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半导体激光器发光原理及工作原理引言概述：半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件。
它具有体积小、功耗低、效率高等优点，广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
本文将详细介绍半导体激光器的发光原理及工作原理。
一、发光原理1.1 材料特性半导体激光器主要采用具有直接能隙的半导体材料，如GaAs、InP等。
这些材料具有较高的折射率和较小的能隙，能够实现电子和空穴的复合发光。
1.2 电子复合在半导体材料中，当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，产生光子。
这种电子和空穴的复合过程是半导体激光器发光的基本原理。
1.3 量子阱结构为了提高发光效率，半导体激光器通常采用量子阱结构。
量子阱是由不同能带的材料层交替堆叠而成，能够限制电子和空穴在空间上的运动，从而增加复合发光的几率。
二、工作原理2.1 注入电流半导体激光器通过注入电流来激发电子和空穴的复合发光。
当外加正向偏压时，电子从N型区域注入到P型区域，与空穴复合产生光子。
2.2 泵浦机制半导体激光器的泵浦机制主要有电泵浦和光泵浦两种方式。
电泵浦是通过注入电流来激发发光，而光泵浦则是利用外界光源来激发发光。
2.3 光放大在半导体激光器中，光子在材料中的传播会受到吸收和散射的影响。
为了保持激光的强度，需要在激光器内部设置光放大区域，使光子得到增强。
三、半导体激光器的类型3.1 可见光激光器可见光激光器主要用于显示、照明等领域。
常见的可见光激光器有红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器等。
3.2 红外激光器红外激光器主要用于通信、医疗和工业等领域。
常见的红外激光器有半导体激光二极管和半导体激光放大器等。
3.3 高功率激光器高功率激光器主要用于激光切割、激光焊接等工业应用。
它具有较高的输出功率和较高的光束质量。
四、半导体激光器的应用4.1 光通信半导体激光器在光通信中起着重要的作用，可以实现高速、远距离的数据传输。
4.2 医疗应用半导体激光器在医疗领域中用于激光手术、激光治疗等，具有精确控制和无创的特点。
半导体材料中的量子阱技术研究量子阱技术是一项重要的半导体研究领域，它在电子学和光电学方面的应用十分广泛。
量子阱技术的主要思想是利用半导体材料的电子能级结构，在一个二维的空间中形成一个量子阱，从而利用量子效应来改善半导体元件的电学和光学性能。
本文将介绍半导体材料中的量子阱技术研究的基本原理，以及在不同领域中的应用。
一、量子阱技术的基本原理量子阱技术最关键的部分是量子阱的形成。
它通常利用两种不同能带的半导体材料，比如硒化镉和锌硒化镉，或者砷化镓和铝砷化镓等。
这些材料之间存在着很大的晶格不匹配，使得它们在堆叠时形成一个二维空间。
在这个空间中，电子的运动将受到强烈的限制，因此它们的能级结构将与体材料不同。
具体来说，如果将体材料所对应的三维空间称作量子阱的壳层，那么在这个壳层中的电子将被限制在两个维度上，每个维度的运动将采取离散的能量取值。
这些能量被称作量子态。
量子阱内能够产生的电子和空穴的量子态是离散的，带有能量的阶梯状能态分布，近似于连续的谱带。
这些态之间的距离十分接近，因此使它们之间的电子跃迁变得容易。
由于电子简并态数目有限，因此电子在这样的结构中具有良好的约束性和选通性，因此能够得到改进的电学和光学性能。
二、应用领域1、光电子设备量子阱技术在光电子设备中应用最广，被广泛应用于半导体激光器、探测器、太赫兹器件、等离子体激光和LED等领域。
在半导体激光器中，量子阱允许电子和空穴发生更多的跃迁，并且跃迁的能量比体材料更稳定。
这样可以在激光发射时获得更窄的频率谱。
在探测器中，量子阱通过增加信噪比和响应速度来提高灵敏度。
在等离子体激光器中，量子阱材料具有更高的吸收能力和低于平均窄的峰值发射能量。
在美国飞机和导弹的被动红外检测器和定位系统中，量子阱探测器被广泛应用。
2、电子学器件量子阱技术在电子学器件中也有许多应用。
在场效应晶体管中，量子阱具有高的晶格一致性和低的摩擦电阻，因此可以用作管道而不断地去做成细的亚微米尺寸的器件。
量子阱激光器的工作原理量子阱激光器的工作原理量子阱激光器(Quantum well lasers, QWLs)是一种高效率的激光光源，能够产生高功率、高稳定性、高峰值功率的激光脉冲，是光纤通信、光学测量、非线性光学等领域中广泛应用的重要激光器。
在它的发射原理上，有两种形式，一种是通过量子阱层的重卡尔曼激发来实现发射，另一种是基于量子阱阱层的重卡尔曼放大效应。
它们的工作原理各有不同，本文主要对量子阱激光器的工作原理及其应用进行详细的介绍。
1.量子阱激发发射原理量子阱激发发射是基于量子阱层的重卡尔曼激发特性实现的。
当一个量子阱材料的厚度与对称轴的平行，其特性和一个单独的量子系统相似，被看做由一组量子级由低能到高能依次排列的阶梯结构，即量子阱体系。
因此，如果激光输入至量子阱结构，会发生重卡尔曼激发，量子阱结构的准自由电子，从低能的量子级转移到高能的量子级，从而释放出能量并产生激光辐射。
2.量子阱放大发射原理量子阱放大是量子阱激发的一种改进形式。
它是指在量子阱结构中把一个或多个低阱量子级称作“放大”量子级，当重卡尔曼激发后，准自由电子从低能的阱内量子级跃迁至放大量子级时，将激发功率增强很多倍，从而产生的激光辐射功率也更大。
3.量子阱激光器的应用量子阱激光器可以用来实现高功率、高稳定性和高峰值功率的激光脉冲，在光纤通信、非线性光学、光学测量及分析领域都有广泛应用。
量子阱激光器可用于高速光纤通信、激光打印及数字影像系统中，也可用于光纤激光器及光频率多工系统中。
此外，量子阱激光器可用于激光投影显示、投影打印及激光雷达系统等多种高效率激光系统和应用中。
总之，量子阱激光器具有高功率、高稳定性、高峰值功率、小尺寸、低成本等优势，常用于多种高效率光源的应用，预计将会在新技术领域中发挥更大的作用。
量子阱激光器的特点概述量子阱激光器是一种基于量子力学原理的半导体激光器，具有许多优良的特性和应用前景。
本文将介绍量子阱激光器的结构、工作原理和特点，以及其在通信、雷达和生命科学等领域的应用。
结构量子阱激光器的结构由多个“量子阱”层构成，每一层都是由几个纳米级别的半导体材料交替排列而成。
这些材料的能隙被设计在激光器的工作波长处，使得只有在这个波长下才能发生吸收和辐射等光学过程，从而实现激光输出。
工作原理当一个电子进入量子阱层时，它被限制在非常小的空间中，这使得其自由度受到限制，并且其能量分裂为高能级和低能级。
当外加电压或光子刺激时，电子会跃迁到高能级态，随后在低能级态与辐射场相互作用而发射光子，从而实现激光辐射。
特点高效率量子阱激光器的外部效率非常高，能够将电子的能量转化为光的能量。
在实际的应用中，量子阱激光器的效率比传统的激光器高出几倍甚至几十倍。
窄线宽量子阱激光器能够产生非常窄的激光线宽，这意味着它可以通过光纤传输更多的信息。
同时，在激光通信和激光雷达等领域，其高精度定位和测量作用也得到广泛应用。
快速调制量子阱激光器响应时间比传统的激光器要短很多，能够在纳秒级别内实现快速开关和调制。
这使得其在高速通信和数据处理领域具有广泛的应用前景。
温度稳定性量子阱激光器比传统的激光器更加稳定，在宽范围的温度和电压条件下工作。
这使得其在大气物理、天文学和生命科学等领域中得到广泛应用。
应用通信量子阱激光器已经成为光通信系统中的重要组成部分，其窄线宽和高效率也使得其在光纤通信和无线光通信等领域具有重要应用前景。
雷达量子阱激光器在激光雷达测距、测速和遥感等应用中也具有广泛的应用前景。
尤其是在领域气象、地球科学和环境监测等领域，其高精度测量和定位作用十分重要。
生命科学量子阱激光器在生命科学领域中也有广泛的应用，例如生物诊断、分子光谱学、荧光成像等等。
由于其快速开关和高精度测量的特性，已经成为研究细胞和分子行为中不可或缺的工具。
量子阱的原理及应用1. 什么是量子阱？量子阱是一种半导体结构，它能够在三维空间中限制电子和空穴的运动。
具体来说，它通过在两个高能障垒中夹杂一个较低能障垒，形成一个能级阱，用于限制电子和空穴的运动。
量子阱通常是由不同禁带宽度的半导体材料组成的。
这种结构使得电子在一个维度上受限，从而限制了它们的能量和动量。
2. 量子阱的原理量子阱的原理可以通过量子力学的基本原理来解释。
根据量子力学的波粒二象性，电子和空穴在量子阱中被限制在一个较小的空间范围内，并且它们的能级是量子化的，也就是离散的。
这个空间范围由高能障垒和低能障垒的宽度决定。
当电子或空穴尺寸接近量子阱的尺寸时，它们只能处于量子态，而无法处于经典的连续态。
3. 量子阱的应用量子阱的限制特性使得它在许多领域有着广泛的应用。
3.1 光电子学量子阱在光电子学中有着重要的应用。
由于电子在量子阱中的能级是量子化的，因此可以通过控制量子阱的结构来调整电子能级的间距。
这样就可以实现电子在不同能级间的跃迁，从而实现光的发射和吸收。
这种特性使得量子阱被应用于激光器、光电探测器等光学器件中。
3.2 量子计算量子阱也在量子计算领域发挥重要作用。
量子计算是一种基于量子力学原理的计算方法，可以在某些任务上比传统计算机更高效。
量子阱的量子特性使得它成为构建量子比特的理想平台之一。
通过在量子阱中控制电子的能级和自旋，可以实现量子比特的初始化、操作和读取，从而构建量子计算机的基本元件。
3.3 光子晶体量子阱还被应用于光子晶体的制备中。
光子晶体是一种具有周期性结构的材料，可以对光的传播进行控制。
量子阱的精确控制能使光子晶体具有特定的光学特性，例如禁带、光子带隙等。
这种特性使得光子晶体在光学通信、光学传感等领域具有广泛的应用前景。
4. 总结量子阱是一种通过限制电子和空穴运动的半导体结构。
它的原理基于量子力学的波粒二象性，通过在空间中形成垒障来限制能量和动量。
量子阱在光电子学、量子计算和光子晶体等领域都有着重要的应用。
实验四半导体激光器光谱测量与模式分析一、实验目的：1.了解半导体激光器的工作原理和相关特性；2.掌握半导体激光器模式参数的测量方法；二、实验原理：半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。
空间模描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强(或光功率)的分布，也称远场分布；纵模则表示一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率(或波长)分量上的分布。
二者都可能是单模或者出现多个模式(多模)。
边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况。
横向上都是异质结构成的折射率波导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可采取增益波导，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。
图1表示这两种空间模式。
图1 半导体激光器横模与侧模由于有源层厚度很薄(约为0.15μm)，都能保证在单横模工作；而在侧向，则其宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。
如果在这两个方向都能以单模(或称基模)工作，则为理想的TEM00模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。
这种光束的光束发散角最小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。
相反，若有源区宽度较宽，则发光面上的光场(称近场)在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，如图2所示。
这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的P-I特性曲线发生“扭折”(kink)，使P-I线性变坏，这对信号的模拟调制不利；同时多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性也影响出纤功率的稳定性；不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。
图2 有多侧模的半导体激光器的近场和远场由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，其长、短轴分别对应于横向与侧向。
在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆化处理。
半导体量子阱激光器什么是量子阱量子阱（quantum well）是一种半导体结构，是指将两个能带较窄的半导体材料之间夹入一个能带较宽的材料而形成的材料结构。
量子阱激光器的工作原理量子阱激光器是利用半导体异质结构储能的原理，将电能转化为光能的半导体光电器件。
量子阱激光器的主要部分是由一系列宽度为数个纳米量级的“量子阱”和宽度大约为1微米的背域构成。
当外加电压作用整个器件时，电子和空穴在“量子阱”内发生复合，从而发射出相干性很好的激光光子，光强度迅速地增强。
量子阱激光器的特点量子阱激光器采用的是半导体亚微米制造工艺，由于这种工艺存在一些优点，因此它也具有独特的性能。
输出效率高量子阱激光器具有输出效率高，输出功率大，并且发光波长锁定精度高等优点。
目前，半导体量子阱激光器已逐渐取代气体激光器、半导体激光器和半导体激光二极管，成为现在的主流激光器。
寿命长量子阱激光器寿命较长，保持持续较高的电光转换效率，使用寿命优于其他半导体激光器器件。
量子阱激光器的加工制造和更可靠的工程设计为半导体激光器的发展奠定了坚实的基础。
小型化量子阱激光器具有小型化的优点，因为它们由亚微米制造工艺制造而成，可以被集成到其他芯片中，这一点也可以使得芯片的体积变得更小。
波长可调节量子阱激光器波长可调节，可以进行多波长发射。
这种波长可变暴露了它在目标检测和应急救援系统中的应用。
量子阱激光器的应用量子阱激光器已经成为现代科技领域的重要组成部分。
它的应用范围非常广泛，如光通信系统、制造加工、医学检测等领域。
光通信系统量子阱激光器是进行光通信的关键设备之一，被广泛应用于通信、信息处理和数据存储。
随着物联网的发展，量子阱激光器在物联网应用领域也越来越广泛。
制造加工量子阱激光器的高功率和小型化特点，使得它可以激发大功率的光束，加热加工材料，成为高精度的工业生产设备。
医学检测量子阱激光器在医学检测领域也有着广泛的应用。
例如，用于检测医疗的光谱分析，这也为临床疾病医治提供了帮助。
量子阱半导体激光器简介量子阱半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，其核心结构是量子阱。
量子阱是一种在半导体材料中形成的人工结构，通过限制电子和空穴在垂直方向上的运动，可以实现能带的调控和载流子的局域化。
这样的结构使得量子阱半导体激光器具有优异的光学性能和应用前景。
工作原理量子阱半导体激光器利用电子和空穴复合放射出光子的原理来产生激光。
其工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1.注入载流子：通过外加电压或注入电流，将电子和空穴注入到量子阱结构中。
这些载流子会在量子阱中进行运动并最终发生复合过程。
2.载流子局域化：由于量子阱结构的限制，载流子会在垂直方向上被局域化。
这种局域化效应使得载流子在水平方向上进行多次碰撞，并增加了载流子之间相互复合的机会。
3.载流子复合：在量子阱中，电子和空穴会通过自发辐射的方式发生复合。
这个过程中释放出的能量将以光子的形式辐射出来。
4.光放大：释放出的光子会在量子阱结构中来回反射，并被不断放大。
由于在激光器结构中引入了光反馈环境，使得其中一部分光子经过受激辐射过程而进一步增强，形成相干和定向性很好的激光输出。
结构设计量子阱半导体激光器的结构设计是实现其优异性能的关键。
一般情况下，其主要包括以下几个部分：1.量子阱层：量子阱层是激光器结构中最重要的组成部分。
通过选择不同材料、控制厚度和形状，可以实现对能带结构和载流子局域化效应的调控。
常用的材料包括GaN、InGaAs等。
2.波导层：波导层用于引导和限制激光波长在有效范围内传播。
通常采用高折射率材料与低折射率材料的结构，形成光波在其中传播的通道。
3.反射镜：反射镜用于增强激光的放大效果。
一般情况下，激光器结构中会包含两个反射镜，其中一个是高反射镜，用于将光子反射回波导层；另一个是输出镜，用于从激光器中输出部分光子。
4.电极：电极用于注入电流并控制载流子的注入和分布。
通过调节电极的设计和布局，可以实现对激光器性能的进一步优化。
半导体激光器的发展及在光纤通信中的应用半导体激光器是一种使用半导体材料作为激光产生介质的激光器。
随着科技的不断发展，半导体激光器在各个领域得到了广泛应用，尤其在光纤通信中具有重要作用。
本文将从半导体激光器的发展历程和其在光纤通信中的应用两个方面进行论述。
首先，我们来看半导体激光器的发展历程。
半导体激光器最早是在1962年由美国贝尔实验室的电子学家罗伯特·诺尔表示的。
他利用PN结构的半导体晶体制作出了最早的半导体激光器，此后半导体激光器的研究逐渐成熟。
1970年代，G·奈普舍等人发明了自发辐射增益(MQW)结构，进一步提高了半导体激光器的效率。
1980年代初，人们通过引入量子阱结构，使半导体激光器的发射波长范围得到了拓宽。
1994年，研究者成功实现了垂直腔表面发射激光器（VCSEL），该激光器具有小尺寸、低功耗、易集成等优点，成为半导体激光器研究的重要方向。
其次，半导体激光器在光纤通信领域中有着广泛的应用。
在光纤通信中，半导体激光器主要用于光源和放大器。
作为光源，半导体激光器能够产生高功率、窄谱宽、稳定的激光信号，能够满足光纤通信系统对光源的要求。
除了常用的连续激光器外，脉冲激光器也逐渐得到应用。
脉冲激光器能够产生高峰值功率和短脉冲宽度的激光，用于高速光纤通信系统中的光时钟信号生成和数据调制。
再者，半导体激光器在光纤通信中还广泛应用于放大器。
光纤放大器利用半导体激光器作为光源，将入射的光信号进行放大，提高光纤通信系统的传输距离和传输容量。
其中，掺铒光纤放大器和掺铒光纤激光器以及掺镱光纤激光器是典型的半导体激光器应用于光纤通信放大器的例子。
综上所述，半导体激光器在光纤通信领域中发挥着重要的作用。
随着其发展不断进步，半导体激光器在功率、波长范围、脉冲性能以及功率放大器等方面的性能都得到了极大的提升。
相信在未来的光纤通信中，半导体激光器将继续发挥着重要的作用，推动光纤通信技术的不断进步。
关于量子阱器件的发展及其应用
量子阱是一种人造的半导体结构，由多个不同材料的层叠组成。
量子阱可以在三维空间中限制电子和空穴的运动，使它们只能在两
维平面范围内运动。
相对于传统的三维空间中的半导体材料，量子
阱器件具有更高的载流子密度和更低的电阻。
量子阱技术是近代半导体电子学中最重要的发展之一。
在20世
纪80年代初，人们开始使用量子阱技术来制造半导体激光器。
量子
阱激光器是目前应用最广泛的量子阱器件之一，被广泛应用于通信、医疗等领域。
此外，由于量子阱具有优异的电子传输性能，因此还
被应用于电子器件和光电器件等领域。
量子阱技术在半导体集成电路领域也有广泛的应用。
与传统的
半导体器件相比，量子阱器件具有更高的速度和更小的功耗。
它们
还可以作为高速电路中的开关，例如高速计算机和计算机存储器等。
在未来，量子阱技术仍将持续发展。
目前，越来越多的研究人
员将其应用于新的领域，如量子计算、量子通讯和量子密码学等。
量子阱技术也可以与其他量子技术结合使用，产生新的应用，如量
子点-量子阱结构等。
量子阱器件是半导体电子学中最重要的发展之一。
它们已经被
广泛应用于通信、医疗、电子器件和光电器件等领域。
随着技术的
不断发展，在未来，量子阱技术将会进一步推动半导体器件的发展
和应用。
1。
量子阱半导体激光器摘要：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。
一、发展背景1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。
但这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。
直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。
1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。
至此之后，半导体激光器得到了突飞猛进的发展。
半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。
其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。
但是，由于应用的需要，半导体激光器的性能有待进一步提高。
80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。
量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。
当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。
从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。
在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变化，发展起来了应变量子阱结构。
这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力，其器件性能出现大的飞跃。
具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器(DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、激射波长可以更短等等优点。
目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的根本动力。
其发展历程大概为：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。
对于激光腔结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。
Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。
Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。
1977年，人们提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。
目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。
自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。
1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上提出了微带超晶格红外激光器。
另外，具有更好性能的低维超晶格—量子线、量子点激光器的研究也已经开始。
二、基本理论1、量子阱及其能带结构量子阱是窄带系超薄层被夹在两个宽带系超薄层之间。
如果窄带系与宽带系超薄层交替生长就能构成多量子阱(MQW)。
在MQW 中如果各阱之间的电子波函数发生一定程度的交叠或耦合，则这样的MQW 也就是超晶格，宛如在晶体中微观粒子作周期有序排列一样。
量子阱结构中因为其有源层厚度仅在电子平均自由程内，阱壁起到很好的限制作用，使阱中载流子只在平行与阱壁的平面内有二维自由度。
由于垂直与阱壁方向的限制作用，使导带与价带的能级分裂为子带。
电子的总能量可表示为cn c E m k E c +=||222||式中，k c||与m c||分别为在平行与结平面方向的波数与有效质量，故上式右边第一项为电子抛物线能量分布，第二项为量子化能量，它在阱底为零。
相应的光跃迁波长为 vncn g E E E ++=24.1λ 与块状材料单纯由E g 决定不同。
E cn 和E vn 分别为导带和价带的量子化能级，并有cnz cn m L n h E 2228= 其中，L z 量子阱宽，对E vn 亦有类似的表示式。
但此时由于量子限制作用，重轻空穴带的兼并解除，价带情况较复杂，。
由半导体物理，可推导出量子阱中电子的态密度函数为：)(1)(2cn n z E E H m L E -=∑*πρ H 函数为Heaviside 单位阶跃函数，L z 为阱宽，n 为z 方向量子数。
价带空穴的态密度也有图3 QW 能带结构及态密度类似的表示。
量子阱材料中，价带子能带（HH 1、HH 2、HH 3、LH 1）形状随k 方向不同而不同，图中所示为某些方向的能带形状。
由以上可以看出，1) 由于电子被势垒所限制，其波函数在垂直方向引起能级量子化，电子、空穴的态密度与能量的关系，由抛物线型改变成台阶状结构，比体材料远为集中。
其阶梯状能带允许注入的载流子依子代逐级填充，提高了注入有源层内载流子的利用率，故量子阱激光器的微分增益远高于体材料的激光器。
高的微分增益带来许多好处：➢ 降低了激光器的阈值电流；➢ 使有源层中电子与光子的耦合时间常数变小，因而使激光器的张驰振荡频率与相同发射频率的块状有源材料激光器相比大大提高，这就相应的提高了激光器的调制带宽；➢ 有源层内部载流子损耗的减少，提高了激光器的斜率效率；➢ 减少了频率啁啾。
2) QW 材料禁带宽度大与体材料，因此激射波长变短。
3) 由于量子限制效应，重轻空穴带分裂，且子带形状发生变化，加剧了TE 与TM 模的非对称性，影响了激光器性能。
对于量子阱结构，由于有源层厚度很小，光场限制因子⎰⎰∞-∞+=Γdx I dx I x dx 减少，有相当大一部分光的能量会渗出有源层，会导致阈值升高等问题。
现实中采用光子和载流子分别限制的结构，在有源层外加上光限制层。
有分别限制单量子阱(SCH —SQW)结构和多量子阱结构。
SCH —SQW 是在阱层两侧配备底折射率的光限制层（波导层）。
该层折射率有渐变和突变两种。
如图4MQW 有多个窄带隙和宽带隙超薄层交替生长而成，在两边最外的势垒层之后再生长底折射率的波导层以限制光子，这等效于加厚了有源层，使激光器的远场特性有大幅度改善。
图4 SCH —SQW 折射率n 1）渐变型 2）突变型 图5 多量子阱禁带宽度及折射率随厚度分布折射率增益区 光学模式2、 应变量子阱组成量子阱的薄层之间一定量（在某一临界尺寸以内）的晶格常数失配所造成的失配应力能使能带结构发生有利的变化，应变量子阱正是基于这一点使能带结构发生了根本改变。
这种思想由Yablanovitch 和Kane 、Adams 在1986年分别提出。
以通常的半导体激光器在衬底的[001]方向生长超薄层为例，在临界厚度以内，所有应变几乎都允许存在于生长层内。
处在双轴应力的外延层在生长层内的晶格常数为a ||等于衬底的晶格常数a s ,设其原晶格常数为a e 。
总的应变可表示为（S ||=( a s - a e )/a e 为层内应变）轴向分量 S ax =-2S || 静态分量 S vo = S ||应变量子阱不但为选择晶格材料组分提供了较大的范围，同时使能带结构发生有利的变化。
应变量子阱单轴应变（⊥与平面） 双轴应变（||与平面）单轴拉应变 单轴张应变 双轴拉应变 双轴张应变价带顶重空穴能级上升（在上） 价带顶轻空穴能级下降（在下） 价带顶重空穴能级下降（在下） 价带顶轻空穴能级上升（在上） 价带顶重空穴能级曲率变大 价带顶轻空穴能级曲率变小 价带顶重空穴能级曲率变大价带顶轻空穴能级曲率变小以In x Ga 1-x As/InP 应变量子阱为例,当x=0.53时，In 0.53Ga 0.47As/InP 与InP 晶格匹配很好，不图7 In x Ga 1-x As/InP 应变量子阱的能带a s aa e + +a || a ⊥ a ||=a s <a e <a ⊥ 图6 外延层晶格常数变化（压应变）产生应变；当x>0.53时，InGaAs有比InP大的晶格常数，弹性形变使超薄层承受压应变；当x<0.53时，超薄层内将有张应变使两种材料之间有不产生失配位错的弹性键合，在某一临界值下，其材料有好的光学性质。
对In x Ga1-x As，此值约为20nm%。
即若层厚为20nm，则允许应变量为1%-2%。
➢应变的静态分量使导带和价带发生整体相对移动，禁带宽度发生变化。
压应变情况，E g增加，张应变情况，E g减少。
因此，通过调节应变的类型与应变量的大小，可以调节激光器的激射波长。
➢应变打破了立方晶体的对称性，其轴向分量使重空穴与轻空穴带分离，且其分离的程度正比与应变量。
产生压应变时，重空穴带仍在轻空穴带以上，但带顶处的曲率半径明显减少，重空穴的有效质量减少，明显的增加了与导带的对称性，使得阈值电流进一步减少；产生张应变时，轻空穴却有可能位于重空穴带之上，并使其曲率减少，增加了TE模与TM模的对称性，一方面使得阈值电流减少，另一方面也为实现与偏振无关的半导体激光放大器提供了技术保证。
应变量子阱的出现从根本上改变了能带的结构，只要通过调节应变的类型与应变量的大小就有可能得到我们所需要的能带结构，使半导体器件的性能出现了大的飞跃，半导体激光器在许多领域内的应用成为现实，成为半导体光电子学发展史上的一个里程碑。
例如，用来泵浦掺铒光纤放大器、激射波长为980nm的半导体激光器就是依靠应变量子阱来实现的。
应变量子阱给正在发展中的Ge1-x Si x/Si超晶格带来了活力，理论分析认为，通过布里渊区能带的折叠效应，就有可能实现Ge1-x Si x/Si材料有间接带隙向直接带隙转变。
如果这一目的能实现，以其作为半导体激光器的有源层材料，则大规模的光电子集成将成为现实，其应用价值不言而喻。
三、直腔面发射LD(VECSEL—vertical cavity surface emitting laser)：量子阱结构出现以后才成为可能。
根据光输出方向与结平面的关系，LD可分为1、边发射LD（Edge Emitting LD）：光平行与异质结界面输出。
普通LD都属于这一类型。
光反馈由材料解理面形成的反射镜提供，光在有源层长度方向得到放大，平行与异质结界面输出。
图8端面发射的常规半导体激光器2、垂直腔面发射LD(VECSEL—vertical cavity surface emitting laser):光垂直于结平面的方向输出。
VECSEL由东京工业大学Iga教授提出，但只有在量子阱结构出现以后才成为可能。
垂直腔是指激光腔的方向即光子振动方向垂直于半导体芯片的衬底，光在有源层厚度方向得到放大。
由于有源层厚度很小，要想实现底阈值的激光振荡，除要求要有高增益系数的有源层介质之外，还需要有高的腔面反射率。
所以有源层采用量子阱材料，而提高腔面反射率的方法一种是在腔面镀高反膜，难度较大；另一种是采用DBR结构(SCH)。
典型结构如图示1）DBR设计：发光区夹在两组DBR之间，DBR由交替生长的不同x和y组分的半导体薄层组成，相邻层之间的折射率差使每组叠层的Bragg附近的反射率达到极高的水平，每一组DBR相当于一个高反射镜。
