InP基InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱激光器的子带跃迁计算

采用有效质量模型下的4×4 Luttinger-Kohn哈密顿量矩阵对In0.53Ga0.39Al0.08As/InxGa1-xAs0.9Sb0.1量子阱结构的能带进行了计算。求得了C1-HH1跃迁波长随In组分及阱宽的变化关系,并采用力学平衡模型计算了此应变材料体系在生长时的临界厚度。结果表明,在结构设计和材料生长中采用合适的材料组分和阱宽,在InP基InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱激光器中能够实现1.6～2.5 μm近中红外波段的激射波长。     

InGaAsSb/AlGaAsSb长波长多量子阱激光器有源区的优化设计

系统地研究了波长为2.7μm的InGaAsSb/AlGaAsSb多量子阱激光器中有源区的优化设计.分别用含应变势的6带KP模型和抛物带模型计算价带和导带的能带结构，并得到薛定谔方程和泊松方程的自洽解，由此计算量子阱在载流子注入时的增益谱.研究表明制约量子阱增益的主要因素不是跃迁矩阵元，而是粒子数反转程度，尤其是空穴填充HH1子带的概率.增加压应变或减小阱宽都会提高量子阱增益.前者降低了价带HH1子带空穴的平面内有效质量；后者拉大了价带子带间距，尽管它同时略微增加了空穴有效质量.这两种因素都导致价带顶空穴态     

InGaAsSb／AIGaAsSb长波长多量子阱激光器有源区的优化设计

系统地研究了波长为2．7μm的InGaAsSb／AlGaAsSb多量子阱激光器中有源区的优化设计，分别用含应变势的6带KP模型和抛物带模型计算价带和导带的能带结构，并得到薛定谔方程和泊松方程的自洽解，由此计算量子阱在载流子注入时的增益谱，研究表明制约量子阱增益的主要因素不是跃迁矩阵元，而是粒子数反转程度，尤其是空穴填充HHl子带的概率，增加压应变或减小阱宽都会提高量子阱增益，前者降低了价带HHl子带空穴的平面内有效质量；后者拉大了价带子带间距，尽管它同时略微增加了空穴有效质量，这两种因素都导致价带顶空穴态密度的降低，提高了空穴在HHl子带的填充概率，最终提高了量子阱的增益，所得结论与已有的实验报道相符。     

应变量子阱激光器阱宽与组分的确定和增益特性的理论研究

本文根据一维势阱和应变效应的简单理论,给出一种既简单又较准确的确定量子阱的组分和阱宽的方法。并且,针对较为常用的波长为1.3μm的InGaAs/InGaAsP材料以及最新兴起的InAsP/In材料应变量子阱激光器,利用该方法得到了组分和量子阱阱宽。再根据这些参数,利用变分法计算了量子阱的能带结构和二维电子气状态密度。然后,在选取不同的线形函数的情况下分别计算了对应于不同的注入载流予浓度时的这两种激光器的线性增益和微分增益。     

(001)和(111)取向的张应变量子阱光学特性的比较

以(001)和(111)价带Lutinger-Kohn哈密顿量为基础,讨论了这两种取向的量子阱的能带结构、态密度(DOS)、跃迁矩阵元和增益特性。由于材料结构的各向异性,(111)取向的量子阱在平行生长面内有较小的重空穴有效质量,无应变和压应变激光器可以很好地利用这一点。而(001)取向的量子阱虽有较小的平面内轻空穴有效质量,但并不比(111)量子阱的小多少;加上(001)量子阱的价带耦合效应强,使其DOS比(111)量子阱的大,在相同载流子注入下,张应变(111)量子阱的增益系数比相应(001)量子阱的要高。所以张应变(111)量子阱激光器仍然比相应的(001)量子阱激光器性能要好。可以认为匹配和压应变的(111)激光器优异的性能不仅来自小的面内有效质量,也来自于弱的价带耦合效应。     

852 nm半导体激光器InGaAlAs、InGaAsP、 InGaAs和GaAs量子阱的温度稳定性

为了提高852 nm半导体激光器的温度稳定性,理论计算了InGaAlAs、InGaAsP、InGaAs和GaAs量子阱的增益,模拟对比并研究了不同量子阱的增益峰值和峰值波长随温度的漂移。结果显示,采用In_0.15Ga_0.74-Al_0.11As作为852 nm半导体激光器的量子阱可以使器件同时具有较高的增益峰值和良好的温度稳定性。使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长了压应变In_0.15Ga_0.74Al_0.11As单量子阱852 nm半导体激光器,实验测得波长随温度漂移的数值为0.256 nm/K,实验测试结果验证了理论计算结果。     

近800nm波长张应变GaAsP/A1GaAs量子阱激光器有源区的设计

张应变GaAs_(1-x)P_x量子阱是高性能大功率半导体激光器的核心有源区,基于能带结构分析优化其结构参数具有重要的应用指导意义.首先,基于6×6 Luttinger-Kohn模型,采用有限差分法计算了张应变GaAs_(1-x)P_x量子阱的能带结构,得到了第一子带间跃迁波长固定为近800 nm时的阱宽-阱组分关系,即随着阱组分x的增加,需同时增大阱宽,且阱宽较大时靠近价带顶的是轻空穴第一子带lh_1,阱宽较小时靠近价带顶的是重空穴第一子带hh_1.计算并分析了导带第一子带c_1到价带子带lh_1和hh_1的跃迁动量矩阵元.针对808 nm量子阱激光器,模拟计算了阈值增益与阱宽的关系,得到大阱宽有利于横磁模激射,小阱宽有利于横电模激射.进一步考虑了自发辐射和俄歇复合之后,模拟计算了808 nm量子阱激光器的阱宽与阈值电流密度的关系,阱宽较大时载流子对高能级子带的填充使得阈值电流密度增加,而阱宽较小时则是低的有源区光限制因子导致阈值电流密度升高,因此存在一最佳的阱宽-阱组分组合,可使阈值电流密度达到最小.本文的模拟结果可对张应变GaAs_(1-x)P_x量子阱激光器的理论分析和结构设计提供理论指导.     

InGaAs(S)/InP应变量子阱能带计算和有源区材料的选择

本文利用K·P能带理论和形变势模型计算了应变对量子阱结构能带及能级的影响,提出了在压缩应变情况下,当固定发射波长时,利用InGaAsP做阱材料可对应变大小和阱宽进行独立控制,克服了应变较大时InGaAs阱材料阱宽较窄的困难。在伸张应变情况下,利用InGaAs做有源区较为合适。     

InGaAs(S)/InP应变量子阱能带计算和有源区材料的选择

本文利用K·P能带理论和形变势模型计算了应变对量子阱结构能带及能级的影响,提出了在压缩应变情况下,当固定发射波长时,利用InGaAsP做阱材料可对应变大小和阱宽进行独立控制,克服了应变较大时InGaAs阱材料阱宽较窄的困难。在伸张应变情况下,利用InGaAs做有源区较为合适。     

近800 nm波长张应变GaAsP/AlGaAs量子阱激光器有源区的设计

张应变GaAs_1-xP_x量子阱是高性能大功率半导体激光器的核心有源区,基于能带结构分析优化其结构参数具有重要的应用指导意义.首先,基于6×6 Luttinger-Kohn模型,采用有限差分法计算了张应变GaAs_1-xP_x量子阱的能带结构,得到了第一子带间跃迁波长固定为近800 nm时的阱宽-阱组分关系,即随着阱组分x的增加,需同时增大阱宽,且阱宽较大时靠近价带顶的是轻空穴第一子带lh₁,阱宽较小时靠近价带顶的是重空穴第一子带hh₁.计算并分析了导带第一子带c₁到价带子带lh₁和hh₁的跃迁动量矩阵元.针对808 nm量子阱激光器,模拟计算了阈值增益与阱宽的关系,得到大阱宽有利于横磁模激射,小阱宽有利于横电模激射.进一步考虑了自发辐射和俄歇复合之后,模拟计算了808 nm量子阱激光器的阱宽与阈值电流密度的关系,阱宽较大时载流子对高能级子带的填充使得阈值电流密度增加,而阱宽较小时则是低的有源区光限制因子导致阈值电流密度升高,因此存在一最佳的阱宽-阱组分组合,可使阈值电流密度达到最小.本文的模拟结果可对张应变GaAs_1-xP_x量子阱激光器的理论分析和结构设计提供理论指导.     

固定波长应变量子阱的设计与比较

针对lnGaAsP材料,我们比较了不同应变与阱宽组合的固定波长应变量子阱特性.压应变下量子阱的应变量越大,阱宽越窄,其能带结构越理想.张应变下主要由于电子与轻空穴的偶极矩阵元比电子与重空穴的大,以及其较大的态密度,使得张应变量子阱的微分增益比压应变和匹配量子阱的大得多.如果固定的张应变量只能使第一子带为LH,第二子带为HH,则存在一个最优的阱宽,阱宽太小不能消除LHI与HH2的耦合,阱宽太大又会带来LH3与HH2的耦合,同样会有不利影响.     

基于两端自发荧光辐射的808nm半导体激光器增益偏振特性实验表征和能带分析

通过半导体激光器两端的放大自发荧光辐射可以获取器件的光学增益信息. 本文利用这一新的增益实验测量方法, 开展了对连续运行的808nm GaAs/AlGaAs量子阱激光器横向电场 (TE)与磁场(TM)偏振增益特性的实验研究. 通过将实验结果与理论增益曲线对比, 分析了非应变GaAs量子阱TE和TM极化偏振对应的空穴子能带随注入电流的变化规律, 以及激光器在连续运行状态下的实际增益状态和影响因素. 关键词： 半导体激光器 增益测量 偏振 量子阱和能带     

AlInGaAs/AlGaAs垂直腔面发射激光器温度特性的对比研究

通过测量、对比材料生长和器件制备条件基本相似，但是谐振腔腔模波长与增益峰值波长相对位置明显不同的两类氧化物限制型应变AlInGaAs/AlGaAs量子阱垂直腔面发射激光器(VCSEL)在261—369K温度范围内输出光功率-电流的变温曲线，同时结合测试得到的两类样品的白光反射谱、光荧光谱以及模拟计算得到的不同温度下VCSEL反射谱和增益谱，分析了输出光功率、阈值电流、斜率效率和激射波长随温度变化的关系，掌握了新材料AlInGaAs的温度特性，得到了谐振腔腔模波长和增益峰值波长的相对位置对VCSEL输出特性，尤其是对阈值的影响规律，指出获得室温工作阈值最低且稳定的VCSEL的一个方法是调整谐振腔腔模波长和增益峰值波长的相对位置，并利用这种方法获得了特征温度T₀=333K的AlInGaAs/AlGaAs量子阱VCSEL器件. 关键词： AlInGaAs 垂直腔面发射激光器 特征温度     

金属有机化学气相外延生长1310nm偏振无关混合应变量子阱半导体光放大器研究

采用低压金属有机化学气相外延设备进行了1.3μm压应变量子阱材料、张应变量子阱材料和混合应变量子阱材料的生长研究.通过x射线双晶衍射和光致发光谱对生长材料进行测试和分析.基于四个压应变量子阱和三个张应变量子阱交替生长的混合应变量子阱（4CW3TW）结构有源区，并采用7°斜腔脊型波导结构以有效抑制腔面反射，经蒸镀减反膜后，半导体光放大器光纤光纤小信号增益达21.5dB，在1280—1340nm波长范围内偏振灵敏度小于0.6dB. 关键词： 偏振无关 应变量子阱 半导体光放大器 减反膜     

固定波长应变量子阱的设计与比较

针对ｌｎＧａＡｓＰ材料，我们比较了不同应变与阱宽组合的固定波长应变量子阱特性压应变下量子阱的应变量越大，阱宽越窄，其能带结构越理想张应变下主要由于电子与轻空穴的偶极矩阵元比电子与重空穴的大，以及其较大的态密度，使得张应变量子阱的微分增益比压应变和匹配量子阱的大得多如果固定的张应变量只能使第一子带为ＬＨ，第二子带为ＨＨ，则存在一个最优的阱宽，阱宽太小不能消除ＬＨＩ与ＨＨ２的耦合，阱宽太大又会带来ＬＨ３与ＨＨ２的耦合，同样会有不利影响     

In组分渐变提高InGaN/GaN多量子阱发光二极管发光性能

利用金属有机物化学气相沉积系统在蓝宝石衬底上通过有源层的变温生长,得到In组分渐变的量子阱结构,从而获得具有三角形能带结构的InGaN/GaN多量子阱发光二极管(LED)(简称三角形量子阱结构LED).变温光致发光谱结果表明,相对于传统具有方形能带结构的量子阱LED(简称方形量子阱结构LED),三角形量子阱结构有效提高了量子阱中电子和空穴波函数的空间交叠,从而增加了LED的内量子效率;电致发光谱结果表明,三角形量子阱结构LED器件与传统结构LED器件相比,明显改善了发光峰值波长随着电流的蓝移现象.通过以上     

温度对InP激光器波长蓝移影响的分析

对AlGaInAs多量子阱FP TO-56半导体激光器在不同环境温度、相同发热量下测量出光波长的变化来分析器件波长温度变化系数;并对器件在室温、不同发热功率下的出光波长变化进行测量,分析计算得到器件热阻为183K/W.接着对器件进行不同高温应力试验,结果显示:环境温度从120℃增加至220℃时,器件峰值波长发生缓慢蓝移;当环境温度达到225℃时,器件波长发生明显蓝移,从试验前1 297nm蓝移至1 265nm;温度继续增加至235℃,波长蓝移至1 258nm,同时光谱模式间隔从试验前0.92nm降低至0.84nm,即模式有效折射率从3.66增加至3.77;温度继续增加至240℃,器件失效无光.其主要原因可能为:高温应力下,激光器外延材料中波导层、量子阱量子垒中的Al、Ga、In金属元素往有源区方向迁移使得量子阱有效禁带宽度以及有源区波导折射率增大.该试验结果为进一步分析器件高温下器件的失效机理以及改善器件高温性能提供试验基础.     

1.55μm AlGaInAs-InP偏振无关半导体光放大器及其温度特性研究

采用低压金属有机气相外延 (LP MOCVD)设备生长并制作了 1 5 5 μmAlGaInAs InP偏振无关半导体光放大器 ,有源区为 3周期的张应变量子阱结构 ,应变量为 0 35 % ;器件制作成脊型波导结构 ,并采用 7°斜腔结构以有效抑制腔面反射 ;经蒸镀减反膜后 ,半导体光放大器的自发辐射功率的波动小于 0 3dB ,3dB带宽为 5 0nm ,半导体光放大器小信号增益近 2 0dB ,带宽亦为 5 0nm .在 1 5 30— 1 5 80nm波长范围内偏振灵敏度小于 0 5dB ,峰值增益波长的饱和输出功率达 7dBm ;器件增益随温度的升高而减小 ,当器件工作温度从 2 5℃升高至 6 5℃时 ,增益降低小于 3dB .     

N型掺杂应变Ge发光性质

应变锗材料具有准直接带特性,而且与标准硅工艺兼容,成为实现硅基发光器件重要的候选材料之一.本文基于vandeWalle形变势理论,计算了应变情况下半导体Ge材料的能带结构以及载流子在导带中的分布;通过分析载流子直接带和间接带间的辐射复合以及俄歇复合、位错等引起的非辐射复合的竞争,计算了N型掺杂张应变Ge材料直接带跃迁的内量子效率和光增益等发光性质.结果表明,张应变可有效增强Ge材料直接带隙跃迁发光.在1.5%张应变条件下,N型掺杂Ge的最大内量子效率可以达到74.6%,光增益可以与III-V族材料相比拟.     

1.3μm偏振无关半导体光放大器单片集成模斑变换器

用金属有机化学气相外延生长并制作了 1.3μm脊型波导偏振无关半导体光放大器集成模斑变换器 ,器件有源区为同时采用压应变量子阱和张应变量子阱的混合应变量子阱结构以获得TE和TM偏振模式的增益平衡 ,模斑变换器采用一种新型脊型侧向锥形波导结构 ;集成模斑变换器的半导体光放大器远场发散角为 12°× 15° ,接近圆形光斑 ,与平头标准单模光纤耦合损耗为 - 2 .6dB ,在水平和垂直方向上的 - 1dB耦合对准容差分别为± 2 .3μm和± 1.6 μm ;在 2 0 0mA偏置电流下 ,半导体光放大器小信号增益近 2 4dB ,在 12 80～ 1340nm波长范围内偏振灵敏度小于 0 .6dB。