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《华南师范大学》 2005年
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量子阱垂直腔面发射半导体激光器的优化与电路模型分析

吴文光  
【摘要】:半导体激光器是一种电致发光器件,自60年代发明以来,得到了迅猛的发 展。随着其新结构与新材料出现以及其器件功能的不断扩展,它在越来越多的领 域得到了广泛的应用,如光通信、光存储、军事、生物等各方面。 垂直腔面发射半导体激光器(VCSEU)以其光束发散角小、圆形光斑易于与 光纤藕合、极短的光学谐振腔易于实现动态单纵模工作、表面出射易于二维列阵 器件的集成以及极低的功率消耗有可能由CMOS电路直接驱动等优势已经成为 光计算、光互连、光学信息处理、光通讯、神经网络等系统的理想光源。与此同 时,随着分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCCVD)等生长技术的发 展,使VCSEL器件性能得以飞速提高。 VCSEL自从采用了量子阱结构后性能大大改善,但是量子阱阱数的多少才 合理一直是一个重要的课题。 通常对于有半导体激光器应用的系统来说,激光器是此系统的关键部件,激 光器本身的状态对于整个系统的性能有至关重要的影响,所以激光器与外围驱动 电路作为一个体系来分析其性能特征是很有必要的,显而易见,对半导体激光器 定模即构造其电路模型有助于其在系统中的有效应用。 本论文的主要工作如下: 1. 本论文采用光增益与载流子浓度的对数关系,考虑到非辐射复合的影响, 从理论上推导出多量子阱垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的速率方程。讨 论了阈值电流密度、最佳阱数等与器件参数(腔长和端面反射率)之间的依赖关 系。为改善VCSEL阈值特性和优化器件结构提供了理论依据。 2. 介绍了几个有特色的比较典型的半导体激光器的定模工作,它们是阈值 以下的半导体激光器、双异质结半导体激光器及多模半导体激光器,主要了解激 光器定模的原理、方法及一些处理技巧,对后面量子阱激光器的定模起一个向导 作用。 3. 详细说明了确定半导体激光器速率方程的一些重要参量的方法。如载流子 在SCH区的输运时间;量子阱对载流子的捕获是一个复杂的过程,文中给出了 量子捕获时间的计算方法以及实验证明;光增益是关键的参量,它的解析式相当 繁琐,由实验曲线拟合其较为简明的经验式,对定模工作是有利的。
【学位授予单位】:华南师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TN248

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