垂直腔面发射激光器高速调制特性研究

摘要

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，缩写为 VCSEL)在半导体激光器历史中发展虽然较晚，但是凭借其多方面的优势，自问世以来便跻身于光通讯、光互联、光交换、光存储以及光打印等诸多领域并在其中发挥着重要的作用。与传统的边发射激光器相比，VCSEL最特别之处是发射的光束垂直于衬底，而非传统的侧面发射。 随着信息化的深入，光通信对速度和带宽都提出了更高的要求。IEEE于2002年就已提出速度为10Gb/s的802.3ae以太网标准，尤其是在高速局域网中，具有众多优点的VCSEL成为最有前途的光源之一，极具市场前景和重大社会意义。另外，在光互联中，数字通信光开关、路由器、高性能的多处理器系统、系统、芯片间的数据传输等对带宽和速率的要求也是持续增长，廉价、高速、低功耗、可密集集成和高可靠性的VCSEL，已成为首选光源。 然而，由于自身结构的特殊性，对这种新兴的优良器件而言，许多问题仍然迫待解决。对于直接调制的量子阱激光器，主要涉及到载流子的电注入，及其在有源区内部的输运，以及其受激复合产生光子等过程，光子经过特定的时间周期离开光腔激射，这一过程中的任何物理延迟都会影响到激光器的高速特性。此外，VCSEL器件结构所寄生的电阻和电容也会对其高速调制特性产生重要影响。因此，为了更好的提高垂直腔面发射激光器的实用性能，必须对其高速调制方面的内容进行研究。 本论文在国家“973”项目(批准号：2006CB604902)和国家自然科学基金(批准号：60506012)等项目支持下，针对980、850nm内腔接触式氧化物限制型VCSEL的高速调制特性，进行了深入的实验研究和理论探索，最终成功地归纳了VCSEL高速调制方面的相关概念，对多量子阱系统和隧道再生多有源区建立了可以较全面的描述载流子在量子阱中的俘获、逃逸和隧穿等输运过程的多层速率方程模型。得到光子密度，载流子俘获-逃逸-隧穿时间等关键因素对垂直腔面发射激光器高速调制特性的影响，并对器件结构的寄生参数进行了分析与模拟，为VCSEL器件性能、结构的优化提供了一定的理论依据，提出了一种新型高速调制VCSEL器件结构。 本论文的具体研究工作概括如下： 1、分析、总结VCSEL量子阱有源区和器件寄生参数等内外两方面因素对VCSEL高速特性产生影响的基本理论。对内部有源区的载流子输运过程、光子微分增益、空间烧孔、多横模耦合、温度等因素对于VCSEL高速调制的影响进行了分析。 2、通过理论分析，建立适用于多量子阱VCSEL的多层速率方程模型。在理论与实验基础上，对器件进行小信号分析，研究光子密度，载流子俘获、逃逸和隧穿时间等关键参数对VCSEL频率响应特性的影响。对内腔接触式氧化物限制型VCSEL器件的小信号调制特性进行测量，通 过调整器件输出光功率，验证理论计算结果的正确性。 3、在单有源区速率方程基础上，建立适用于隧道再生量子阱多有源区VCSEL的多层速率方程模型。通过计算，研究小信号下光子密度、载流子俘获、逃逸和隧穿时间等参数对隧道再生双有源区VCSEL频率响应特性的影响，并和单有源区VCSEL器件结果进行对比分析。 4、对内腔接触式氧化限制型VCSEL的寄生电阻和电容进行估算，并对其组成的寄生电路进行高频信号的频率响应模拟，通过模拟结果分析，提出一种新型高速调制内腔接触式氧化物限制型VCSEL器件结构，并对新型器件结构进行工艺可行性分析。 5、通过理论分析，建立了内腔接触式氧化物限制型VCSEL器件的注入电流在氧化孔径中的分布模型，计算并分析不同孔径下注入电流的分布情况和均匀性以及有源区注入载流子分布对器件模式和高速调制特性的影响。 通过本论文的工作，全面完成了国家“973”和国家自然科学基金等科研任务中VCSEL高速调制方面的研究工作，共发表论文3篇，以第一作者发表论文2篇，其中SCI收录一篇，已经被《物理学报》收录，EI收录一篇，已被《中国激光》收录。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 VCSEL的发展过程

1.2 VCSEL的优点和缺点

1.3高速VCSEL的研究现状及主要应用

1.3.1 VCSEL的研究现状及主要应用

1.3.2高速VCSEL的研究现状

1.4高速VCSEL研究中存在的问题及解决方案

1.4.1高速VCSEL研制中存在的问题

1.4.2解决方法

1.5本论文的研究工作

第2章垂直腔面发射激光器高速特性的理论基础

2.1有源区内部对VCSEL高速特性的影响

2.1.1有源区载流子输运对VCSEL高速特性的影响

2.1.2有源区微分增益对VCSEL高速特性的影响

2.1.3有源区温度对VCSEL高速特性的影响

2.1.4模式耦合对VCSEL高速特性的影响

2.2器件寄生参数对VCSEL高速特性的影响

2.2.1 VCSEL寄生电阻的分析

2.2.2 VCSEL寄生电容的分析

2.2.3 VCSEL寄生电路的分析

2.3其他因素对VCSEL高速特性的影响

2.3.1器件结构对VCSEL高速特性的影响

2.3.2光子寿命对VCSEL高速特性的影响

2.3.3注入电流对VCSEL高速特性的影响

2.4本章小结

第3章垂直腔面发射激光器高速特性模拟与测试

3.1量子阱有源区载流子输运理论

3.1.1量子阱有源区载流子俘获过程

3.1.2量子阱有源区载流子逃逸过程

3.1.3量子阱有源区载流子隧穿过程

3.2量子阱有源区多层速率方程模型

3.3量子阱有源区多层速率方程小信号分析

3.3.1光子密度对量子阱有源区调制带宽的影响

3.3.2载流子俘获时间对量子阱有源区调制带宽的影响

3.3.3载流子逃逸时间对量子阱有源区调制带宽的影响

3.3.4载流子隧穿时间对量子阱有源区调制带宽的影响

3.4内腔接触氧化物限制VCSEL高速调制特性测量

3.4.1 980nm内腔接触氧化物限制VCSEL调制特性测量

3.4.2 850nm内腔接触氧化物限制VCSEL调制特性测量

3.5本章小结

第4章隧道再生双有源区垂直腔面发射激光器高速特性模拟

4.1隧道再生双有源区垂直腔面发射激光器介绍

4.1.1隧道再生双有源区垂直腔面发射激光器结构

4.1.2隧道结结构

4.1.3隧道再生双有源区垂直腔面发射激光器性能

4.2隧道再生双有源区多层速率方程模型

4.2.1隧道再生双有源区载流子输运理论

4.2.2隧道再生双有源区多层速率方程模型

4.3隧道再生双有源区多层速率方程小信号分析

4.4本章小结

第5章高速垂直腔面发射激光器优化结构及其关键工艺研究

5.1内腔接触式氧化物限制型VCSEL介绍

5.2内腔接触式氧化物限制型VCSEL寄生参数计算

5.2.1内腔接触式氧化物限制型VCSEL串联电阻计算

5.2.2内腔接触式氧化物限制型VCSEL寄生电容计算

5.2.3内腔接触式氧化物限制型VCSEL寄生电路模拟

5.3高速VCSEL的新型优化结构

5.4高速VCSEL新型优化结构的关键工艺研究

5.4.1氧化工艺

5.4.2平坦化工艺

5.5本章小结

第6章内腔接触式氧化物限制型垂直腔面发射激光器注入电流特性分析

6.1内腔接触式氧化物限制型VCSEL注入电流对器件的影响

6.1.1注入电流对VCSEL模式特性的影响

6.1.2注入电流拥挤对VCSEL高速调制特性的影响

6.2内腔接触式氧化物限制型VCSEL电流分布理论模型

6.3内腔接触式氧化物限制型VCSEL电流分布计算结果

6.3.1氧化孔径对VCSEL电流分布的影响

6.3.2注入电流对VCSEL电流分布的影响

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢