InAs/GaAs量子点生长及两段式半导体光放大器研制

论文摘要

经过近半个世纪的发展,半导体光放大器(SOA)在光电子器件和光通信领域内已经得到了广泛的研究和应用,体材料SOA和量子阱SOA都已经实现了商品化生产。但是由于体材料SOA自身性能的限制,没有在光通信系统中得到大规模使用。低维纳米材料特别是量子点材料是当前国际研究热点,受到了广泛的关注和重视。为了提高SOA的性能,增强其在光通信系统中使用的灵活性,本文研制了新型低维纳米结构两段式量子阱SOA,测试了SOA器件性能,并对基于交叉增益的两段式SOA波长转换器进行了模拟仿真；本文还对量子点和量子点分子的金属有机化合物气相沉积(MOCVD)生长及其光学性质进行了研究。具体研究内容如下：(1)成功研制了两段式量子阱SOA。在InP衬底上,采用MOCVD设备生长了混合应变InGaAsP量子阱有源区和SOA其他结构,并对生长材料进行了测试分析。成功制作了两段式量子阱SOA,对SOA器件性能进行了测试,测试结果表明,改变两段的注入电流能调整两段式量子阱SOA的中心波长、增益和饱和输出功率,从而适用不同的应用场合。(2)理论研究了两段式SOA在波长转换器上的应用。针对两段式SOA特点,在Connelly宽带模型基础上,建立了两段式SOA理论模型,模拟了两段式SOA交叉增益调制波长转换器性能,结果表明,调节两段的注入电流,能有效加速载流子恢复,抑制转换光的码型效应。(3)研究了InAs/GaAs量子点的生长。首先研究了量子点的生长机理,以及MOCVD生长参数对InAs/GaAs量子点的影响。然后系统地调查了盖层对量子点结构和光学性质的改善,实验结果表明,低温和高温的双盖层结构对量子点性能有较大提升；In组分渐变的InGaAs盖层有利于提高量子点发光效率,改善量子点均匀性。最后还生长了一种光致发光光谱宽度高达183nm的多模量子点,并研究了InGaAs应力减小层和InAs沉积厚度对多模量子点的影响。(4)研究了侧向耦合InAs/GaAs量子点分子的制备。提出了一种自组装生长方法,该方法采用MOCVD设备通过合适选择生长参数制作量子点分子,不需要采用特殊的模板或者特别的工艺流程,具有实现简单的优点。实验发现,量子点分子的形成和特性对生长温度和InAs沉积厚度非常敏感,且量子点分子的形成会导致发光波长红移。研究了InGaAs盖层对InAs量子点分子的影响,随着InGaAs盖层中In组分和厚度的增加,量子点分子的发光波长发生红移。获得了光致发光光谱宽为209m,发光效率较高的宽谱量子点分子,这种宽光谱量子点分子有望在宽光谱器件中得到应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 半导体光放大器发展扼要回顾
• 1.2 半导体光放大器应用概述
• 1.3 两段式半导体光放大器
• 1.4 量子点生长及量子点半导体光放大器概述
• 1.5 本论文主要内容
• 2 两段式量子阱半导体光放大器制作与性能测试
• 2.1 量子阱半导体光放大器结构设计
• 2.2 两段式量子阱半导体光放大器制作
• 2.3 两段式量子阱半导体光放大器性能测试
• 2.4 本章小结
• 3 两段式半导体光放大器波长转换研究
• 3.1 两段式半导体光放大器理论模型
• 3.2 两段式半导体光放大器波长转换器
• 3.3 本章小结
• 4 InAs量子点生长及盖层对量子点结构和光学性质的影响
• 4.1 引言
• 4.2 量子点生长机制
• 4.3 生长条件对InAs/GaAs量子点的影响
• 4.4 盖层对InAs/GaAs量子点结构和光学性质的影响
• 4.5 本章小结
• 5 多模InAs量子点生长及其光学性质研究
• 5.1 引言
• 5.2 自组装多模量子点形成机理
• 5.3 多模InAs量子点样品制备
• 5.4 实验结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 6 自组装InAs量子点分子生长及其性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 InAs/GaAs量子点分子结构和光学性质
• 6.3 InGaAs盖层对InAs量子点光学性质的影响
• 6.4 宽光谱InAs量子点分子光学性质研究
• 6.5 本章小结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录