半導體激光器輻射效應及影響研究.pdf

1、近年來，隨著航天工業(yè)和核工業(yè)的發(fā)展，光子技術在通信領域的應用越來越受到重視。半導體激光器因為具有體積小、壽命長、功率高、成本低和容易使用等優(yōu)點廣泛應用于光通信系統(tǒng)中，是光通信中的核心器件之一。然而，在具有嚴重輻射的環(huán)境中，半導體激光器的輸出光功率會受到輻射干擾，這種干擾對于通信誤碼率也會產(chǎn)生很大影響。為了降低這種影響可以采取器件加固設計和系統(tǒng)調(diào)節(jié)的方法。因此，一方面可以通過建立輻射對半導體激光器光功率影響的理論模型，深入分析半導體激光器

2、結構參數(shù)以及材料參數(shù)對抗輻射性能的影響，為器件加固設計提供參考；另一方面在此基礎上建立輻射對通信誤碼率影響模型，深入了解輻射對通信誤碼率影響過程及其變化規(guī)律，進而尋找調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)的規(guī)律降低輻射影響。由于輻射對半導體激光器會產(chǎn)生不同作用機理，因此表現(xiàn)出的效果也不同?？傮w來說主要會產(chǎn)生兩種效應，瞬態(tài)電離效應和位移損傷效應，因此光功率模型和誤碼率模型也都受到這兩種效應的影響?；谝陨夏康谋疚闹饕獌?nèi)容包括以下幾方面：
　?。?） LD瞬態(tài)

3、電離效應光學響應模型研究。瞬態(tài)電離效應是輻射導致外層電子電離，并在LD中產(chǎn)生光電流，這種電流與電源注入電流是無差別的，因此進一步導致光功率增加。通過在載流子速率方程中引入電離項，并與光子速率方程聯(lián)立求解，在單模穩(wěn)定激射狀態(tài)下獲得LD瞬態(tài)電離效應光學響應模型。為了證明該模型的正確性，根據(jù)文獻[100]中的參數(shù)進行了計算，并與實驗結果進行了比對，結果表明理論計算結果與文獻實驗結果相符，從而驗證了該模型的正確性。在此基礎上定義了光學增益因子，

4、該因子表征了該類型LD光功率對電離效應的敏感程度，它是由激光器本身微觀結構、材料參數(shù)決定。并且進一步分析了輸出鏡反射率以及有源層厚度對光學增益因子的影響，該結果可為器件加固設計提供參考。
　　（2） LD總劑量效應光學響應模型研究。該部分包含兩部分內(nèi)容：首先推導了位移效應光學響應模型，并獲得了光功率衰減因子的微觀參數(shù)表達式；其次建立了半導體激光器輻射效應綜合光學響應模型。
　　利用O. Gilard的半導體激光器閾值載流子密

5、度輻射損傷模型，從載流子速率方程和光子速率方程入手，獲得了LD位移效應光學響應模型，在此基礎上給出了光功率衰減因子表達式。與Y. H. Zhao等人的衰減因子不同的是，該衰減因子表達式包含了材料、結構參數(shù)，可為器件加固設計提供更為直接的參考。在此基礎上，分析了輸出鏡反射率以及諧振腔長度對該因子的影響。并采用1550nm激光器進行了輻射效應驗證實驗，實驗結果驗證了該模型的正確性。
　　輻射對半導體激光器光功率的總體影響應該是瞬態(tài)電離

6、效應和位移效應綜合作用的結果。因此，在綜合考慮了瞬態(tài)電離效應的光電流增加因素和位移效應的閾值電流密度衰減因素的基礎上，獲得了LD輻射效應綜合光學響應模型。由于該模型考慮了綜合作用結果，因此更具有實際應用價值。
　?。?）半導體激光器輻射效應對通信誤碼率的影響及改善方法研究
　　分別分析了半導體激光器瞬態(tài)電離效應光學響應和位移效應光學響應對通信誤碼率的影響。
　　首先，利用美國大氣海洋局發(fā)布的空間高軌輻射環(huán)境數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得

7、到高軌環(huán)境劑量率概率密度函數(shù)近似符合高斯模型。該模型為計算空間高軌電離效應影響打下基礎。其次，在考慮入射光功率隨機變化和接收機高斯噪聲的雙重影響下，獲得了誤碼率的計算模型。并根據(jù)該模型仿真研究了LD瞬態(tài)電離效應光學效應對誤碼率的影響。再次，將輻射對LD光功率衰減因素引入到誤碼率計算方程中，建立了LD位移效應光學響應對誤碼率影響計算模型。并選用典型系統(tǒng)的參數(shù)進行了仿真分析。在此基礎上，為了降低輻射對誤碼率的影響，討論了閾值、消光比、探測器