耦合量子阱能级特性与结构优化的研究

论文摘要

本论文对耦合量子阱能级特性及其结构优化进行研究。量子阱材料由于电光效应比体材料强很多,在较低的电压下就可以实现大的吸收系数变化和折射率变化,因此人们利用量子阱材料制作了各式各样的波导型器件,如行波调制器、光开关。利用传统的矩形量子阱材料制作的波导型器件存在吸收损耗大、消光比低等缺点,为了推进量子阱材料在集成光学器件中更广泛的应用,有必要寻求一种在低工作电压、低吸收损耗下能产生一个大折射率变化的新型量子阱结构。 本论文主要作了以下几个工作: （1）利用微扰论研究了对称耦合量子阱中电子和空穴对称、反对称能级的形成,发现这些能级由单量子阱中电子、空穴基态能级分裂而来。把电子和空穴对称、反对称能级视作二能级体系,得出它们在外电场作用下分离成能级差更大的两个能级,即具有较低能量的下能级和较高能量的上能级,而且下能级和上能级对应的本征态中既有对称态成分,又有反对称态成分的结论。 （2）利用耦合模理论分析了非对称耦合量子阱中电子和空穴最低、次低能级,发现这些能级由非对称阱中的左右阱分别视作单阱时基态能级通过耦合而形成。比较了对称阱与非对称阱应用于行波调制器、光开关中的优劣,设计出了一种新的耦合量子阱结构—准对称耦合量子阱。 （3）根据准对称耦合量子阱的势能结构特点,提出了垒、阱材料的选取原则;推导了InP基InGaAs/InAlAs应变量子阱中阱和垒中的应力、阱和垒的带隙、阱和垒之间的带偏移的插值计算公式。考虑了导带与价带间的带混合效应对电子和轻空穴的影响,利用Bastard两带模型给出电子和轻空穴有效质量与本征能量的关系,并通过遂穿共振法求解本征能量和本征波函数。 （4）总结出六条优化准对称耦合量子阱的原则,并根据这些原则求出了InP基InGaAs/InAlAs准对称耦合量子阱各项参数;给出了优化后量子阱的电光特性,结果表明:优化后的耦合阱不仅较好地处理了偏振相关性问题,而且在工作波长1.55μm,当外场仅为15kV/cm时,折射率变化就超过了0.01（TE:Δn:0.0108,TM:Δn=0.0107）,而此时吸收损耗α可控制在80cm-1以下。 （5）完成了波导结构设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言—光纤通信发展历程
• 1.2 光开关的研究概况
• 1.3 InP基量子阱电光开关的研究概况
• 1.4 耦合量子阱的国内外研究状况
• 1.4.1 耦合量子阱的国际研究状况
• 1.4.2 耦合量子阱的国内研究状况
• 1.5 本研究的目的
• 1.6 本论文的内容
• 参考文献
• 第二章 量子阱能级特性的分析
• 2.1 引言
• 2.2 量子阱能级特性的研究
• 2.2.1 单量子阱基态能级的形成及其随外电场变化规律
• 2.2.2 对称耦合量子阱中最低、次低子能级的形成及其随外电场变化规律
• 2.2.3 非对称耦合量子阱中最低、次低子能级的形成及与对称耦合量子阱能级特性的比较
• 2.2.4 一种新的耦合量子阱结构—准对称耦合量子阱
• 2.3 量子阱结构电光特性分析的基本理论
• 2.3.1 本征能级和波函数的计算
• 2.3.2 激子束缚能的计算
• 2.3.3 量子阱中折射率和吸收系数的电场依赖
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 InP基耦合量子阱结构优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 InP基耦合量子阱的阱、垒材料搭配
• 3.3 InP基 InGaAs/InAlAs应变量子阱各种参数的计算
• 3.3.1 InGaAs、InAlAS三元化合物带隙能量、电子和空穴有效质量的插值计算
• 3.3.2 InP基InGaAs/InAlAs应变量子阱中阱和垒中的应力、阱和垒的带隙、阱和垒之间的带偏移的计算
• 3.4 InP基 InGaAs/InAlAs准对称耦合量子阱结构优化设计
• 3.4.1 电光开关的理想工作条件
• 3.4.2 InP基InGaAs/InAlAs准对称耦合量子阱结构优化
• 3.4.3 InP基InGaAs/InAlAs准对称耦合量子阱的电光特性
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 波导结构设计及制作工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 波导结构设计
• 4.3 波导制作工艺探索
• 4.3.1 器件版图
• 4.3.2 波导器件制作工艺探索
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 附录: 攻读博士学位期间发表的论文