高精度傳感系統(tǒng)是如今亟需的、應(yīng)用面很廣的重要技術(shù)。作為高精度光纖傳感系統(tǒng)的核心光電部件,超輻射發(fā)光二極管(SLD)的性能直接決定著傳感系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性。超輻射發(fā)光二極管具有寬光譜、大功率、弱時(shí)間相干性的特性,這些特性使其能夠在光纖陀螺儀和光學(xué)相干層析成像方面有著良好的應(yīng)用前景。由于量子阱結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)條件更易掌控,工作更穩(wěn)定,發(fā)光功率足夠大,并且通過在有源區(qū)引入啁啾結(jié)構(gòu),使每層量子阱具有不同的發(fā)光波長(zhǎng),可以有效拓寬器件的發(fā)光譜寬,所以啁啾量子阱結(jié)構(gòu)的超輻射管器件能夠滿足其寬光譜、大功率以及可靠性強(qiáng)的要求。制備出啁啾量子阱結(jié)構(gòu)的超輻射發(fā)光二極管對(duì)于國(guó)產(chǎn)高精度傳感技術(shù)的發(fā)展有突出的應(yīng)用價(jià)值。本論文的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)InP基1.3μm波段SLD的大功率、寬光譜發(fā)光,擬通過張壓應(yīng)變交替的InGaAsP啁啾多量子阱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和生長(zhǎng),使得SLD在較高輸出功率下展寬光譜。同時(shí),系統(tǒng)開展波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備,抑制器件激射;并通過SLD后工藝的優(yōu)化和控制,顯著提高實(shí)驗(yàn)室制備SLD器件的良率。論文的研究工作及取得成果如下:1、設(shè)計(jì)了具有張壓應(yīng)變交替的InGaAsP啁啾多量子阱有源區(qū)的SLD結(jié)構(gòu),并通過外協(xié)單位完成了 MOCVD生長(zhǎng),經(jīng)PL譜測(cè)試發(fā)現(xiàn):SLD有源區(qū)的發(fā)光波長(zhǎng)位于1.3μm波段,PL譜寬約為150nm,符合預(yù)期,滿足SLD器件寬光譜的需求;2、針對(duì)器件光譜、輸出功率協(xié)同控制的要求,完善并優(yōu)化了流片工藝(主要包括光刻腐蝕、沉積Si02絕緣層、磁控濺射金屬電極、減薄拋光等)。著重改進(jìn)了脊波導(dǎo)的濕法腐蝕工藝,采用H3PO4:H202:H20和HCl:HBr溶液交替腐蝕,并嚴(yán)格控制腐蝕液配比、腐蝕時(shí)間以及腐蝕溫度,將原有脊波導(dǎo)濕法刻蝕工藝中比較嚴(yán)重的側(cè)蝕問題控制在SLD器件工藝可容忍的范圍內(nèi)。3、成功制備出1.3μm波段的InP基InGaAsP啁啾量子阱SLD器件。SLD管芯在未焊接熱沉且腔面未鍍消反膜的情況下,實(shí)現(xiàn)了室溫(22℃)下脈沖超輻射發(fā)光,脈沖電流周期0.2ms、占空比10%,發(fā)光中心波長(zhǎng)1340nm。其中:腔長(zhǎng)3mm、脊寬10μm的單邊彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)管芯(彎曲角度10°、彎曲長(zhǎng)度1mm),在530mA的電流注入下,輸出功率達(dá)到4.91mW,譜寬94.8nm;電流增加到620mA時(shí),輸出功率達(dá)到10.53mW,譜寬27.1nm。4、針對(duì)以上測(cè)量結(jié)果,我們通過改進(jìn)彎曲波導(dǎo)形狀和管芯腔長(zhǎng),對(duì)SLD器件的性能進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果如下:①將波導(dǎo)形狀調(diào)整為雙邊彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(腔長(zhǎng)3mm、彎曲長(zhǎng)度雙邊各1mm),在740mA的電流注入下,測(cè)得器件輸出功率達(dá)到2.96mW,譜寬83.4nm;電流增加到980mA時(shí),輸出功率達(dá)到8.59mW,譜寬56.2nm。隨著注入電流增加,SLD譜寬的變窄得到一定程度的緩解,顯示出雙邊彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)抑制激射的能力更強(qiáng)。②將腔長(zhǎng)減至2mm(單邊彎曲波導(dǎo)、彎曲長(zhǎng)度1mm),在530mA的電流注入下,測(cè)得輸出功率為8.92mW,譜寬82.5nm;電流增加到620mA,輸出功率達(dá)到19.99mW,譜寬22.5nm。與3mm腔長(zhǎng)的單彎波導(dǎo)管芯相比,短腔SLD在相同的注入電流下可獲得更高的輸出功率。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN312.8
【部分圖文】：

的反射為０，完全沒有光的反饋諧振，出射光為非相干光。所以，ＳＬＤ器件是高逡逑功率、寬光譜、弱相干性的半導(dǎo)體光源器件，相比于ＬＤ，光譜寬度更寬，相比逡逑于ＬＥＤ輸出光功率更高。三種光發(fā)射器件的輸出功率和光譜示意圖如圖１－１所逡逑／＼邋Ｎ邋0逡逑ｅｒ邋…邐ｌｄ逡逑ＬＤ邐５－逡逑？邐－邋ｆ逡逑ｒ－邋＾邋ｈ邐ＣＤ逡逑旦邐ＳＬＤ邐＾逡逑｜ｉ邐＾邐１４邐／－ｉ＼ＳＬＤ逡逑ｃ邋ｉ邋．一邐．邐；邐．邐，逡逑０邐５０邐１ＣＯ邐１５０邐２０Ｄ邐ＫＯ邐ｄ４Ｃ邐８８２邐９ＺＪ逡逑Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｍＡ）邐Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（ｎｍ）逡逑圖１－１邋ＳＬＤ、ＬＤ、ＬＥＤ輸出功率（ａ）與光譜（ｂ）的比較［１］逡逑１．２．２超輻射管的發(fā)光機(jī)理逡逑光子與半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的相互作用有以下三類表現(xiàn)方式：自發(fā)輻射、受激逡逑輻射以及受激吸收。首先，自發(fā)輻射就是在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子自逡逑發(fā)地從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍徖，同時(shí)輻射出一個(gè)光子的過程，各個(gè)原子在躍遷過程中逡逑彼此無關(guān)，產(chǎn)生的自發(fā)輻射光子在頻率、相位、偏振以及傳播方向上具有任意性；逡逑受激輻射是激發(fā)態(tài)的電子在外界光子的作用下，向基態(tài)或者低能態(tài)躍遷的同時(shí)輻逡逑射出光子的現(xiàn)象。此時(shí)，外來輻射光子的能量必須恰好是電子兩個(gè)能級(jí)能量的差逡逑值，輻射出的光子具有與外界光子相同的頻率、相位以及偏振等特性；受激吸收逡逑是當(dāng)能量等于載流子高低能級(jí)的能量差的光子與處于低能級(jí)的載流子作用時(shí)

分是放大的自發(fā)輻射，光子在腔內(nèi)的光增益過程中，對(duì)于不同頻率的光子，受到逡逑的增益幅度并不相同，波長(zhǎng)位于增益譜中心的光子能夠得到的增益最強(qiáng)，而波長(zhǎng)逡逑遠(yuǎn)離增益譜中心的光子能夠得到增益較弱。圖１－２展示的是ＬＤ、ＳＬＤ、ＬＥＤ三逡逑種發(fā)光器件光譜特征曲線。逡逑對(duì)于半導(dǎo)體發(fā)光器件，光譜中心波長(zhǎng)是描述其光譜特性的主要參數(shù)之一。峰逡逑

電流（ｍＡ）逡逑圖１邋－３邋ＬＤ、ＳＬＤ、ＬＥＤ的Ｐ－丨特性曲線逡逑圖１－３是ＬＤ、ＳＬＤ、ＬＥＤ的Ｐ－Ｉ特性曲線。從圖中可以看出，對(duì)于半導(dǎo)體逡逑激光器，其功率曲線的特點(diǎn)是存在明顯的閾值拐點(diǎn)，當(dāng)電流達(dá)到閾值電流以上時(shí)逡逑ＬＤ的輸出光功率隨著電流的增加急劇增長(zhǎng)，閾值電流拐點(diǎn)是ＬＤ器件的獨(dú)有特逡逑征。對(duì)于發(fā)光二極管來說，其出射功率隨著電流的注入從零開始基本呈線性X棾ぃ義希蹋牛牡模校汕咝甭屎芐�，而且也脫]邢瘢蹋膩濉嬖阢兄檔緦鞴盞悖饈溝茫蹋牛膩義銜薹ɑ竦媒細(xì)叩氖涑齬夤β�。峨s冢櫻蹋睦此擔(dān)洌校商匭鄖咼揮忻饗緣你兄靛義系緦鞴盞悖膊幌螅蹋牛陌閬咝員浠�，而蕷J瓜治橛冢蹋暮停蹋牛牡淖刺�，这辶x現(xiàn)種屑渥刺莆磴兄堤匭�。与皻枥^寮す餛饗啾齲涔芐枰蟮

本文編號(hào)：2834282