《1053+nm+ingaas_gaas量子阱高速超辐射发光二极管的制备与性能研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1053+nm+ingaas_gaas量子阱高速超辐射发光二极管的制备与性能研究（124页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 1053 nm InGaAs/GaAs 量子阱高速超辐射发光二极管的制备与性能研究重庆大学博士学位论文学生姓名：段利华指导教师：方 亮 教 授专业：凝聚态物理学科门类：理 学重庆大学物理学院二 O 一五年十月 Fabrication and Characteristics of HighSpeed InGaAs-GaAs Quantum-WellsSuperluminescent Diode Emitting at 1053nmA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement
2、 for theDoctors Degree of ScienceByLiHua DuanSupervised by Prof. Liang FangSpecialty: Condensed Matter PhysicsCollege of Physics of Chongqing University,Chongqing, ChinaOct. 2015 中文摘要摘要超辐射发光二极管(SLD)是一种让自发辐射的光子在给定腔体中传播时受增益增大(以内部单程增益为特征)的光发射器件，其光学性质介于激光器(LD)和发光二极管(LED)之间，具有光谱宽、相干性弱、功率大、效率高等优点，因此，将 105
3、3nm 波段 SLD 应用于惯性约束聚变(ICF)等高能激光系统时，可望获得体积小、受激布里渊散射(SBS)阈值高、光谱输出稳定、调制方便的种子光源。同时，此波段不易被水吸收与色散，在光学相干层析技术(OCT)、光学传感与测量等低相干测试领域也有着广泛的应用前景。1053 nm波段SLD一般采用InGaAs/GaAs量子阱作为有源层。由于In组分高，导致 InGaAs/GaAs 晶格失配大，InGaAs 阱层极易由 2D 层状生长转变为 3D 岛状生长，严重影响 SLD 的性能；同时，SLD 以自发辐射发光为主，载流子寿命偏长，自发辐射响应速度较慢，导致调制带宽较低，不能满足高速器件的需要；此
4、外，为使后续光信号受到的影响小，希望 SLD 输出光谱稳定，而 SLD 输出的光谱呈高斯分布，峰值输出波长易受温度、电流等外部因素影响，因此，还需要研究影响 SLD 光谱稳定性的因素。为此，本文以制备基于大应变 InGaAs/GaAs 量子阱结构的、高速的、输出光谱稳定的 1053 nm SLD 模块为目标，通过器件结构设计、量子阱外延材料制备工艺的优化、器件制作与封装等方面的工作，制备了大应变 In0.34Ga0.66As/GaAs 量子阱脊波导结构 SLD 模块，并对其发光性能、光谱稳定性、散热性能、器件可靠性等进行了研究，获得了发射波长 1053.7 nm、调制带宽 1.7 GHz、管芯
5、输出 6.5 mW的大功率、高速、光谱输出性能稳定的 SLD 器件，实现了预期目标。论文的主要研究内容与成果如下：1) 为实现 1053 nm 发射波长，设计了量子阱厚度为 5.5 nm 的 In0.34Ga0.66As/GaAs 量子阱结构；并基于光场与载流子的限制、晶格匹配、热导率、电阻率、迁移率及提高电光转换效率等方面的分析，设计了波导层和包层材料，其中波导层为组分渐变的 Al Ga As (x=0.20.5)，厚度为 0.2 m；包层材料为 Al Ga As，厚x1-x0.50.5度为 1.3 m。2) 为实现 SLD 管芯输出功率 7 mW、光谱波纹小于 0.2 dB, 设计的脊波导
6、结构为：脊宽 4 m，剩余包层 0.10.3 m，发光区长大于 405 m，弯曲波导吸收区400 m。3）通过优化 MOCVD 的生长温度、生长速度、界面生长的中断时间及应变缓冲层，制备了高质量的 In0.34Ga0.66As/GaAs 量子阱。最优生长条件为：生长温度I 重庆大学博士学位论文550 C、生长速度 8.33 /s、中断时间 3 s，采用 In Ga As 的应变缓冲层可以明0.10.9显改善外延层界面质量。4）利用 MOCVD 生长的外延片，制作了宽条 FP 腔激光器，分析了阈值电流密度、外量子效率与腔长之间的关系，得出其内量子效率h 和内损耗a 分别为 75.8 %ii-1与
7、 4.1 cm 。5）制作了脊波导结构 SLD 芯片，分析了发光区长度、脊波导腐蚀深度、P 面电极面积及 n-AlGaAs 包层掺杂浓度等因素对调制带宽、输出功率及输出光谱的影响。综合考虑调制带宽、输出功率以及光谱特性等因素，确立了器件的最终制备条件：In0.34Ga0.66As/GaAs 双量子阱脊波导结构，脊宽 4 m，脊深 1.5 m，发光区长 700 m。该条件下研制的 SLD 器件，在 100 mA、25下，管芯输出 6.5 mW,单模光纤耦合输出 2.5 mW,发射波长为 1053.7 nm，3 dB 光谱半宽 24 nm，光谱波纹为 0.15 dB，调制带宽为 1.7 GHz。6
8、）分析了 SLD 的输出光谱和输出功率随温度、电流的变化关系。发现：SLD的光谱波纹随温度的升高，以 0.0048 dB/线性减小；连续与脉冲(3 KHz，10 s) 100mA 注入电流作用下，SLD 模块波长的温度漂移系数分别为 0.35 nm/和 0.36nm/，说明 SLD 模块具有良好的散热特性；输出波长随注入电流的漂移系数为0.033 nm/mA，且对温度不敏感；SLD 模块的热阻为 47.81 K/W。最后对 SLD 模块进行了加速寿命老化实验，经过 800 小时的老化，没有出现突然失效或明显的衰减，表明其性能可靠。关键词：超辐射发光二极管，1053 nm，In0.34Ga0.6
9、6As/GaAs，MOCVD，调制带宽II 英文摘要ABSTRACTSuperluminescent diode (SLD) is a kind of device that the spontaneous emissionexperiences stimulated amplification over an extended path (single-pass gain amplification) and,possibly, one mirror reflection, but no feedback is provided. Thus, SLD has intermediateprop
10、erties between the Light emitting diode (LED) and Laser diode (LD). Such as, widespectral width, weak coherence, high power and high efficiency etc. A 1053 nm SLD as a seedsource of inertial confinement fusion (ICF) system gives a good opportunity to get smaller size,higher stimulated Brillouin scat
11、tering (SBS) threshold, easier modulation and broad spectrumand peak wavelength output stabilized than the LD seeded laser. At the same time, it is noteasily absorbed and dispersed by water, so, it also have been used for optical coherencetomography (OCT), optical sensing and measurement, and so on.
12、InGaAs/GaAs quantum well (QW) is used to be active layer of 1053 nm SLD. Due to thehigh mechanical strain in InGaAs QW layer on GaAs, the 2D growth of InGaAs may change to3D, which will lead to rapidly increase the defect number and degrade the SLD performance.And it is difficult to obtain a high mo
13、dulation bandwidth, since the spontaneous emissiondominate the SLD radiance. Its output spectrum is a Gaussian distribution, the peak outputwavelength is very easy to be changed, and it will affect the quality of the optical signal. So, itis also need to study the stability of SLD spectrum.In this p
14、aper, the preparation of 1053 nm SLD based on high strained InGaAs/GaAsquantum well, high speed and stability of the output spectrum. The main contents include thedevice structure design, the optimization of growth contidions and the fabrication and packaging,etc. The high strained In0.34Ga0.66As/Ga
15、As quantum well SLD module with ridged waveguidestructure was fabricated, and the optical properties, spectrum stability, thermal performance anddevice reliability were analyzed. In the end, a 1053.7 nm In0.34Ga0.66As/GaAs double QW SLDwith a -3 dB cutoff frequency of 1.7 GHz is obtained, corresponding to 6.5 mW output power.The main contents and results of this paper are as follows:1) The structure parameters of In Ga As/GaAs QW emitting at 1053 nm were computed,x1-xand the In composition is 0.34, the we
