量子阱雷射器的工作原理基於半導體材料的帶隙理論和量子力學的"量子束縛態"概念。其基本結構由多個薄層半導體材料交替堆積而成，通常包括上下導電層、勢壘層、量子阱層和襯底。其中，量子阱層是由多個薄的半導體層組成的，每個層的厚度約為幾納米到十幾納米，其間相互擠壓形成"量子阱"，並且其中存在"量子束縛態"，能量較低，形成載流子的捕獲和輻射區域，是激發出雷射所必須的能量來源。
當外電場作用於半導體材料時，電子和空穴將被注入量子阱層，這時由於量子束縛態的存在，電子和空穴被捕獲在量子阱層內形成電子空穴對，這種電子空穴對被激發時會向外輻射雷射。同時，在上下導電層的透鏡反饋作用下，量子阱中產生的雷射逐漸放大，最終形成穩定的激射。
半導體量子阱雷射器中通常包含多個量子阱，其是由兩個不同寬度的禁帶材料之間夾雜一層較窄寬度的禁帶材料構成。這種「三明治」結構使得電子和空穴易於在量子阱中限定位置，因此能夠實現高效的受激輻射。工作需要通過載流子注入來實現激勵，這一過程通常需要在兩端施加正向偏置電壓，從而將電子和空穴注入到量子阱中。在量子阱內，載流子受到禁帶結構的約束，在此處重新結合放出能量，從而實現光的發射。