淺談半導體微腔物理及其應用

梁書銳

【摘要】科學技術飛速發展的新時期伴隨超薄層材料生長技術及多樣化超精準加工工藝進展，分子外延術和金屬有機化合物氣相沉淀等技術成為研究人員關注探討重點。本文通過逐步解析半導體微腔中互相作用分解產生的關聯等形式進行討論，整合目前發展趨勢對其應用進行探討。

【關鍵詞】微腔物理；半導體；應用；探討

激光技術研制成功之前，自發式輻射發出光源廣泛應用于人們生活及學習環境中。激光研發使用后受激輻射引起研究者廣泛關注，大量研究人員將精力投入其中進行研究開發。但隨時間推移，人們潛意識認為自行發出輻射是原子處于激發狀態，其產生過程是一種無法進行轉變的常規反應，人們誤認為這種自行發出的輻射激光是常規既定形式，其產生過程無法通過科學手段進行轉變。現實中，自行發出輻射不是一種固定的物質形態，而是在真空漲落過程中產生轉變使得原子之間相互作用出現自然反應[1]。假設在一個或者多個方向的尺度或者波長數量相同的同一個微腔內，放置一個以原子為劑量單位的物質，其自行產生的輻射本質并沒有發生變化，或因所處在既定空間而被控制發生本質改變，通過研究，人們將這一現象稱之為“腔量子電動力學”。

一、半導體微腔物理簡介

隨著科學研究對微腔物理領域及微腔效應不斷深入，微腔激光器、微腔結構制作過程及相關性能研究成為國內外研究焦點。微腔是又尺寸很小的諧振腔構成，理想狀態下的微腔成正方形，次存是既定不變的。但是實際研究或者使用中，可根據實際情況適當放寬，放寬尺寸后仍可在輻射光譜區內得到同樣的作用方式。使用與目前飛速發展的未加工技術領域。1個既定微腔規定最少有1維的規格在光波長的規定范圍級別內。實際研發出的微腔激光器根據其使用功能，有效波長范圍也可適當調節，出現大于1個光波長的情況。由此得出微腔涉及范圍僅為極少數原子或光子行為，對于微腔與原子之間產生作用的研究，能發現眾多宏觀體系行為與特征差異。微腔與原子之間的相互影響也因腔量子電動力學研究成果更加容易解釋。微腔物理是一種具有獨特特點，內容多樣，不僅有重要理論含義，又能成為高新科技研究新的出發點的交叉領域學科。不僅能根據微腔物理的開發深入了解圍觀世界量子性能這類基礎性認知，還可在最基本認知的基礎上，對全新領域進行研究探討，在今后新型技術研發領域內產生重要作用[2]。比如，微腔可通過改變自發輻射速率增加合成激射膜的發出量，甚至全部轉換成激射膜，成為無闌值激光器，這樣的轉變提成過程導致激光器閉值一個甚至幾個數量等級降低反應，是帶寬數量級別得到增加，從而適應高密度光束合成。微腔激光器以及微腔激光器產生的2維面陣所產生的光源，具有成本低，效率高且高密度可大量生產等優點。在光學巨平行計算、傳輸及處理等方面產生不能取代的作用，使其不僅可在低功率光互聯、據平行等數字光學計算領域的到應用，在多頭存儲器、二維掃描、多信道光纖通信、激光打印及信息顯示等領域得到廣泛使用，成為一個國家信息產業不斷進步發展的基礎，為金鉤信息產業發展產生重要影響。

二、半導體微腔物理的應用

第一，半導體微腔物理的國內應用現狀。國內應用研發操作主要體現在微腔激光物理領域，比如使用速率方程對微腔激光器進行研究，對其穩定及瞬態特征進行鑒定，另一方面，研究其在可飽和吸收狀態下，微腔激光器的自脈沖穩定性能。實驗中研究人員對垂直腔體內進行激光發射、圓盤形半導體內進行激光發射、玻璃微球或者有機物質中產生的微腔反應。根據需求以出現多種類型，不同品牌微腔激光器共同存在的現狀局面。這些設備因結構，材料、波長差異，其性能用途也不盡相同[3]。微腔激光器諧振腔小，根據結構不同分為垂直腔表面發射型、圓盤型和微球型。根據材料不同可分為有機聚合物、摻合稀土成分的玻璃或者晶體。微腔激光器發射波長超出紅外線等可見光線范圍。各微腔部分點泵浦支持下，輸出不同性質激光，以滿足各種需求。此外，國內光學晶體研究領先于國際水平。國內對于微腔物理研究尚在起步階段，研究人員培訓，隊伍建設及實驗室都在初步時期，由于具備國內外最新設備，實驗條件是目前國內外最先進的。國內現有的實驗室條件優越，不僅配備多臺先進設備，對于量子線及量子點等材質也可自行制作。設備先進化對于研究起到了推進作用。當然對于研究測定方面，也具備最新技術，對于瞬態光譜、激發狀態物理功能等測試也是相當精準的。

第二，半導體微腔物理的國外應用現狀。綜合微腔物理是實際中的意義及作用，國內外專家學者對于這方面的研究也在不斷加強，縱觀國內外大型國際會議關于微腔效應的關注程度，微腔效應的研發及微腔激光器、結構及制造、性能等方面已成為國際研究焦點。因研究結果對自身科技推動作用巨大，現有科學論據尚處于保密階段，國際將微腔激光物理作為研究重點，分別針對理論、實驗兩個領域入手，對各種腔量子電動學產生的效果進行總結分析。目前垂直腔面激發微腔激光器已研發成功，具備優越功能，在實際中使用。根據理論定位與實驗結果相結合，成功研制出一種新型激子激光器，新型激光器是根據量子統計效應發生非平衡激子布局來實現的[4]。

綜上所述，近年來，科學研究領域成果層出不窮，不斷推動科學技術的進步和發展，人們已經進入信息時代。電子技術及光子技術是信息技術的基本組成。光子技術會在未來通信及計算機領域未來發展中普遍應用。根據微腔物理探究能夠促進微腔激光器、光自學以及信息產業技術進步，并且推動其他相關行業的發展進程，對光計算機、光纖通訊、信息顯示等光信息處理領域的發展有重要影響。

參考文獻：

[1]曹碩，許秀來.微腔增強發射的半導體量子點單光子源[J].物理，2014，1（11）：740-748.

[2]張瑩， 陳梅雄， 李瑩穎.光學微腔的應用和發展前景[J].激光與光電子學進展， 2015， 52（4）：11-21.

[3]陸日，許留洋，高欣.電注入橢圓微腔半導體激光器熱特性分析[J].中國激光， 2016，23（4）：42-47.

[4] 霍海燕.半導體激光器微腔光場模式特征分析[J]. 內蒙古石油化工， 2015，1（17）：43-45.