一维矩形受限光量子阱光传输特性的研究

结合分离变量法和薄膜光学理论推导了一维矩形受限光量子阱的传输矩阵,并分析了一维矩形受限光量子阱结构的传输特性.计算结果表明:相对于非受限光量子阱结构来说,受限光量子阱的带隙和束缚态向高频方向移动,且束缚态的数目也与阱光子晶体的周期数相同.束缚态的频率随模式量子数的增加而线性增加,随矩形边长参量的增加而呈Lorentz函...     

渐变折射率光量子阱对束缚态能级的调整

在对称的均匀电介质材料光子晶体体系中插入另一折射率渐变的光子晶体可构成光量子阱结构.利用时域有限差分法计算了不同折射率分布光量子阱结构的传输谱.研究表明：束缚态是对处于垒光子晶体禁带中的阱光子晶体导通带的离散化,束缚态能级个数等于阱光子晶体结构单元的重复周期数；以渐变方式调整阱区折射率分布,可在特定频率范围内得到新的互不交叠的束缚态.这样在有限的禁带区域可以成倍增加光子束缚态而无需增大光量子阱结构的尺寸,使信道密度最大化、光波有效带宽的使用最优化.这种量子阱结构可用于制作超窄带滤波器和多通道窄带滤波器,有望在光通信超密集波分复用和光学精密测量技术中获得广泛应用. 关键词： 光量子阱 光子束缚态 渐变折射率 光子晶体     

双重势垒一维光子晶体量子阱的光传输特性研究

利用传输矩阵法,研究单势垒和双重势垒一维光子晶体量子阱结构的光传输特性.结果表明:垒层折射率总和大的单势垒光量子阱的透射峰更加精细,内部局域电场更加强;双重势垒光量子阱的透射峰比单势垒光量子阱的透射峰精细,内部局域电场也比单势垒光量子阱的强;随着垒层光子晶体周期数增大,双重势垒光量子阱内部局域电场增强,而且垒、阱层折射率总和之比越大,双重势垒光量子阱的内部局域电场增强速度越快,当双重垒层光子晶体周期数同时增大时,双重势垒量子阱内部局域电场增强速度最快,透射峰越加精细.随着阱层光子晶体周期数的增大,单势垒或双重势垒光量子阱的内部局域电场强度均下降,但透射峰的透射率不随之改变.该特性为设计新型可调高品质的量子光学器件提供指导.     

不同晶格常数光子晶体构成的光量子阱中的共振模

用基于平面波的传输矩阵法分析由具有不同晶格常数的光子晶体材料构成的光量子阱结构中的共振模，发现湮没于垒层的阱层能带分离成共振模，且共振模的数目随阱层的厚度变化而改变。提出一种新型的非对称量子阱结构模型，由2块晶格常数不同的光子晶体材料和夹在光子晶体材料中间作为阱层的均匀介电材料构成，并对其中的共振模进行了分析。指出当阱层厚度达到构成垒层的光子晶体晶格常数的一半时出现一个共振模，若继续小量增加阱层厚度将使共振模频率出现红移。最后给出一种基于平面波的传输矩阵法，且对于不同晶格常数的光子晶体量子阱结构均有效的数值模拟方法，可用于研究由三维光子晶体材料或者色散材料组成的光子晶体量子阱结构。     

左手介质对一维光量子阱透射谱的影响

通过传输矩阵法理论研究左手介质对一维光子晶体量子阱(AB)m(CBAABC)n(BA)m透射谱的影响,结果发现:当C层为双正介质时,光量子阱透射谱中出现2n+1条窄透射峰,当C层为左手介质时,呈现简并现象,光量子阱透射峰中仅出现2n-1条窄透射峰;当C层左手介质折射率负值增大时,光量子阱透射谱向禁带中心两侧移动,同时透射峰快速变窄;当C层左手介质光学厚度负值减小时,光量子阱透射谱向禁带中心靠拢,同时透射峰迅速变窄;光量子阱透射变窄对左手介质光学厚度的响应灵敏度高于对折射率负值的响应。左手介质对光量子阱透射谱特性的影响规律,可为光子晶体理论研究及新型量子光学器件设计提供参考。     

双重势垒一维光子晶体量子阱内部局域电场分布

利用传输矩阵法理论,研究了双重势垒一维光子晶体量子阱(AB)k(CD)m(DCD)n(DC)m(BA)k的内部局域电场.结果表明:双重势垒光量子阱内部分布着很强的局域电场,且越靠近阱中心,局域电场越强;双重势垒光量子阱垒层特别是内垒层和外垒层厚度同时增大时,内部局域电场快速增强,而且阱中心增强最明显;双重势垒光量子阱阱层宽度增大时,越靠近阱中心,局域电场越强,但阱宽按偶数倍增大时阱中心的局域电场不变并保持恒定极大值,而阱宽按奇数倍增大到一定数值后,光量子阱内部局域电场则趋于阱宽按偶数倍增大时的局域电场恒定极大值.该研究可为分析光量子势阱的量子化效应机理和分立透射谱的形成内因,以及量子光学产品的实际设计等提供指导.     

恒定电场下双磁垒结构中的电子输运行为

对磁量子结构中电子在外加恒定电场下的输运性质进行了研究.分别计算了电子隧穿相同磁垒磁阱和不同磁垒磁阱构成的两种磁量子结构的传输概率和电流密度.计算结果表明,在相当宽广的非共振电子入射能区,外加电场下电子的传输概率比无电场时增加.对于电子隧穿相同磁垒磁阱构成的双磁垒结构,共振减弱;对于电子隧穿不同磁垒磁阱构成的双磁垒结构,无电场作用时的非完全共振在适当的偏置电压下转化为完全共振,这时的电子可实现理想的共振隧穿.研究同时表明,磁量子结构中存在着显著的量子尺寸效应和负微分电导.     

载流子导引的折射率变化偏振相关性研究

分析了载流子浓度、张应变量大小、量子阱阱宽和量子阱垒区材料组分对量子阱结构TE模和TM模折射率变化的影响.综合调配以上参数得到1530—1570 nm波长范围内同时具有大的折射率变化量(10^-2量级)和折射率变化低偏振相关(10^-4量级)的量子阱结构.研究表明,不同的调配参数组合可以得到同一波长范围内基本一致的折射率变化谱.     

渐变型量子阱垒层厚度对GaN基双波长发光二极管发光特性调控的研究

采用软件理论分析的方法对渐变型量子阱垒层厚度的InGaN双波长发光二极(LED)的载流子浓度分布、 能带结构、自发发射谱、内量子效率、发光功率及溢出电子流等进行研究.分析结果表明, 增大量子阱垒层厚度会影响空穴在各量子阱的注入情况, 对双波长LED各量子阱中空穴浓度分布的 均衡性及双波长发光光谱的调控起到一定作用,但会导致内量子效率严重下降; 而当以特定的方式从n电极到p电极方向递减渐变量子阱垒层厚度时, 活性层量子阱的溢出电子流 得到有效的控制, 双发光峰强度达到基本一致, 同时芯片的内量子效率下降得到了有效控制, 且具备大驱动电流下较好的发光特性.     

喷淋头高度对InGaN/GaN量子阱生长的影响

在Aixtron 3×2近耦合喷淋式金属有机化学气相沉积反应室中,调节喷淋头与基座之间的距离,制备了7,13,18,25 mm间距的4个InGaN/GaN量子阱样品。利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)对样品表面形貌及界面质量进行了表征。研究表明:随着高度的增加,量子阱的表面粗糙度减少,垒/阱界面陡峭度逐步变差,垒层和阱层厚度及阱层In组分含量减少;增加高度至一定值后,量子阱厚度及In组分趋于稳定。此外,对比垒层和阱层的厚度变化,垒层厚度的变化幅度较阱层更为明显。     

二维光量子阱共振隧穿光谱特性的改善

用时域有限差分法研究了光子晶体量子阱中的量子化能态.研究发现,开腔与闭腔光量子阱结构共振透射峰的数目相同,位置几乎不变,但闭腔光量子阱出射光强更强,透射率更大,频率选择性更好,品质因子Q值更高.同时计算了开腔和闭腔光量子阱光场分布,结果表明,开腔光量子阱为行波阱,闭腔光量子阱为驻波阱,充分证实了闭腔光量子阱更能束缚光场的设想,对其作用机理进行了探讨.     

基于GaAs膜的GaInP/AlGaInP无杂质空位扩散诱导量子阱混杂的研究（英文）

在红光半导体激光器芯片上采用GaAs介质膜进行无杂质空位扩散诱导量子阱混杂研究。激光器芯片的有源区由一个9 nm厚的GaInP量子阱和两个350 nm厚的AlGaInP量子垒构成,利用MOCVD方法在芯片表面生长GaAs介质膜。在950℃的情况下进行不同时长不同GaAs层厚度的高温快速热退火诱发量子阱混杂。通过光致发光光谱分析样品混杂之后的波长蓝移情况和光谱半峰全宽变化规律。当退火时间达到120 s时,样品获得53.4 nm的最大波长蓝移;在1 min退火时间下获得18 nm的最小光谱半峰全宽。     

940 nm垂直腔面发射激光器单管器件的设计与制备

计算了InGaAs/AlGaAs量子阱的激射波长与阱垒厚度的关系,并通过Rsoft软件计算了不同温度下的材料增益特性.计算并分析了渐变层厚度对分布布拉格反射镜(distributed Bragg reflectors,DBRs)势垒尖峰及反射谱的影响,通过传输矩阵理论得到P-DBR和N-DBR的反射谱和相位谱.模拟了垂直腔面发射激光器(vertical surface emitting lasers,VCSEL)结构整体的光场分布,驻波波峰与量子阱位置符合,基于有限元分析模拟了氧化层对电流限制的影响.通过计算光子晶体垂直腔面发射激光器(photonic crystal vertical cavity surface emitting lasers,PC-VCSEL)中不同的模式分布及其品质因子Q,证明该结构可以有效地实现基横模输出.通过光刻、刻蚀、沉积、剥离等半导体工艺成功制备出氧化孔径为22μm的VCSEL和PC-VCSEL,VCSEL的阈值电流为5.2 mA,斜率效率0.67 mW/mA,在不同电流光谱测试中均是明显的多横模输出;PC-VCSEL的阈值电流为6.5 mA,基横模输出...     

p-GaN插入层调控InGaN基黄绿双波长LED发光光谱

采用MOCVD技术在硅衬底上生长了含有7个黄光量子阱和1个绿光量子阱的混合有源区结构的InGaN基黄绿双波长LED外延材料,研究了电子阻挡层前p-GaN插入层厚度对黄绿双波长LED载流子分布及外量子效率(EQE)的影响。通过LED变温电致发光测试系统对LED光电性能进行了表征。结果表明,100 K小电流时随着电流密度的增大,三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值越来越大,且5.5 A·cm^-2的电流密度下,随着温度从300 K逐步降低至100 K,三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值也越来越大,说明其载流子都在更靠近p型层的位置发生辐射复合。三组样品的p-GaN插入层厚度为0,10,30 nm时,EQE峰值依次为29.9%、29.2%和28.2%,呈现依次减小的趋势,归因于p-GaN插入层厚度越大,p型层越远离有源区,空穴注入也越浅。电子阻挡层前p-GaN插入层可以有效减小器件EL光谱中绿光峰随着电流密度增加时峰值波长的蓝移(33 nm),实现了对低温发光光谱的调控。     

InGaN/GaN量子阱垒层和阱层厚度对GaN基激光器性能的影响及机理

采用LASTIP软件研究了InGaN/GaN(In组分为15%)量子阱垒层和阱层厚度对GaN基蓝紫光激光器性能的影响及机理. 模拟计算结果表明, 当阱层太薄或太厚时, GaN基激光器的阈值电流增加、输出功率下降, 最优的阱层厚度为4.0 nm左右; 当阱层厚度太薄时, 载流子很容易泄漏, 而当阱层厚度太厚时, 极化效应导致发光效率降低, 研究还发现, 与垒层厚度为7 nm 相比, 垒层厚度为15 nm时激光器的阈值电流更低、输出功率更高, 因此适当地增加垒层厚度能显著抑制载流子泄漏, 从而改善激光器性能.     

量子阱垒层掺杂变化对双波长LED调控作用研究

采用APSYS软件研究了InGaN/GaN量子阱垒层掺杂变化对双波长 发光二极管发光光谱的调控问题. 在不同掺杂类型和浓度下对器件电子空穴浓度分布、 载流子复合速率、 能带结构、 发光光谱进行分析, 结果表明, 调节量子阱垒层n型和p型的掺杂浓度可以精确而有效地根据需要调控发光光谱, 解决发光光谱调控难的问题. 这些现象归因于掺杂的量子阱垒层对电子空穴分布的调控作用.     

新型金属-多层绝缘介质-金属表面等离子波导结构的传输特性

设计了一种新型金属-多层绝缘介质-金属表面等离子波导结构,利用时域有限差分法对其传输特性进行数值分析。研究了有效折射率和传播长度与中间多层绝缘介质厚度之间的关系,并分析了金属层的角度对该波导结构中场分布的影响。结果表明:当光波从波导结构上方垂直入射时,电磁场被限制在多层介质中的高折射率区,实现了场的耦合传输。多层绝缘介质的厚度均为220 nm时,正六边形金属层结构对应的波导结构的传输性能较为理想。该结构能够实现亚波长尺度的光限制,可以应用于光电子集成和传感器领域。     

GaN垒层厚度渐变的双蓝光波长发光二极管

针对单蓝光波长芯片与Y3Al5O12∶Ce3+黄光荧光粉封装白光发光二极管存在显色性不足的问题,提出了采用双蓝光波长芯片激发Y3Al5O12∶Ce3+黄光荧光粉实现高显色性白光发射法,并分析了其可行性.利用金属有机化学气相沉积系统在(0001)蓝宝石衬底上顺序生长两个In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和两个In0.12Ga0.88N/GaN量子阱的双蓝光波长发光二极管,并对不同GaN垒层厚度的双蓝光波长发光二极管的光电性能进行分析,结果表明沿n-GaN到p-GaN方向减小GaN垒层厚度能实现双蓝光发射,并有较好的发光效率.交流阻抗谱结果显示相关双蓝光波长发光二极管可以用一个电阻Rp与电容Cp并联后与一个Rs串联电路来模拟,GaN垒层变化能调节并联电阻和电容,对串联电阻没有影响.此外,基于垒层减小的双蓝光波长芯片激发Y3Al5O12∶Ce3+荧光粉实现了高显色指数的白光发射.     

基于含单负材料光量子阱结构的全向多通道滤波器

分析了含单负材料的光量子阱结构中的振荡透射模的性质.用两种单负(负介电常量或负磁导率)材料交替周期堆叠形成的两个光子晶体构造了一维光量子阱结构,该结构中仅其中一个光子晶体含有零有效位相带隙.数值计算结果发现,在零有效位相带隙内存在振荡透射模.通过改变井区域光子晶体内单负材料层的厚度及周期数,振荡透射模的数目、频率及频率间隔均可调节.振荡透射模对入射角度的依赖均很弱;随着入射角度的改变,缺陷模频率的相对改变量保持在0.02以下.该研究结果可用于设计多通道全向滤波器.     

一维光子晶体微谐振腔的调谐特性与品质因子

利用传输矩阵法研究了对称结构和非对称结构一维光子晶体微谐振腔的调谐特性和品质因子.研究发现：当缺陷层光学厚度增加时,缺陷模中心波长也会随着增加即向长波方向移动,微谐振腔的调谐特性与缺陷层两边介质的折射率有关;相比于对称结构,非对称结构能在较小的缺陷层光学厚度变化范围内实现较大波长范围的线性调谐;品质因子随缺陷层厚度的增加先增大后减小,在缺陷模中心波长为λ0时可达最大值;高低折射率介质层的排布对微谐振腔品质因子有影响.