用于POF的高性能共振腔发光二极管

提出用AlGaAs材料为n型下DBR,AlGaInP材料为p型上DBR,GaInP/AlGaInP多量子阱为有源区来制备650nm波长的共振腔发光二极管（RCLED）.用传输矩阵法对器件的结构进行了理论设计,并制备了RCLED和普通LED两种结构.测试结果表明,RCLED有更高的发光效率,是普通LED的近1.3倍,当注入电流从3mA增加到30mA时,RCLED的峰值波长只变化了1nm,而普通LED的波长则变化了7nm,且RCLED的光谱半宽窄,远场发散角小. 关键词： 发光二极管 共振腔 金属有机物化学气相淀积     

水平腔面发射DFB激光器光栅调控出光特性研究

以面发射分布反馈(SE-DFB)半导体激光器为研究对象，基于耦合模理论，通过耦合系数表征器件的出光特性，研究二阶光栅对器件出光特性的调控作用。使用时域有限差分法(FDTD)进行光栅的结构仿真和参数优化，在器件衬底部位引入分布布拉格反射镜(DBR)协同光栅调控出光特性，以980 nm波段半导体激光器为例，重点研究DFB光栅占空比、DFB光栅周期长度、DFB光栅刻蚀深度、DFB光栅倾角、DBR反射镜占空比、DBR反射镜材料折射率、DBR反射镜周期介质层数对光栅耦合系数的综合影响，得到优化的光栅参数，为后续器件设计与制备提供理论依据。     

分布布喇格反射镜的反射特性

采用等效法布里珀罗(FP)腔方法对分布布喇格反射镜(DBR)的特性进行了研究,计算并讨论了上下两层DBR结构非对称模型反射率的变化.设计了DBR反射镜的反射谱中心波长为850nm的结构.随着DBR周期数的增加,腔反射率峰值逐渐增加.上下两层DBR反射镜的厚度由反射率和中心波长决定.实验表明,下DBR的周期数为30对左右,上DBR的周期数为20对左右,易实现激光输出.非对称的双层DBR的反射特性表明理论计算与实验结果基本一致.     

微腔有机电致发光器件的谐振腔反射镜性能

根据微腔原理运用传输矩阵法对构成微腔有机电致发光器件(MOLED)谐振腔的两个反射镜进行模拟计算并比较,可观察到:随金属反射镜的反射率增大,微腔器件的电致发光(PL)谱的半峰全宽(FWHM)逐渐窄化;峰值逐渐蓝移至设计的谐振峰值520nm处;峰值强度和光谱积分强度逐渐增强。结果表明:金属反射镜反射率越大越好。随DBR反射镜的周期数从1增加到9,EL的峰值均为520nm,半峰全宽逐渐窄化,积分强度逐渐减弱;峰值强度由弱增强再减弱,4个周期时峰值强度最大,所以设计微腔器件时,DBR的周期是一项很重要的参数。DBR反射率太大不利于出光,太小微腔效应小。需要根据制作目的和需要进行合理选择。     

光泵浦双反射带半导体激光器的热效应有限元分析

给出了808 nm/980 nm双反射带布拉格反射镜的反射谱线,建立了光泵浦双反射带半导体激光器件的热学模型及其内部热载荷分布形式,运用有限元分析方法,详细分析了双反射带光泵浦半导体激光器件的热学特性。结果表明,对于激射光反射率为99.96%的单反射带和双反射带布拉格反射镜结构的垂直外腔面发射半导体激光器件,前者的散热性能较好,而后者的最大温升明显低于前者。本文的分析结果可为半导体激光器件的结构优化和实验研究提供理论参考。     

基于共振腔发光二极管的DBR温度特性研究

分布式布拉格反射镜（DBR）是共振腔发光二极管（RCLED）的主要组成部分,其温度特性对RCLED的性能有着重要影响。基于650 nm红光RCLED,设计出由Al0.5Ga0.5As和Al0.95Ga0.05As组成的DBR结构。首先通过AlxGa1-xAs材料折射率的色散关系分析温度对AlxGa1-xAs材料折射率的影响,进而模拟了DBR反射谱的温度特性,得到随着温度升高DBR反射谱红移的结论,温漂速率为0.048982 nm/℃。通过MOCVD制备出30对Al0.5Ga0.5As和Al0.95Ga0.05As组成的DBR外延结构,并对其进行反射谱测试,发现随着温度升高反射谱出现了红移现象,温漂速率为0.049277 nm/℃,与模拟结果相近,验证了温度升高导致反射谱红移结论的正确性。     

基于压电聚合物薄膜可调谐Fabry-Perot滤波器的研究

采用DBR/电极/间隔层/电极/DBR的结构形式制作滤波器,器件透光部分刻蚀以消除电光效应.测试滤波器透过率光谱,并通过加电压对滤波器中心波长进行调制.据实际结果得到腔的光学厚度为8.04μm,腔长在电场作用下收缩.在140V电压下,腔长收缩量约为0.757%.实验证明电致伸缩效应在调制中起作用.     

全介质镜微腔的结构设计与发光特性的模拟

设计了4种不同介质镜结构的全介质镜λ微腔,并模拟研究了腔内有机发光层的发光特性。结果表明,DBR结构的不同会导致腔镜反射相移的变化,从而最终改变了器件的透射光谱、腔内驻波电场分布、PL光谱峰值位置和强度等参数。只有合理的器件结构设计才能使腔内的发光得到有效的增强。对称偶数层DBR构成的λ腔可以使谐振峰位置的PL光谱峰值强度增加59倍。     

阵列波导光栅梳状带通滤波器的传输效率

在光波导模场分布高斯近似条件下,根据星形光波导耦合器的耦合特性,推导出了基于累加运算和卷积运算近似表达的阵列波导光栅梳状带通滤波器光谱响应效率的函数表达式。给出了阵列波导光栅梳状带通滤波器光谱响应效率曲线的半最大值全宽度和阵列波导光栅梳状带通滤波器的通道中心波长的光谱响应度与器件参数的关系。在输入信号光谱分布高斯近似条件下,给出了阵列波导光栅梳状带通滤波器信号通道传输效率的计算表达式和输入信号光谱宽度对阵列波导光栅梳状带通滤波器信号通道输出特性的影响。给出了物理意义明确的函数表达式,它们可为快速分析阵列波导光栅梳状带通滤波器的特性提供理论基础。     

氮化铌纳米线光学特性

氮化铌(NbN)纳米线是超导纳米线单光子探测器(SNSPD)常用的光敏材料,其光学性质是影响SNSPD性能的关键因素.本文结合实验数据和仿真结果,系统研究了多种NbN超导纳米线探测器器件结构的光学特性,表征了以下四种器件结构下的反射光谱以及透射光谱:1)双面热氧化硅衬底背面对光结构;2)双面SiN硅衬底背面对光结构;3)硅衬底上以金层+SiN缓冲层为反射镜的正面对光结构;4)以分布式布拉格反射镜(DBR)为衬底的正面对光结构.并在上述四种器件结构基础上,生长了不同厚度的NbN薄膜,观察不同厚度NbN薄膜的吸收效率.经分析,发现在不同器件结构下的最佳NbN厚度与光吸收率的关系如下:双面热氧化硅衬底上的NbN层在1606 nm处最大吸收率为91.7%,其余结构在最佳NbN厚度条件下吸收率都能达到99%以上.其中双面SiN的硅衬底结构中最大吸收率为99.3%, Au+SiN为99.8%, DBR为99.9%.最后,将DBR器件实测结果与仿真结果进行了差异性分析.这些结果对高效率SNSPD设计与研制具有指导意义.     

侧墙倾斜的水平半导体/空气分布布喇格反射器的设计

时域有限差分(FDTD)法计算表明,在常规的水平半导体/空气分布布喇格反射器(DBR)设计中为了得到高反射率,DBR中侧墙与衬底垂直非常重要。对于GaN基材料DBR侧墙如果有3°的倾斜,反射率将下降到30%左右,然而在实验上很难得到侧墙与衬底垂直的GaN基DBR结构。考虑到侧墙倾斜问题我们提出了新的DBR设计方法,采用这种方法即使DBR侧墙有较大的倾斜也可以得到高的反射率。设计的关键是在侧墙倾斜的情况下保持每个DBR周期光程差与垂直情况下一致,根据光的干涉原理我们给出了详细的解释。     

1.55-μm InGaAs/InGaAlAs MQW vertical-cavity surface-emitting lasers with InGaAlAs/InP distributed Bragg reflectors

High-performance InGaAs/InGaAlAs multiple-quantum-well vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) with InGaAlAs/InP distributed Bragg reflectors are proposed for operation at the wavelength of 1.55 μm. The lasers have good heat diffusion characteristic, large index contrast in DBRs, and weak temperature sensitivity. They could be fabricated either by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) or by molecular beam epitaxy (MBE) growth. The laser light-current characteristics indicate that a suitable reflectivity of the DBR on the light output side in a laser makes its output power increase greatly and its lasing threshold current reduce significantly, and that a small VCSEL could output the power around its maximum for the output mirror at the reflectivity varying in a broader range than a large VCSEL does.     

Ultranarrow band and high-quantum-efficiency photodetector with waveguide-grating structure and inclined top mirror

A new type of one-mirror inclined waveguide-grating photodetector, which combines a waveguide-grating filter and an inclined top mirror is proposed. Greatly improved spectral response is achieved by the integration of waveguide-grating into classical thin-film homogeneous layers. Comparison between the grating filter and Fabry-Perot filter demonstrates that this structure has two advantages over other photodetector devices. First, the inclined mirror can decouple the quantum efficiency from response speed and spectral response linewidth. Second, comparing the traditional photodetector with Fabry-Perot filter, this type of photodetector with the same materials requires significantly fewer layers while maintaining the same linewidth response, high peak efficiency and remarkably low sideband reflectivity. Thus, this type of photodetector device represents basic new optical features with a significant potential for practical applications.     

1.55-μm InGaAs/InGaAlAs MQW vertical-cavity surface-emitting lasers with InGaAlAs/InP distributed Bragg reflectors

High-performance InGaAs/InGaAlAs multiple-quantum-well vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) with InGaAlAs/InP distributed Bragg reflectors are proposed for operation at the wavelength of . The lasers have good heat diffusion characteristic, large index contrast in DBRs, and weak temperature sensitivity. They could be fabricated either by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) or by molecular beam epitaxy (MBE) growth. The laser light-current characteristics indicate that a suitable reflectivity of the DBR on the light output side in a laser makes its output power increase greatly and its lasing threshold current reduce significantly, and that a small VCSEL could output the power around its maximum for the output mirror at the reflectivity varying in a broader range than a large VCSEL does.     

Resonant cavity-enhanced quantum dot field-effect transistor as a single-photon detector

A resonant cavity-enhanced （RCE） quantum dot （QD） field-effect transistor （RCEQDFET） is designed for single- photon detection in this paper. Adding distributed Bragg reflection （DBR） mirrors to the single-photon detector （SPD）, we improve the light absorption efficiency of the SPD. The effects of the reflectivity of the mirrors, the thickness and light absorption coefficient of the absorbing layer on the detector＇s light absorption efficiency are investigated, and the resonant cavity is determined by using the air/semiconductor interface as the mirror on the top. Through analyzing the relationship between the refractive index of AlxGal_xAs and A1 component, we choose A1As/Alo.15Gao.85As as the material of the mirror on the bottom. The pairs of A1As/Alo.15Gao.85As film are further determined to be 21 by calculating the reflectivity of the mirror. The detector is fabricated from semiconductor heterostructures grown by molecular beam epitaxy. The reflection spectrum, photoluminescence （PL） spectrum, photocurrent response, and channel current of the detector are tested and the results show that the RCEQDFET-SPD designed in this paper has better performances in photonic response and wavelength selection.     

吸收对垂直腔面发射激光器光学特性的影响

采用光学传输矩阵方法，详细分析了反射镜以及键合界面的吸收对垂直腔面发射激光器光学特性的影响. 结果表明，反射镜以及键合界面的吸收对反射镜和垂直腔面发射激光器的反射率和势透射率有较大影响，而对反射镜中心波长处的反射相移以及垂直腔面发射激光器模式的反射相移和模式位置影响很小. 随着反射镜以及键合界面的吸收增大，反射镜中心波长处的反射率逐渐减小，垂直腔面发射激光器的模式反射率变化则是先急剧减小，达到一个极小值，然后再逐渐增大，而反射镜中心波长处以及垂直腔面发射激光器模式处的势透射率则都是迅速降低的. 此外，将有吸收的键合界面离有源区的距离远一些，有利于提高垂直腔面发射激光器模式处的光输出效率.     

非对称DBR-金属-DBR结构的光学Tamm态理论研究

作为一种特殊的金属表面态, 光学Tamm态 (OTS) 对光的控制和操作具有独到优势, 在新一代光子器件设计中备受青睐. 本文基于分布式Bragg反射镜(DBR)-金属-DBR(DMD)结构, 通过金属两侧 DBR中心频率的失配引入不对称机制, 设计和控制可见光区域OTS的产生; 通过分析反射谱及电场分布特性, 揭示了金属两侧OTS的相互作用及变化规律. 结果表明: DMD结构可支持两个不同本征波长OTS 存在, 失配量δ将影响两个OTS的强度及本征波长, 即随着δ变化OTS 出现上下两个分支; 同时, 入射光的偏振态、入射角等也对OTS的强度及本征波长具有明显影响. 关键词： 金属表面态 光学Tamm态 分布式Bragg反射镜     

分布式布喇格反射镜的穿透深度计算

采用特征矩阵法分别计算奇、偶数层布喇格反射镜的反射相移,利用反射时延与反射相移的关系给出了其穿透深度的表达式.采用电子束热蒸发的方法制备了结构为[HL]2H的布喇格反射镜,并制作了有机微腔器件,测量和计算了其透射光谱、反射相移和穿透深度,得到了微腔的有效腔长,测量值与实验值吻合较好,验证了该穿透深度公式的正确性.