InGaAsPInP量子阱激光器的模型分析(2)

２．半导体激光器所覆盖的波段范围最广，可以通过选用不同的有源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分得到范围很广的激射波长以满足不同的需要。３．半导体激光器的使用寿命最长，目前用于光纤通信的ＬＤ，其工作寿命可达数十万小时。

４．半导体激光器的体积小、重量轻、价格便宜，这也是它的突出优点。

半导体的应用是相当广泛的，它的出现使得作为“信息基础设施”主体的光纤通信成为现实并得以迅速发展：使得以光盘为主体的信息存储技术及光复印技术不断更新换代。随着新材料与新结构的出现及激光器输出光束质量的提高，半导体激光器的应用也不再局限于信息领域，它在材料加工与精密测量等方面也有很大的应用潜力。由于ＬＤ的独特优点，它在军事上也有广泛的应用，如澳４距、致盲、对潜通信、制导等，是光电对抗的有生力量。另外，半导体激光器在生物与医学方面也开始有了初步的应用，其前景相当看好。尽管半导体激光器已有很辉煌的历程，但现今它仍是光电子领域中最活跃的研究课题，新的有源材料与新的器件结构仍不断涌现，使激光器的性能不断提高，其激射波长继续向红外和紫外扩展，以满足日益增长的需要。

目前半导体激光器主要的应用是光电集成电路（ＯＥＩＣ，Ｏｐｔｏ－ＥｌｅｅｔｒｏｎｉｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）和光纤通信中光发射机。ＯＥＩＣ是将光子器件与电子器件集成在一块的系统，对它的研究正处于方兴未艾的阶段，但与微电子集成系统相比，其发展要延缓很多，主要是由于两种器件的材料与工艺的兼容性不太理想，需要解决很多的技术问题。与微电子集成系统比较，ＯＥＩＣ的计算机辅助设计有其特殊的地方，在ＯＥＩＣ中传输的不仅有电信号，而且还有光信号，虽然它们都是电磁波，但它们的传输途径与处理方法是有较大差别的，传输电信号的媒介是导线或微带线，而传输光信号的是光波导，对电信号处理采用‘流’的概念，而对光信号则用‘波’的理论来处理。随着ＯＥＩＣ集成度的提高，ＯＥＩＣ的设计会变得越来越难，设计者将面临的问题是如何快速精确地设计出高性能器件，最直接的方法是计算机辅助设计，对ＯＥＩＣ进行电路级模拟来预测系统的整体性能，从而来验证设计的正确性。而要想对ＯＩＣＥ进行系统的计算机辅助设计，首要的任务是对光电子器件进行定模，即构建其相应的电路模型。半导体激光器是ＯＥＩＣ系统中的核心部件，构造好它的电路模型对ＯＥＩＣ的设计具有至关重要的意义。

同时作为信息技术主体的光纤通信高速发展也促进了半导体激光器的飞跃，早在１９６７年单异质结激光器出现以前，高锟就提出了用光导纤维来传输信息的

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理论与初步实验，随后贝尔实验室认识到半导体激光器在光纤通信中的重要作用，从而开始了半导体激光器与光纤技术并驾齐驱发展的时代。最早进入光纤通信实用的是Ａ１ＧａＡｓ半导体激光器，其激射波长是０．８３～０．８５ｕｒｎ，对应于光纤损耗谱的第一个窗口（约２ｄＢ／ｋｉｎ），随着损耗更小、色散系数接近于零的１．３ｕｍ单模光纤与损耗进一步减小的１．５５ｕｍ单模光纤的出现，波长覆盖范围为１．０ｕｍ～１．６５ｕｍ的ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ长波长半导体激光器也受到了越来越多的关注。

本论文的重要工作是构造ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ长波长量子阱激光器的电路模型，通过分析载流子在器件中的输运行为，得到确定其速率方程中的各重要参数的方法，然后用电路元素对速率方程进行改造，从而得到激光器相应的电路模型。与微电子器件不同的是，半导体激光器不仅有电学量，而且还涉及到光学量，因此在构造其电路模型时，必须用等效的电学量来取代光学量，从而能利用电路模拟软件如Ｐｓｐｉｃｅ完成对模型的仿真，这也是光电子器件电路模型的一个特点。显而易见，构造这种激光器的电路模型是有相当重要意义的，在光通信网络中，光发射机是传送数据的“源”，而半导体激光器是发射机的核心部件，确定好激光器的电路模型，结合它的寄生参量和外围驱动电路进行模拟仿真，能得到光发射机的一些重要特性，如脉冲响应、调制响应等，从而能对光发射机完成整体的优化设计，这对高质量的光通信传输系统的设计也有重要的意义。

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第二章ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子阱材料的生长、测试及器件制作工艺

ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子阱激光器的性能除了与器件的结构优化设计有关之外，主要与量子阱半导体材料的ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔ，金属有机化合物气相淀积）生长以及后续的器件制作工艺有着非常重要的关系，材料生长过程中异质结界面的平整度、阱与垒的厚度均匀性等以及器件制作工艺中刻蚀的精度、腔丽的制作、欧姆电极的处理等都对激光器的性能有重要影响，而材料结构性质的测试如Ｘ射线双晶衍射、光荧光ＰＬ测量、ｃ．Ｖ载流子浓度测量等对材料的高质量生长提供强有力的保证。

２．１ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子阱激光器的材料、结构与特性

２．１．１

与ＩｎＰ衬底晶格匹配的Ｉｎ，。Ｇａｊ．沁ｖＰｌ。四元合金是用于１．３１ｕｒｎ和１．５５ｕｍ波ｌｎＧａＡｓＰ半导体材料参数ｆｌ】

段最广泛的光电子材料，由于有ｘ与Ｙ两个可以调整的组分变量，在选择晶格常数与能带间隙Ｒ方面组合的自由空间较大；在这种合金材料中，原子Ｉｎ（ｒｈ＝１．４４Ａ）被Ｇａ（ｒｏ．＝１．２６Ａ）取代所产生的晶格畸变可以通过Ａ蜘１．１８Ａ）适当取代Ｐ（昂＝１．１Ａ）而得到孙偿。另外，它的直接带隙取较宽，对应予０．９２ｕｍ～ｌ。６８ｕｒｎ的波长。四元系合金的晶格常数与组分的关系可阻用费加德定律确定，对于Ｉｎ。Ｇａｌ钟ｌ。，可以用三元合金（Ｉｎ。Ｇａｌ－ｘ）心和（ＩｎｘＧａｌ－ｘ）Ｐ的晶格常数通过线性内插法求得，也可以用如下公式计算：

ａ（ｘ，Ｙ）＝．磅椴ｈｂ＋工（１一Ｙ）口＂＋（１一ｘ）ｙａｃ№＋（１一ｘ）０一），）ｄＭ（１）

将四种二元合金的晶格常数代入，经整理后得到：

ａ（Ｉｎ，Ｇａｌ。ＡｓｙＥ＿）＝５．８６９６—０．４１８４ｘ＋０．１８９４ｙ＋０．０１３ｘｙ（２）

如果ｂＡ；Ｇａｌ－ｘＡｓ—ｌ－ｙ材料的晶格常数与ｈＰ相匹配的话，组分Ｘ和Ｙ必须满足如下关系【２】：

工：殳：堡墅（３）

１一Ｏ．０３砂

类似地Ｌｎ．ｘＣ，－ａｔ．ｘＡｓｙＰｌ哼材料的带隙Ｅｇ与组分关系也可以得到如下表达式：

乜（ｘ，ｙ）＝ｏ．３５＋０．６６８ｘ－１．１７ｙ＋０．７５８ｘ２＋ｏ．１Ｂｙ２－０．０６９ｘｙ－０．３２２ｘ２ｙ－０．０３ｘｙ２这种材料的带隙Ｅｓ与组分关系也可以用三维图形来表示如图ｌ所示：

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佰

ｈＩＰｙ———’触

图１Ｉｒ正ａＡｓ晗金的带隙与坦分的关系

１ｎ。Ｇａｔ＿ｘＡ妒１．ｙ材料的折射率对异质结激光器限制有源区的光场作用大小有决定意义，它与组分的关系比较复杂，与Ｙ组分的关系如下图所示：

齄蜷波长（ｍ）

图２ＩｎＧａＡｓＰ的折射率与姐分以及波长的关系

半导体材料的介电常数ｅ是一个重要的参量，它能确定异质结对电场的限制作用大小，Ｉｎ；Ｏａｔ．；ＡＳｙＰｌ．ｙ材料的介电常数与组分的关系如下图所示：

Ｙ——●

图３ＩｎＧａＡｓＰ的介电常数与组分 …… 此处隐藏：2248字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……