垂直腔面發(fā)射激光器高速調(diào)制特性研究.pdf

1、垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，縮寫為 VCSEL)在半導(dǎo)體激光器歷史中發(fā)展雖然較晚，但是憑借其多方面的優(yōu)勢，自問世以來便躋身于光通訊、光互聯(lián)、光交換、光存儲以及光打印等諸多領(lǐng)域并在其中發(fā)揮著重要的作用。與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器相比，VCSEL最特別之處是發(fā)射的光束垂直于襯底，而非傳統(tǒng)的側(cè)面發(fā)射。 隨著信息化的深入，光通信對速度和帶寬都提出了更高的要求。IEEE于20

2、02年就已提出速度為10Gb/s的802.3ae以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在高速局域網(wǎng)中，具有眾多優(yōu)點的VCSEL成為最有前途的光源之一，極具市場前景和重大社會意義。另外，在光互聯(lián)中，數(shù)字通信光開關(guān)、路由器、高性能的多處理器系統(tǒng)、系統(tǒng)、芯片間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)葘捄退俾实囊笠彩浅掷m(xù)增長，廉價、高速、低功耗、可密集集成和高可靠性的VCSEL，已成為首選光源。 然而，由于自身結(jié)構(gòu)的特殊性，對這種新興的優(yōu)良器件而言，許多問題仍然迫待解決。對于直

3、接調(diào)制的量子阱激光器，主要涉及到載流子的電注入，及其在有源區(qū)內(nèi)部的輸運，以及其受激復(fù)合產(chǎn)生光子等過程，光子經(jīng)過特定的時間周期離開光腔激射，這一過程中的任何物理延遲都會影響到激光器的高速特性。此外，VCSEL器件結(jié)構(gòu)所寄生的電阻和電容也會對其高速調(diào)制特性產(chǎn)生重要影響。因此，為了更好的提高垂直腔面發(fā)射激光器的實用性能，必須對其高速調(diào)制方面的內(nèi)容進(jìn)行研究。 本論文在國家“973”項目(批準(zhǔn)號：2006CB604902)和國家自然科學(xué)基

4、金(批準(zhǔn)號：60506012)等項目支持下，針對980、850nm內(nèi)腔接觸式氧化物限制型VCSEL的高速調(diào)制特性，進(jìn)行了深入的實驗研究和理論探索，最終成功地歸納了VCSEL高速調(diào)制方面的相關(guān)概念，對多量子阱系統(tǒng)和隧道再生多有源區(qū)建立了可以較全面的描述載流子在量子阱中的俘獲、逃逸和隧穿等輸運過程的多層速率方程模型。得到光子密度，載流子俘獲-逃逸-隧穿時間等關(guān)鍵因素對垂直腔面發(fā)射激光器高速調(diào)制特性的影響，并對器件結(jié)構(gòu)的寄生參數(shù)進(jìn)行了分析與模

5、擬，為VCSEL器件性能、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)，提出了一種新型高速調(diào)制VCSEL器件結(jié)構(gòu)。 本論文的具體研究工作概括如下： 1、分析、總結(jié)VCSEL量子阱有源區(qū)和器件寄生參數(shù)等內(nèi)外兩方面因素對VCSEL高速特性產(chǎn)生影響的基本理論。對內(nèi)部有源區(qū)的載流子輸運過程、光子微分增益、空間燒孔、多橫模耦合、溫度等因素對于VCSEL高速調(diào)制的影響進(jìn)行了分析。 2、通過理論分析，建立適用于多量子阱VCSEL的多層速率方

6、程模型。在理論與實驗基礎(chǔ)上，對器件進(jìn)行小信號分析，研究光子密度，載流子俘獲、逃逸和隧穿時間等關(guān)鍵參數(shù)對VCSEL頻率響應(yīng)特性的影響。對內(nèi)腔接觸式氧化物限制型VCSEL器件的小信號調(diào)制特性進(jìn)行測量，通 過調(diào)整器件輸出光功率，驗證理論計算結(jié)果的正確性。 3、在單有源區(qū)速率方程基礎(chǔ)上，建立適用于隧道再生量子阱多有源區(qū)VCSEL的多層速率方程模型。通過計算，研究小信號下光子密度、載流子俘獲、逃逸和隧穿時間等參數(shù)對隧道再生雙有源區(qū)

7、VCSEL頻率響應(yīng)特性的影響，并和單有源區(qū)VCSEL器件結(jié)果進(jìn)行對比分析。 4、對內(nèi)腔接觸式氧化限制型VCSEL的寄生電阻和電容進(jìn)行估算，并對其組成的寄生電路進(jìn)行高頻信號的頻率響應(yīng)模擬，通過模擬結(jié)果分析，提出一種新型高速調(diào)制內(nèi)腔接觸式氧化物限制型VCSEL器件結(jié)構(gòu)，并對新型器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝可行性分析。 5、通過理論分析，建立了內(nèi)腔接觸式氧化物限制型VCSEL器件的注入電流在氧化孔徑中的分布模型，計算并分析不同孔徑下注入電