子点的物理机制，对量子点之间的耦合、极化控制以及量子点的热稳定性等问题进行探讨。深入研究量子点的载流子动力学，理解载流子在电场和光注入条件下的输运特性，建立相关物理模型。在已经研制出室温下连续激射1.55微米量子点激光器基础上，对器件的新颖特性进行细致研究，挖掘其中的物理内涵。根据器件结果的反馈，开展材料与器件关系的研究，进一步优化材料结构和器件工艺，提高器件特性，在此基础上设计并制作1.55微米自锁模量子点激光器。项目的开展无论从物理还是器件应用角度都具有重要的价值。

由于量子点结构具有独特的光电性质，使其在新型光电子器件等方面显示出广阔的应用前景。人们对InAs/GaAs 量子点系统研究的较多，生长出了高密度的InAs/GaAs量子点材料并研制了高性能的InAs/GaAs量子点激光器。在InP基衬底上生长InAs量子点制作量子点激光器由于在光通信方面的潜在应用而受到关注。然而人们对发射波长在1.55微米光通信波段的InAs/InP量子点研究还较少。在本项目中，我们利用气态源分子束外延（GSMBE）在InP(100)衬底上生长InAs量子点，生长出了可以用做量子点激光器有源区的密度高达10^10 cm^-2的量子点材料。成功制备了高质量的GaAs基和InP 基 InAs量子点激光，在连续波工作模式下，室温下InAs/GaAs量子点激光器的发射波长在1.10微米，InAs/InP量子点激光器的发射波长在1.54-1.70微米。在20℃下，对6微米条宽的脊波导激光器进行测试，InAs/GaAs量子点激光器的单面最大输出功率超过50mW，InAs/InP量子点激光器的单面最大输出功率达到30mW。对于InAs/InP量子点，当InAs层从3.0增加到3.5原子单层，量子点激光器激射波长可以从1.5-1.6微米扩展到1.6-1.7微米。获得了在1.5微米波段的宽调谐高性能InAs/InP 量子点外腔激光器, 调谐范围从1563 到1633 nm。在调谐范围内阈值电流低于1625 A/cm2。在波长1594 nm处，得到了超过23mW的输出功率，外微分量子效率为10.3%。详细研究了InAs/InP量子点激光器的波长稳定性，发现量子点激光器的激射波长有很好的温度稳定性，在80-310K之间量子点激光器激射波长的温度系数是0.088nm/K，与商用量子阱激光器0.548 nm/K相比，量子点激光器波长的温度系数仅为量子阱激光器的1/6.2倍。通过光刻和选择性蚀刻在GaAs衬底上成功地利用自组装方法制作了微镜面。此外，我们还开展了低维半导体材料量子态计算方面的工作。