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"高技術研究發(fā)展計劃項目“量子點光電子器件微觀結構設計與性能預測研究”(批準號：2003AA311070)和集成光電子學國家重點聯(lián)合實驗室開放課題“半導體量子點激光器中應力場分布對結構與性能的影響”。 垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasser，VCSEL)已經(jīng)成為以半導體激光器為核心的半導體光電子技術的關鍵支柱之一。它具有閾值低、遠場發(fā)散角

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

3、特性等進行了詳細研究和分析，最后還對半導體激光器超短脈沖的激光倍頻問題進行了研究。具體內容如下： 1、對VCSEL中各個物理過程之間的相互作用進行了詳盡分析。分析了載流子擴散、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VCSEL有重要影響的現(xiàn)象，以此為基礎建立了VCSEL的仿真模型。分析了VCSEL的結構參數(shù)、工作條件、溫度等因素對激光器性能的影響。 2、建立了空間相關的VCSEL速率方程溫度模型，分析了VCS

4、EL熱效應的內在機制，使用溫度經(jīng)驗關系式，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增益的表達式，給出了溫度和電特性的表達式。以此為基礎，分析了VCSEL的瞬態(tài)特性、光電特性、調制特性以及溫度變化對VCSEL運行機制的影響，研究了閾值對溫度的依賴關系、輸出光功率的熱飽和下降現(xiàn)象以及溫度對調制響應的影響。 3、考慮VCSEL中載流子的空間分布和橫向擴散，采用四階龍格-庫塔算法建立了二維VCSEL速率方程模型。應用模型重點分

5、析了電極的形狀、位置以及注入電流強度對激光器橫模競爭特性的影響。考慮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激光器模式選擇的影響并分別對VCSEL的熱特性、調制特性以及與空間效應有關的SHB、橫模特性等進行了研究。 4、采用基于格林函數(shù)法的解析計算方法和數(shù)值模擬方法對VCSEL的多橫模靜態(tài)特性進行了研究?？紤]電場和載流子密度分布的空間依賴性，解析計算得到了橫模的穩(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式。基于速率方程對VCSEL的橫模進行了數(shù)值模擬，并與解析結果進行了對比分析。 5、對弱折射率導引結構多模VCSEL的RIN特性進行了解析計算和數(shù)值模擬。推導得到與電場和載流子密度空間分布相對應的解析式。結果表明，噪聲譜依賴于空間模式分布，RIN譜中諧振峰的位置對應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RIN進行了數(shù)值模擬并與解析計算以及實驗結果進行了對比和討論。