所谓量子点就是将电子的运动限制在纳米尺寸的三维结构中，从三个方向限制电子运动的零维结构量子势阱。研究者们在理论上已经证明量子点激光器与量子阱、量子线等激光器相比，拥有更好的激射特性，会达到更低的阈值电流、更高的发光效率等特性。进入21世纪后，量子点激光器的研究更是取得了突飞猛进的发展，其优良的性能以及广阔的应用前景吸引很多人的研究。

　　1、量子点激光器

　　半导体晶体材料如果在三维空间的尺寸都与载流子的DeBroglie波长或电子的平均自由程尺寸相当或更小，且该材料又是被禁带宽度比较更大的材料包围，即为量子点结构，电子在材料中的运动受到三维限制，即电子能量是量子化的。这种电子在三维方向上全部受限制的材料( 或者结构)称量子点。

　　量子点的最低的两个分立能级的能量差如果大于几倍的KT，增益函数会出现热依赖性，就会得到极好的温度稳定性，这样可得到更优良的性能，极低的阈值电流密度、超高微分增益和极高的调制带等。同时量子点激光器具有高速光源、大功率激光及红外探测器等方面应用前景。

　　2、量子点激光器基本机构和性能

　　1)激光器的基本结构：量子点激光器的基本结构如图所示 。

量子点激光器结构示意图

　　2)阈值电流及增益特性：在忽略非均匀展宽的情况下，量子点材料与高维度量子阱、量子线 、体材料相比，其增益谱要窄得多，并且在峰值有更大增益，可以是量子 阱的1O倍，体材料的2O倍 。

　　3)阈值电流的稳定性：以往激光器因为注入的载流子热扩散，它的阈值电流的热依赖性分布展宽，使最大增益减小。因为理想的量子点态密度是类氢谱状，无限的高势垒限制了载流子，就不可能生热扩散，因此阈值电流密度彻底不依赖温度，即特征温度为∞。实际上量子点激光器的特征温度同势垒层材料组分、量子点的尺寸、生长质量等密切相关。可以通过优化尺寸及分布的均匀性等方法，实现有效地提高其特征温度。

　　4)光谱特性：理想的量子点激光器应只有单一的电子能级和空穴能级，易实现单模工作。实际制备过程中，由于不可能保证尺寸和形状完全相同，导致单个量子点能级被展宽为点集。实际单层量子点典型的增益谱宽大大超过所需的低于leV的增益谱宽，影响阈值电流密度的降低。20世纪末Kirstaedter等人在77K的低温和稍高于阈值 电流密度条件下发现了单模工作。在最初的研究过程中发现量子点激光器光谱中激光模式分组的现象，部分研究者认为模式分组和泄漏模有关。

　　20世纪初D.Ouyang等人比较系统的研究了不同条宽及一定温度范围内量子点中的模式分组效应，得出模式组的间隔不会依赖于温度，却与条宽有关。如果对条宽的边缘进行合适的周期性刻蚀，会抑制或增强某波长增益谱的空间烧孔现象，这样会对波长的稳定及单纵模工作的实现有特别大的帮助。

　　3、量子点激光器的研究进展及发展方向

　　1986年，Asada研究发现边长lOmm立方体结构的InGaAs量子点材料，它的增益达到10^4cm-1，远高于量子阱材料。1994年Ledentsov等人报道了77K低温下自组织生长的I nGaAs量子点的光泵浦激射现象。1996 ～1997年很多的小组加入到量子点激光器的研究，显著改善了量子点的性能，使其大小均匀性很好地控制在10％以下，实现基态激射。1999年，报道了100μm条宽量子点激光器在室温下连续输出功率可达3.5W-4W，效率达到95％。2000年报道了氧化物限制量子点激光器，激射波长1.3μm，阈值达到19A/cm2。2000年Grundmann报道了在近红外InGaAs量子点77K低温下观察到16μm的量子点子能级带内跃迁产生的中红外激射现象。2004年在欧洲的光通讯会议上 东京大学和富士通报道了工作在1.3μm，由温度影响的光功率变动幅度控制到原来1/6左右。20℃-70℃间不用调整电流就能稳定的发送出10Gb/s的光信号，可以降低 光发送器的大小和成本。2005年中科学院半导体研究所成功制备了激射波长1.33μm，可在室温连续工作的GaAs基InAs自组织量子点边发射激光器 。

　　2012年台湾国立交通大学的Gray Lin等人利用InAs/InGaAs/GaAs量子点结构研究了低阈值和宽调谐的外部腔的激光器 。对于长2mm的量子点外部腔获得的可调谐范围达 130nm( 1160-l29Onm)，最大阈值电流密度仅为0.9KA/cm2 ；对于长1．5mm的量子点外部腔获得的可调谐范围达150nm( 1143-1293nm )，最大阈值电流密度不超过0.9KA/cm2的记录。

　　2013年日本东京大学研制出了键合在硅基底上的1.3m量子点（QD）激光二极管。采用硅掺杂部分P型砷化镓（GaAs）壁垒结合自行聚合砷化铟（InAs）形成量子点，以构建激光二极管的有源发光区域，再将这些器件键合到硅基底上。有源区域由8层P-GaAs壁垒中自行聚合的InAs 量子点结构组成。每层的点密度为6×1010/cm2。试验中对直接和金属介导两种键合工艺进行了测试，两种工艺研制的器件均可在超过100℃的条件下发射1.3m（光通信的O波段）的激光。这些结果证实了，采用晶圆键合工艺研制的硅上III-V族量子点激光器有望在高密度光子集成电路中实现温度稳定的运行。

　　2015年日本东北大学和日本情报通讯研究机构（NICT）合作研究出了一种超小封装的新型波长可调异构激光器样品。该器件的中心波长为1230nm，围绕该中心具有44nm调谐宽带。最近研发的大容量光纤传输系统采用了波分复用（WDM）密集频率通道系统。因为在1530–1565nm的传统波段（C波段）的频率通道已人满为患，波分复用系统的频谱利用率趋于饱和。然而，更多的未被利用的频率资源则埋藏在近红外（NIR）区域，如1000-1260nm的千波段（T波段）和1260-1350nm的原始波段（O波段）。
2015年欧盟节能硅发射器使用III-V族半导体量子点和量子点材料的异质集成（SEQUOIA）项目报道称在硅光子集成电路（PIC）上取得新进展。通过使用硅衬底纳米结构异质集成材料，光学滤波器可以直接与异质量子点/量子簇/硅激光器集成制备出线性调频激光器。与直接调制激光器相比，该激光器有一个增强的调制带宽和消光比。作为该技术的一个例子，目的是开发一个总容量400Gbps发射机（16x25Gbps）。两种 PIC 最终示范产品也设计完成，分别是直接调制比特率达 25Gbps 的线性调频激光器和与级联环谐振器调节器集成为一体的光梳子雷射。这些PIC使用16波分复用信道便可提供 400Gbps的总容量，以更低的成本提供更好的性能，并通过采用新材料和新集成工艺增强器件性能。

　　量子点激光器的研究不断取得长足进步，同理论预测相比，它的性能还存在差距，要使性能有所提高，需要在量子点阵列、量子点材料的增益、结构优化及其尺寸等方面不断有所研究和突破。根本实现高性能、低成本等一系列优点，更好地在光学领域得到广阔的应用前景。（内容节选自黑龙江科技学院理学院徐宝玉《量子点激光器的研究》 ）