基于结构的量子点光放大器的增益特性

摘要

本文介绍了一种基于QDQW结构的半导体光放大器，并且从载流子速率方程出发，建立了一个QDQW能级结构中的载流子动力学模型。该模型包括了载流子在有源区内跃迁和复合等多种运动过程，能够清晰地展现出QDQW光放大器的性能与器件参数的相关性。模拟结果表明，合理地设计QDQW能级结构，可以使这种光放大器具有高增益、高输出光强，低温度依赖性、低增益回复时间等一系列优点，因此本文对光放大器的设计具有一定的指导意义。 本文第一章介绍了半导体光放大器的基本原理和结构，并对光放大器产生增益的条件、增益谱宽、增益饱和等问题做了相应讨论。半导体光放大器的应用前景在第一章的最后也做了简单描述。 由于量子点的态密度分布则为一系列δ函数，理论上讲，零维量子点材料的性能比量子阱材料更具有优越性。以量子点为有源区的光电设备将具有更低的阈值电流、更高的特征温度和微分增益。因此在第二章详细介绍了可用于光放大器有源区的量子点材料的性质。然后介绍了S-K生长法和亚单层沉积法这两种应变自组装量子点材料的制备方式以及目前常用的几种检测量子点材料的方式。最后还介绍了最近几年基于量子点材料的器件，例如QDLaser，QDDetector和QDSOA的研究进展。 在第三章详细讨论了在三种维度的半导体材料中载流子的跃迁、逃逸以及复合等运动过程，以及载流子运动对光放大器增益的影响。并且从载流子速率方程入手，建立了QDQW有源区的三能级模型。模型包括了载流子在有源区内跃迁、被俘获和复合等多种运动过程，同时根据实际情况进行了一系列合理近似和简化。模拟了注入电流强度、入射光强、环境温度和QDQW能级结构对载流子逃逸时间、量子点导带电子占有率、光放大器增益、最大输出光强和增益回复时间等放大器工作参数的影响。数值模拟的结果表明：QDQW结构中多层量子点的设计能够有效地提高放大器增益和最大输出光强。具有5个量子点层的QDQW光放大器，其增益比3层量子点光放大器高50％以上，其最大输出光强也超过了20dBm。量子点基态与量子阱的能级差为120—160meV之间时，可以使这种光放大器具有较高的增益，而能级差处于150meV左右时，光放大器的增益恢复时间可低至0.5×10-12s以下，这为实现处理速率为1000GHz量级的光放大器建立了理论基础。

目录

文摘

英文文摘

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第一章半导体光放大器的基本原理

第二章量子点材料的基本性质

第三章QDQW光放大器的增益特性

第四章结论

参考文献

附录 文中使用的光放大器参数

在学期间发表的学术论文

致谢