高速光纖通信系統(tǒng)中垂直腔面發(fā)射激光器的特性研究.pdf

1、本論文的資助來源為：國家"863"高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“量子點(diǎn)光電子器件微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能預(yù)測研究”(批準(zhǔn)號(hào)：2003AA311070)和集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開放課題“半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器中應(yīng)力場分布對(duì)結(jié)構(gòu)與性能的影響”。 垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasser，VCSEL)已經(jīng)成為以半導(dǎo)體激光器為核心的半導(dǎo)體光電子技術(shù)的關(guān)鍵支柱之一。它具有閾值低、遠(yuǎn)場發(fā)散角

2、小、調(diào)制頻率高、易實(shí)現(xiàn)單縱模工作和二維集成等突出優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信、光互聯(lián)、并行光信號(hào)處理及光集成元件等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來對(duì)這種激光器的研究和應(yīng)用有了很大進(jìn)展。 本文在充分研究VCSEL內(nèi)各種物理過程相互作用的基礎(chǔ)上，對(duì)高速光纖通信系統(tǒng)中VCSEL的相對(duì)強(qiáng)度噪聲(Relative Intensity Noise，RIN)特性、溫度特性、調(diào)制特性、空間燒孔效應(yīng)(Spatial Hole Burning，SHB)、橫模競爭

3、特性等進(jìn)行了詳細(xì)研究和分析，最后還對(duì)半導(dǎo)體激光器超短脈沖的激光倍頻問題進(jìn)行了研究。具體內(nèi)容如下： 1、對(duì)VCSEL中各個(gè)物理過程之間的相互作用進(jìn)行了詳盡分析。分析了載流子擴(kuò)散、有源區(qū)漏電流、載流子與模式的空間分布以及溫度變化等對(duì)VCSEL有重要影響的現(xiàn)象，以此為基礎(chǔ)建立了VCSEL的仿真模型。分析了VCSEL的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作條件、溫度等因素對(duì)激光器性能的影響。 2、建立了空間相關(guān)的VCSEL速率方程溫度模型，分析了VCS

4、EL熱效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制，使用溫度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，建立了作為載流子數(shù)和溫度函數(shù)的熱泄漏電流和溫度相關(guān)增益的表達(dá)式，給出了溫度和電特性的表達(dá)式。以此為基礎(chǔ)，分析了VCSEL的瞬態(tài)特性、光電特性、調(diào)制特性以及溫度變化對(duì)VCSEL運(yùn)行機(jī)制的影響，研究了閾值對(duì)溫度的依賴關(guān)系、輸出光功率的熱飽和下降現(xiàn)象以及溫度對(duì)調(diào)制響應(yīng)的影響。 3、考慮VCSEL中載流子的空間分布和橫向擴(kuò)散，采用四階龍格-庫塔算法建立了二維VCSEL速率方程模型。應(yīng)用模型重點(diǎn)分

5、析了電極的形狀、位置以及注入電流強(qiáng)度對(duì)激光器橫模競爭特性的影響?？紤]了光波模式角向分布的不均勻性，討論了注入電流的角向分布對(duì)激光器模式選擇的影響并分別對(duì)VCSEL的熱特性、調(diào)制特性以及與空間效應(yīng)有關(guān)的SHB、橫模特性等進(jìn)行了研究。 4、采用基于格林函數(shù)法的解析計(jì)算方法和數(shù)值模擬方法對(duì)VCSEL的多橫模靜態(tài)特性進(jìn)行了研究?？紤]電場和載流子密度分布的空間依賴性，解析計(jì)算得到了橫模的穩(wěn)態(tài)解，通過解包含空間模式和注入電流密度分布的線性方

6、程組，得到了橫模功率和閾值電流的解析表達(dá)式。基于速率方程對(duì)VCSEL的橫模進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與解析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。 5、對(duì)弱折射率導(dǎo)引結(jié)構(gòu)多模VCSEL的RIN特性進(jìn)行了解析計(jì)算和數(shù)值模擬。推導(dǎo)得到與電場和載流子密度空間分布相對(duì)應(yīng)的解析式。結(jié)果表明，噪聲譜依賴于空間模式分布，RIN譜中諧振峰的位置對(duì)應(yīng)于激光器的弛豫振蕩頻率。采用有限差分方法，從速率方程出發(fā)對(duì)RIN進(jìn)行了數(shù)值模擬并與解析計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和討論。