[发明专利]子能带间超晶格光发射器内有空间对称波函数的平微能带

说明书

本发明一般涉及子能带间(ISB)超晶格(SL)光发射器，更准确说，是涉及具有基本上平的微能带和空间对称波函数的量子级联(QC)SL激光器。

在ISB SL激光器中，光跃迁发生在上微能带(即接近该能带底部或就在该能带底部的能态)和下微能带(即接近该能带顶部或就在该能带顶部的能态)之间。为了使这些激光器能恰当地运行，必须存在上微能带和下微能带的平能带条件；就是说，必须满足两个条件：(1)每个辐射跃迁(RT)区与相邻的注入/弛豫(I/R)区在宏观上对齐，和更为重要的是，(2)每个RT内各上激光能级在宏观上对齐(同样，各下激光能级也要对齐)。但是，存在外场时(例如，为产生激光而沿层的横向施加的外偏置)，如果用基本上全同的量子阱(QW)区的SL，那么沿场的方向，量子态的能量从一量子阱(QW)层到下一QW层变得越来越高。美国专利No.6,055,254指出了这个问题，该专利于2000年4月25颁发给F. Capasso等人(后面称之为Capasso 55专利)，该专利授予本文的代理人，并在此引用，供参考。Capasso 55专利描述了一种ISB SL激光器，其中，用改变SL的周期来对ISB SL激光器内的电子势能进行预偏移，不论SL内是否存在外加电场，都得到上微能带和下微能带平均说来基本上平的分布。Capasso 55中的图2(与本文图2几乎一样)画出存在外加电场时基本上平的能带的情况，就是说，在每个RT区中(如RT 14.5)，接近或就在微能带2底部的各能态(由它们的波函数代表)，在RT区上完全伸展，接近或就在微能带1顶部的各能态也是如此。在每个上微能带2中，相对于通过单极辐射跃迁(RT)区中点的竖直平面(此后称中间平面)，波函数基本上是空间对称的。与此相反，在每个下微能带1中，波函数是显著空间不对称的(图上中间平面右侧用较大数值的波瓣表示)。不对称性随着微能带宽度的减小而增加。不对称性的一种结果，是减小光偶极矩阵元，从而导致效率低的发射器。

从原理上说，Capasso 55的设想确实能使微能隙(即涉及光跃迁的两个能级或能态)边沿的两个波函数成为对称的，但只在相对窄的波长和电场范围。然而，在使该两个能态的波函数对称时，却不增加用于优化和/或控制许多其他设计问题必要的自由度。例如，下述参数是固定的：在该两微能带中其余能态的波函数形状和能量位置，这将影响微能带的电子注入和抽出，或微能带内的光吸收，此外还有其他影响。

因此，在ISB SL发射器技术上，还需要一种设计，该设计不仅提供基本上平的微能带，而且提供基本上空间对称的波函数(至少对涉及光跃迁的两个波函数)，又可独立地控制外加的电场、需要的工作波长、波函数形状、以及微能带中其余能态的能量位置。所谓独立地控制，是指从一组参数中与同一组参数内其他参数值独立地选取一个参数值的能力。在本文中，有时我们把这种选取称为任意的。

在某些应用中，还需要在上微能带和下微能带所有波函数基本上空间对称的ISB SL发射器内，取得上述这些特性。

按照我们发明的一个方面，ISB光发射器的RT区包括：预偏移SL和多个分裂的量子阱(SPQW)。所谓SPQW，我们指一种量子阱，该量子阱被至少一势垒层分为多个子阱，该势垒层足够薄，足以使上能态和下能态的分离超过它们的自然增宽，并对每个RT区内的不同微能带产生影响。与此相反，相邻的SPQW则由另外的势垒层使之相互耦合，该势垒层的厚度要能在每个RT区上建立微能带。

在一个实施例中，我们的发明包括在相邻RT区之间的I/R区，而在另一个实施例中，该I/R区被省去(即无注入区的ISB发射器)。

我们的发明可使涉及光跃迁的至少两个波函数(而在一个实施例中，几乎所有微能带中的波函数)成为空间对称的，并提供附加的自由度，自由度对优化微能带的能量位置，从而对电子的注入和抽出，是重要的。把微能带能量适当定位的自由度，与任意选取电场能力的组合，可以实现无注入区的ISB发射器设计。

我们的发明，连同其各种特性和优点，能够从下述结合附图的更详细说明中容易弄清楚，附图有：

图1是按照我们发明的一个实施例，画出ISB SL光发射器的示意截面图；

图2是现有技术ISB SL光发射器的示意的导带分布图，其中在设计电场为45kV/cm时，I/R区跨接两个SL区；

图3按照各种现有技术，画出示意的导带分布图，图上表明存在外加电场和合适的内部补偿场下典型的平能带情况；