網(wǎng)訊：早在80年代初，理論預(yù)言：量子點(diǎn)激光器的性能與量子階激光器或量于線激光器相比，具有更低的閡值電流密度，更高的特征溫度和更高的增益等優(yōu)越特性。這主要由于在量子點(diǎn)材料(又稱(chēng)零維材料)中，載流子在三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上受到限制，載流于態(tài)密度與能量關(guān)系為6函數(shù)，因而具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì)，如量子效應(yīng)、量子隧穿、非線性光學(xué)等，極大地改善了材料的性能。因此，不但在基礎(chǔ)物理研究方面意義重大，而且在新型量子器件等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。目前，零維材料結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用為國(guó)際上最前沿的研究領(lǐng)域之一，仍處于探索階段。

的性能有一個(gè)大的飛躍，有力地推動(dòng)激光物理學(xué)科的發(fā)展，開(kāi)辟半導(dǎo)體激光器制造的新方向，并有可能成為21世紀(jì)光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱之一。

　　一、量子點(diǎn)激光器最新進(jìn)展

　　來(lái)自加州大學(xué)Santa Barbara分校UCSB的華裔學(xué)生Alan Y. Liu和同事，包括John E. Bowers教授和Arthur C. Gossard教授，發(fā)展了一種新的量子點(diǎn)激光器，并稱(chēng)這項(xiàng)技術(shù)讓光子器件的成本可以比擬微電子器件。

　　Liu和他的同事們的做法是直接在硅襯底上用分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)量子點(diǎn)激光器。他們的貢獻(xiàn)在于不僅能夠在硅襯底上生長(zhǎng)量子點(diǎn)激光器，而且讓這種量子點(diǎn)激光器的性能可以比擬傳統(tǒng)的量子點(diǎn)激光器的性能。這將是向著未來(lái)低成本大容量光子集成的重要一步。

　　量子點(diǎn)激光器是半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域的最前沿技術(shù)。在量子點(diǎn)之前是所謂量子阱激光器。量子阱激光器是由一系列納米層級(jí)的發(fā)光材料夾在其他折射率材料直接，一邊用來(lái)限制注入電流，一邊用來(lái)輸出光。對(duì)于量子點(diǎn)來(lái)說(shuō)，高密度的更小的幾個(gè)納米高，數(shù)十納米大小的點(diǎn)機(jī)構(gòu)替代了量子阱中的納米層材料。這種量子點(diǎn)的大小可以用一個(gè)例子來(lái)估計(jì)，一分硬幣的大小可以容納500億個(gè)量子點(diǎn)。量子阱結(jié)構(gòu)還有一個(gè)問(wèn)題是，由于量子阱是兩維連續(xù)，一個(gè)地方的問(wèn)題可以影響到整個(gè)一層材料。相比來(lái)說(shuō)，量子點(diǎn)之間互相不影響，因此對(duì)于有源層生長(zhǎng)過(guò)程中的晶體缺欠更加容忍。用Liu的話說(shuō)，“正是因?yàn)檫@樣，我們可以在更大更便宜的硅材料上生長(zhǎng)激光器。量子點(diǎn)激光器的小巧還決定了它的功耗遠(yuǎn)比以往的量子阱激光器低，從而成本也更低。”

　　談到他們所采用的分子束外延工藝，Liu還指出，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以充分利用硅器件的成熟工藝，從而有助于降低成本。分子束外延是開(kāi)發(fā)高品質(zhì)量子點(diǎn)激光器的最好技術(shù)，整個(gè)激光器可以一步完成，最小化了遭到污染的風(fēng)險(xiǎn)。

　　Liu將在3月12日下午5點(diǎn)在121房間介紹這一成就，題目是“硅上外延生長(zhǎng)的高性能1.3微米InAs量子點(diǎn)激光器”。最新一期應(yīng)用物理快報(bào)也發(fā)表了這一成果。

　　二、量子點(diǎn)激光器研發(fā)進(jìn)展回顧：

　　1、美科學(xué)家發(fā)明微米級(jí)量子點(diǎn)激光器

　　2007年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局和Stanford及Northwestern大學(xué)的科學(xué)家發(fā)明了一種微米大小的固體激光器，這種裝置的性能中，量子點(diǎn)起到了決定性作用。它能在低于微瓦的能量條件下接通。這些高效的光學(xué)設(shè)備將來(lái)能制造出低能激光，它能用于電信、光學(xué)計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（PRL）上。

　　傳統(tǒng)激光器有數(shù)量很多的發(fā)射器，它們限制在一個(gè)光學(xué)腔內(nèi)。光在腔內(nèi)來(lái)回反射放大，最終形成激光。在大約10年前，科學(xué)家發(fā)明了第一個(gè)量子點(diǎn)激光器。

　　量子點(diǎn)是晶體結(jié)構(gòu)中的納米級(jí)別區(qū)域，它們能捕獲在半導(dǎo)體中傳導(dǎo)電流的電子及空穴。當(dāng)捕獲的電子和空穴重新配對(duì)后，特定頻率的光就被發(fā)射出來(lái)。量子點(diǎn)激光器的優(yōu)勢(shì)不僅在于它們的體積很小，更在于它們能在極低的能量下運(yùn)作。

　　在最近的實(shí)驗(yàn)中，NIST小組通過(guò)在砷化鎵上鋪上一層砷化銦得到了新型激光。原子格之間的不匹配形成了量子點(diǎn)。這些材料被做成一定大小的盤(pán)，使得900納米的紅外光能沿著盤(pán)邊緣旋轉(zhuǎn)。整個(gè)區(qū)域含有約60個(gè)量子點(diǎn)，這能作為激光使用。通過(guò)利用非共振頻率的光就可以激發(fā)出光。但是量子點(diǎn)之間彼此并不相同，每個(gè)量子點(diǎn)之間的細(xì)微差別意味著它們的發(fā)射頻率也有所不同，而且溫度也會(huì)有一定影響�？茖W(xué)家表示，任意時(shí)刻，最多有一個(gè)量子點(diǎn)——通常沒(méi)有——的特征頻率和光學(xué)共振頻率相匹配。