CN106356712A - 一种基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器系统 - Google Patents

一种基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器系统。它由主控制器、恒流驱动源及多个结构相同的量子点小眼激光单元组成。其中每个量子点小眼激光单元均由小眼激光发射窗口、外电极、上层P‑DBR、上阻断层、有源区、量子点、下阻断层、下层N‑DBR、N+型衬底及内电极组成。N个量子点小眼激光单元具有相同的几何结构与物质分布，其发出的激光具有相同的波长特性，最终得到N束分别沿各小眼光轴方向，由小眼激光发射窗口发出的波长为λ的连续激光。本发明的有益效果是，它解决多通道并行复眼激光器的高效小型化关键问题。该人工复眼激光器通过对波长及强度的选择，使复眼能适应不同的环境，实现对目标的各种受激发射、散射等特性的探测。

Description

一种基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器系统
技术领域
本发明涉及一种用于激光器系统，尤其涉及一种基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器系统。
背景技术
人工复眼(ACE)是一种模拟自然界昆虫复眼结构的光学系统，其将目前广泛使用的单孔径光学系统用多孔径光学系统所代替,从而达到使整个系统小型化、轻量化、以及视场增大的目的。近年来国外研究人员已成功制作了各种不同结构及用途的人工复眼系统。如美国伯克利加州大学Luke P.Lee等采用高分子微透镜、高分子锥管及自排列波导实现了半球型ACE；俄亥俄州立大学L.Li等采用光学微棱镜阵列制成了半球ACE，通过精确计算各小眼微棱镜剖面形状，实现了广视野景物在平面探测器上的成像。
基于ACE系统的优点，其可广泛应用于各种不同的领域。再加之复眼系统大视场的特点，其光电检测的潜在能力在国内外航空等领域都得到了广泛的重视。目前的人工复眼大都属于被动复眼，即被动地接收外部各波段的电磁波信息，然后进行分析处理，易受环境因素的制约，影响探测的信噪比、灵敏度，进而使探测的效果恶化。
主动型人工复眼可在复眼内部构建与各小眼通道相匹配的主动发射源，通过对波长及强度的选择，使复眼能适应不同的环境。同时，由于发射源的特性，可实现对目标的各种受激发射、散射等特性的探测。主动型人工复眼最主要最核心的关键部件在于内部小型复眼发射源，对其的要求非常高，即必须满足多通道、小型化的要求。
针对该问题，本发明提出一种基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器，实现多路小眼激光器共用电极、衬底、阻断层、谐振腔及电流注入，解决多通道并行复眼激光器的高效小型化关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器，可满足空间主动复眼探测的激光源要求。
本发明的技术方案是这样来实现的，基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器系统主要由主控制器、恒流驱动源及多个结构相同的量子点小眼激光单元组成。其中每个量子点小眼激光单元均由小眼激光发射窗口、外电极、上层P-DBR、上阻断层、有源区、量子点、下阻断层、下层N-DBR、N+型衬底及内电极组成。
激光器系统外形为半球形，半球形底部圆形平面为复眼底面，复眼中轴为通过复眼底面圆心o的垂直于复眼底面的直线，与半球面相交于点o'，即复眼中轴为直线oo'。通过复眼中轴作一系列垂直于复眼底面的剖面，即为复眼子午面，量子点小眼激光单元均位于复眼子午面内，各量子点小眼激光单元呈等间角排列，即各小眼光轴之间的小眼光轴夹角均为β；各相邻复眼子午面夹角均为α，人工复眼激光器共包含
N＝(180°/β-1)×(180°/α)-[(180°/α)-1]
个量子点小眼激光单元。
基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器系统按以下步骤工作：
主控制器开启恒流驱动源，使其产生恒定电流输出。该恒定电流由各量子点小眼激光单元的外电极注入，然后分别经过上层P-DBR、上阻断层、有源区、量子点、下阻断层、下层N-DBR、N+型衬底，然后经内电极流出。
上层P-DBR与下层N-DBR提供沿小眼光轴方向的受激辐射的高反射，形成量子点小眼激光单元的激光谐振腔。上阻断层与下阻断层提供电光限制，降低阈值电流。当恒流驱动源提供的注入电流大于阈值电流时，激光湝振腔的增益大于损耗，即有源区中的量子点的受激辐射在激光谐振腔中经过多次反射将产生光放大，最终满足激光出射的条件，沿小眼光轴方向发射出波长为λ的连续激光，并经小眼激光发射窗口发射出去。波长λ与有源区的厚度、量子点的位置、谐振腔材料的平均折射率有关，即可通过改变以上三个参数选择得到不同的激光波长λ。
注入电流均匀地流入N个量子点小眼激光单元，由于这N个量子点小眼激光单元具有相同的几何结构与物质分布，因此其发出的激光具有相同的波长特性，最终得到N束分别沿各小眼光轴方向，由小眼激光发射窗口发出的波长为λ的连续激光。
本发明的有益效果是，提供一种基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器，通过各路小眼激光单元共用电极、衬底、阻断层、谐振腔及电流注入，解决多通道并行复眼激光器的高效小型化关键问题。该人工复眼激光器可在复眼内部构建与各小眼通道相匹配的主动发射源，通过对波长及强度的选择，使复眼能适应不同的环境，实现对目标的各种受激发射、散射等特性的探测。
附图说明
图1和图2为本发明的原理图，图中：1——主控制器；2——恒流驱动源；3——复眼底面；4——小眼光轴；5——外电极；6——小眼激光发射窗口；7——上层P-DBR(注：空穴掺杂型分布式布喇格反射器)；8——上阻断层；9——有源区；10——量子点；11——复眼中轴；12——下阻断层；13——下层N-DBR(注：电子掺杂型分布式布喇格反射器)；14——N+型衬底(注：高浓度电子掺杂半导体)；15——内电极；16——小眼光轴夹角；17——量子点小眼激光单元；18——复眼子午面；19——子午面夹角。
具体实施方式
基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器系统结构如图1(子午面视图)和图2(俯视图)所示,激光器系统主要由主控制器1、恒流驱动源2及多个结构相同的量子点小眼激光单元17组成。其中每个量子点小眼激光单元17均由小眼激光发射窗口6、外电极5、上层P-DBR7、上阻断层8、有源区9、量子点10、下阻断层12、下层N-DBR13、N+型衬底14及内电极15组成。在本实施例中所有的衬底材料均为砷化镓(GaAs)。
激光器系统外形为半球形，半球形底部圆形平面为复眼底面3，复眼中轴11为通过复眼底面3圆心o的垂直于复眼底面3的直线，与半球面相交于点o'，即复眼中轴11为直线oo'。通过复眼中轴11作一系列垂直于复眼底面3的剖面，即为复眼子午面18，量子点小眼激光单元17均位于复眼子午面18内，各量子点小眼激光单元17呈等间角排列，即各小眼光轴4之间的小眼光轴夹角16均为β，在本实施例中β为10°，见图1的子午面视图；各相邻复眼子午面18夹角均为α，在本实施例中α为18°，人工复眼激光器共包含
N＝(180°/β-1)×(180°/α)-[(180°/α)-1]
个量子点小眼激光单元17(在本实施例中N＝161)，见图2的俯视图。
在本实施例有源区材料也为砷化镓(GaAs)，其费米波长为40nm，因此量子点的尺寸须小于40nm，才能满足电子波共振的要求。本实施例量子点的尺寸为直径为20nm的纳米球，材料为砷化镓铟(InGaAs)。
基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器系统按以下步骤工作：
主控制器1开启恒流驱动源2，使其产生恒定电流输出。该恒定电流由各量子点小眼激光单元17的外电极5注入，然后分别经过上层P-DBR7、上阻断层8、有源区9、量子点10、下阻断层12、下层N-DBR13、N+型衬底14，然后经内电极15流出。
上层P-DBR7与下层N-DBR13提供沿小眼光轴4方向的受激辐射的高反射，形成量子点小眼激光单元17的激光谐振腔。上阻断层8与下阻断层12提供电光限制，降低阈值电流。当恒流驱动源2提供的注入电流大于阈值电流时，激光湝振腔的增益大于损耗，即有源区9中的量子点10的受激辐射在激光谐振腔中经过多次反射将产生光放大，最终满足激光出射的条件，沿小眼光轴4方向发射出波长为λ的连续激光，并经小眼激光发射窗口6发射出去。波长λ与有源区9的厚度、量子点10的位置、谐振腔材料的平均折射率有关，即可通过改变以上三个参数选择得到不同的激光波长λ。
注入电流均匀地流入N个量子点小眼激光单元17，由于这N个量子点小眼激光单元17具有相同的几何结构与物质分布，因此其发出的激光具有相同的波长特性，最终得到N束分别沿各小眼光轴4方向，由小眼激光发射窗口6发出的波长为λ的连续激光。

Claims (1)

1.一种基于球形多路双异质结量子点的人工复眼激光器系统，包括主控制器(1)、恒流驱动源(2)及多个结构相同的量子点小眼激光单元(17)组成。其中每个量子点小眼激光单元(17)均由小眼激光发射窗口(6)、外电极(5)、上层P-DBR(7)、上阻断层(8)、有源区(9)、量子点(10)、下阻断层(12)、下层N-DBR(13)、N+型衬底(14)及内电极(15)；其特征在于：
所述的激光器系统外形为半球形，半球形底部圆形平面为复眼底面，复眼中轴为通过复眼底面圆心o的垂直于复眼底面的直线，与半球面相交于点o'，即复眼中轴为直线oo'；通过复眼中轴作一系列垂直于复眼底面的剖面，即为复眼子午面，量子点小眼激光单元均位于复眼子午面内，各量子点小眼激光单元呈等间角排列，即各小眼光轴之间的小眼光轴夹角均为β；各相邻复眼子午面夹角均为α，人工复眼激光器共包含
N＝(180°/β-1)×(180°/α)-[(180°/α)-1]
个量子点小眼激光单元；
所述的激光器系统工作步骤如下：
主控制器开启恒流驱动源，使其产生恒定电流输出，该恒定电流由各量子点小眼激光单元的外电极注入，然后分别经过上层P-DBR、上阻断层、有源区、量子点、下阻断层、下层N-DBR、N+型衬底，然后经内电极流出；
上层P-DBR与下层N-DBR提供沿小眼光轴方向的受激辐射的高反射，形成量子点小眼激光单元的激光谐振腔；上阻断层与下阻断层提供电光限制，降低阈值电流；当恒流驱动源提供的注入电流大于阈值电流时，激光湝振腔的增益大于损耗，即有源区中的量子点的受激辐射在激光谐振腔中经过多次反射将产生光放大，最终满足激光出射的条件，沿小眼光轴方向发射出波长为λ的连续激光，并经小眼激光发射窗口发射出去；波长λ与有源区的厚度、量子点的位置、谐振腔材料的平均折射率有关，即可通过改变以上三个参数选择得到不同的激光波长λ；
注入电流均匀地流入N个量子点小眼激光单元，由于这N个量子点小眼激光单元具有相同的几何结构与物质分布，因此其发出的激光具有相同的波长特性，最终得到N束分别沿各小眼光轴方向，由小眼激光发射窗口发出的波长为λ的连续激光。
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