多有源区共振腔发光二极管的结构设计与材料外延.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流多有源区共振腔发光二极管的结构设计与材料外延.doc.精品文档.国内图书分类号：题如单位代码：学号：密级：公开北京工业大学硕士学位论文英文并列题目专导师姓名：论文报告提交日期！生目研究方向：主昱佳左电王堂职称：副教援授予单位名称和地址丝塞王些盔堂哀壶朝田匡垩丕圄！曼！呈垒独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任

2、何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：弓骇日期：垒竺！：兰！关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：二互童导师签名：埠日期：一删曼曼！皇兰曼曼曼曼！皇曼量曼曼曼！曼皇！曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼鼍曼曼皇曼曼曼曼苎曼曼蔓曼！曼！曼！曼！曼曼！曼曼砒舯掣。二：摘要、一作为光纤入户工程关键技术环节的聚甲基丙烯酸甲酯（）塑料光纤（）需要在范围内的低成本高稳定光传输系统，由于在最小

3、吸收的波长附近的低成本光源的制备比较困难，在其第二小衰减波长姗附近的低成本光源成了最佳选择。共振腔发光二极管（）以更窄的光谱线宽，良好的发射方向性，高效的耦合率，高提取效率和高带宽，以及无阈值，稳定，产量高和良好的热特性和低复杂度的制备工艺成为塑料光纤通信系统的最佳理想光源。但是与普通和相似，也遇到不容忽视的温度问题。随着越来越广泛的应用于生产生活的各个方面，市场对性能的要求越来越高，同时如何从各个方面全面的提高的性能电成为生产消费各方共同关注的一个问题。顺应这些需求，本论文主要从以下几方面展开研究工作：首先，简单介绍了光纤接入工程的情况，以及共振腔发光二极管作为塑料光纤通信系统的光源，其优势

4、与发展前景。介绍了的工作原理和基本结构和组成部分。重点阐述了谐振腔对自发辐射的影响，通过数值模拟计算解释了共振腔的存在对发射光谱的影响。并对中一些关键的结构设计参数做了简单介绍。详细阐述了温度对各方面性能的影响，以及的高频特性。其次，介绍了多有源区共振腔发光二极管的概念，以及隧道结的原理。重点分析了在多有源区发光二极管外延生长之前的结构设计过程中，作为重要依据的计算机数值模拟。通过介绍传输矩阵法和源项法，详细阐述了数值模拟多有源区共振腔发光二极管内部光场分布的理论模型，并进行了计算机数值模拟。随后，对多有源区共振腔发光二极管远场发射图形的数值模拟的理论模型进行了详细的介绍，并对单有源区共振腔发

5、光二极管样品和多有源区共振腔发光二极管样品的数值模拟结果进行了细致的分析。最后，为了在获得最大的提取效率和适度的工艺制备成本之间寻找平衡点，从理论和实验两个方面详细阐述了上反射率和提取效率增强系数之间的关系。最后，阐述了金属有机物化学气相淀积（）的概念，基本原理，并介绍了本实验室的设备。其次，详细阐述了共振腔发光二极管的外延生长，重点介绍如何通过实际生长之前的数值模拟来辅助生长条件的设计，以及外延生长后，通过谱，白光反射谱和射线衍射等方法对样品的分析，对生长条件进行调整。为了比较不同上电极形状对器件性能的影响，设计了种用于不同应用领域的上电极版图。最终制备的共振腔发光二极管在下，光功率达到，半

6、高宽达北京工业大学工学硕士学位论文到衄。本论文得到北京市教委科技面上项目（量）及人才强教计划资助项目的资助。关键词：共振腔发光二极管；多有源区；结构设计；外延生长；数值模拟一（），卜，曲啪，朗垂，鹤曲（）船锄内躺，阳觚舀，曲瓶龇曲，弱嬲，妒，柚锄（）（），肫踟百，订：，一弱懿，二弱劬锄锄弱啪，诧，印百乙，曲珊，耐打，曲印仔，臼觚伍，研（）！曲北京工业大学工学硕士学位论文，印拶巧印（），鲥印，觞嬲印）【，印圩仃，觚，）【（）姗觚以（）眦锄（助：时咖锄；西；印粤。；一目录目录摘要第章绪论光纤接入工程简介的发展历程与最新进展用于通信系统的理想光源呻印共振腔发光二极管技术现状共振腔发光二极管一共振腔发

7、光二极管一共振腔发光二极管本论文选题的意义一一本论文的主要工作和成果第章共振腔发光二极管（印）共振腔发光二极管概述腔对偶极子发射图形的修正一效应一印结构设计参数印温度特性发射光谱随温度的变化远场分布随温度的变化一一输出功率，带宽随温度的变化印的高频特性一本章小结一第章多有源区共振腔发光二极管纵向结构模拟多有源区共振腔发光二极管概述多有源区共振腔发光二极管内部光场的数值模拟内部光场分布的理论模型一内部光场分布数值模拟结果与分析一多有源区共振腔发光二极管远场发射图形的数值模拟多有源区共振腔发光二极管远场发射图形的理论模型一外部发射光场分布数值模拟结果与分析一多有源区共振腔发光二极管发光效率的优化一

8、多有源区共振腔发光二极管发光效率理论模型的模拟计算多有源区共振腔发光二极管发光效率的模拟计算本章小结一第章多有源区共振腔发光二极管的工艺设计用于光纤耦合的印上电极版图一大功率印上电极版图一本章小结一一一第章共振腔发光二极管的制备与测试一金属有机物化学气相淀积（）概述一北京工业大学工学硕士学位论文。生长机理传输化学特性与气相反应反应源一设备本实验室系统概述共振腔发光二极管的材料外延材料外延量子阱材料外延。一谐振腔材料的外延共振腔发光二极管实验结果分析本章小结结论参考文献攻读硕士学位期间发表的学术论文致谢一第章绪论第章绪论光纤接入工程简介光纤接入是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体。根据光网络

9、单元（）的位置，光纤接入方式可分为如下几种：（光纤到大楼）；（光纤到路边）：（光纤到小区）；（光纤到用户）；（光纤到办公室）；唧（光纤到楼层）；阿（光纤到电杆）：硎（光纤到邻里）；（光纤到门）：矾（光纤到远端单元）。其中最主要的是（光纤到大楼）、阿（光纤到路边）、广（光纤到用户）三种形式。主要是为住宅用户提供服务的，光网络单元（）设置在路边，即用户住宅附近，从出来的电信号再传送到各个用户，一般用同轴电缆传送视频业务，用双绞线传送电话业务。丌的设置在大楼内的配线箱处，主要用于综合大楼、远程医疗、远程教育、及大型娱乐场所，为大中型企事业单位及商业用户服务，提供高速数据、电子商务、可视图文等宽带业务

10、。（），顾名思义就是一根光纤直接到家庭。具体说，删是指将光网络单元（）安装在住家用户或企业用户处，是光接入系列中除（光纤到桌面）外最靠近用户的光接入网应用类型。的显著特点是不但提供更大的带宽，而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了维护和安装。刑是光纤接入网的最终目标，但是每一用户都需一对光纤和专用的，因而成本昂贵，实现起来非常困难。的优势主要是有五点：）它是无源网络，从局端到用户，中间基本上可以做到无源；）它的带宽是比较宽的，长距离正好符合运营商的大规模运用方式；）因为它是在光纤上承载的业务，所以并没有什么问题：）由于它的带宽比较宽，支持的协议

11、比较灵活；）随着技术的发展，包括点对点、和的方式都制定了比较完善的功能。的发展历程与最新进展北京工业大学工学硕士学位论文从现状看，在亚洲发展比较迅速的是日本和韩国，早在世纪年代初期日本就制定了计划：年使光纤进入全国家庭。年以来，日本市场进入快速增长阶段：年只有饥和东日本、盯西日本几家公司，而到年月，已经有家公司提供嗍业务。据日本总务省统计，到年月，日本用户数已经突破万，在年达到万。韩国从年月开始进行广的实地试验，在年内开通商用服务，年，家庭普及率超过。在大洋彼岸的美国，专门成立了协会，截至年月，全美共有个地区的万家庭，实现，年底这一数字达到万，年底达到万。但是截至目前，国内市场应用仍未达到一个

12、相当的规模。年初，中国用户已增至万户，年内将突破万大关。正当大行其道时，运营商已经入手，开始试用部分产品。从宽带应用发展上看，中国的发展速度与发达国家相比并不落后，甚至在发展上我们的速度明显更加迅猛，目前已居世界第二大市场，但是硎的发展上，与国外相比，中国的市场，由于基本上还处在技术选择、产品试用阶段，运营商对各种技术还没有一个明确的选择，还处在考察阶段，整个盯的产业链正在形成中。目前主要是设备制造商在积极推动。武汉工程的开通拉开了国内建设的序幕，广的建设热潮开始逐渐形成，国内各大运营商都开始计划进行盯的试点工程的建设，驻地网运营商、房地产商等对此亦有很大的兴趣，参与共同尝试新的投资模式、建设

13、模式、运营模式和盈利模式。从技术上，光通信产业经过多年的发展，中国在光接入技术已经掌握了各种各样的解决方案，其主要技术有：舳、等。尽管”在国外已渐成燎原之势，然而在国内广要实现规模应用，还面临着政策、业务的推动、成本三大瓶颈的束缚。在成本方面，由于技术成熟、设备价格低以及运营商已经建设了大规模的铜线网络并仍会进行大规模建设等原因，可以预见到在未来几年内，仍将是份额最大的宽带接入技术。尽管在初次投入高，但是后期维护费用很低，作为对铜线资源的持续使用的一种方式，初期投资较低，但需要一定的后期维护，当达到一定临界点后，的单个成本较低。因此，和将会共同发展，在设备价格由于建设量的增大而逐步降低到的水平

14、后，就会逐步取代，实现全光网络。建设在中国已经开始启动，部分运营商已经进行试点工程的建设，数年内，运营商将会进行选型工作，进行小批量的建设。随着设备价格的逐步下降，第苹绪论建设量将会逐步加大，预计在年内成为主要的接入手段。年北京奥组委宣布投资亿美元扩展和升级电信网络，另外上海年前电信营业收入增至亿元，将不可避免地要大规模扩展和升级现有的电信网络。这些都为创造了良好的发展环境。我国已在全国范围内铺设了八纵八横的光缆，实现了骨干网和城域网的宽带通信，但家庭接入网仍然停留在窄带的水平上。这就好比高速公路的主干线已畅通，但支路上仍然堵塞。制约国内（）产业的发展的重要因素是面临降低成本的压力，在产业中，

15、接入线缆占实施成本的一。现在二个户到户的小区平均每户接入价格在元左右，而山只需要几百元的成本。截至年年底，中国（含）的用户数约万户，与中国万的宽带接入用户数相比微乎其微。国内的接入，多采用方案，光纤只布设到楼宇，在连接楼层的干线的布线系统中，由于数量少，目前广泛使用多模石英光纤。而楼宇内部可用于家庭接入网的信号传输介质有玻璃光纤、同轴电缆、双绞线等。后两者是金属导线衰减很大，使得网络很难在兆以上的速率上运行，达不到宽带传输的要求。玻璃光纤衰减低是很好的光导材料，但它的口径小、易折断，在连接时需要精密的设备，成本很高。而家庭接入网需要很多的接口。因此，高额的费用阻碍了玻璃光纤在家庭接入网中的使用

16、。宽带网在最后一公里出现了难题。渐变型塑料光纤衰减低，同时还兼具有安装方便、成本低廉、抗干扰能力强等优点，可以用于短途网络通信，是实现光纤入户理想的终端传输媒介。用这种技术制备的塑料光纤具有玻璃光纤光传导性好，衰减低的优点，又克服了玻璃光纤容易折断、连接麻烦的缺点。它的口径粗约毫米左右是玻璃光纤的倍，所以连接时不必苛求精确对正，可以使用廉价的注塑连接器，成本很低。另外，这种光钎柔韧性好易弯曲可以在较小的空间铺设，是家庭接入网最好的材料。塑料光纤的广泛应用不仅将对办公室，家用电脑，电视机等终端机的光纤化产生巨大推动作用它还可以用于国防现代化建设。比如一艘中型舰艇仅电缆重量就高达吨之多，而采用塑料

17、光纤只需几公斤。在卫星和航天飞机上采用塑料光纤，可以提高卫星和航天飞机的性能。在医疗上用塑料光纤制作的内窥镜比玻璃光纤更加柔软方便。北京工业大学工学硕士学位论文境矗燃缀缝拖鑫矗，憾全巍缝融缀谚触咖蠢繁。辫毒肇劂宓德穗：。馆。婀糟肇鑫嚣培事突攮枫簿落圜图现有网络与全光纤网络示意图锄咖出嬲由于性能和成本上的优势，塑料光纤将会是铜缆的有力竞争者乃至替代品，但是要实现这个目标，仍有许多配套工作要去做。铜缆只要接触连接即可实现信号连通，塑料光纤则必须光收发器，以及塑料光纤的光交换机、光网卡等配套产品，以形成完整的接入方案。用于通信系统的理想光源印基于聚甲基丙烯酸甲酯（）塑料光纤（）的内部多媒体网络需要在

18、范围内的低成本高稳定光传输系统。但由于无法得到在最小吸收的波长衄附近的低成本光源，在其第二小衰减波长附近的低成本光源成了最佳选择。【】善已重誉爱丸。薹（一，。；”。？：、，心一、，。图塑料光纤波长与衰减系数关系第苹绪论传统具有稳定，可靠，无阂值，低成本，对人日艮安全的优点，但是的响应频率很低，而且在与光纤耦合是效率很低，特别是与大芯径渐变折射率塑料光纤耦合。为了得到更好的与耦合效率，垂直腔面发射激光器（），是更好的选择。与相比，虽然有高光谱纯度，高效率和高方向性输出的优势，但是由于在调节共振，腔的吸收损失和镜面反射方面的约束，制备复杂，成本高。与传统相比有更窄的光谱线宽，更好的发射方向性，更好

19、的耦合效率，高亮度，高提取效率和高带宽。与发射的相同波段的红光相比，具有无阈值，稳定，产量高和更好的热特性，不需要制造所必须的复杂工艺。因此，红光是用于标准渐变折射率光纤的理想光源，损耗为。共振腔发光二极管技术现状共振腔发光二极管面对着的竞争。但是关于的研究一直没有停止过。有源区由（）材料系与材料高质量的应变量子阱组成。与衄和相反，对于吼的光是透明的。据报道，由生长的高效率底部发射，由和作为镜面，两个镜面之间一个波长的光腔和应变量子阱，既是电极又作为镜面。微米的器件外量子效率可以达到【】。当直径增加时，光子循环效应更加明显。大直径的的外量子效率能达到分布布拉格反射器（）的泄漏模式，金属镜面的损

20、失和无法提取的导波模式是姗主要的损失形式。高折射率差的由于可以抑制泄漏模并且减少渗透深度，因而可以提高效率。可以通过侧向氧化（）层获得具有高折射率差的。但是也有一些缺点。这种电绝缘的使一些更先进的技术，例如腔内电极接触，成为必要。此外，高折射率差在与金属上镜面一起使用时，由于很大的折射率差，一对高折射率差的的反射率也可以与金的镜面相比，造成有害的金属吸收损失。而对于顶部出射的器件，高折射率的。可以取代金属镜面。直径为微米，具有对，下，一个周期上，一个波长的腔，一个用来限制在下面的侧向注入电流的隧道结，顶部出射，微分外量子效率可以达到【。侧向注入，顶部出射，腔为一个波长，只有对下，直径为微米，外

21、量子效率达到，封装后达到。睇北京工业大学工学硕士学位论文一共振腔发光二极管除了快速以太网蝌数据传输，姗的目标应用是遥控系统和由红外数据协会（）定制的【】，得益于低成本的探测器的红外通信。与普通的通信应用要求的亮度和带宽不同，这些应用更要求绝对功率，总效率和低成本。适用于这个波段的材料是，从另一方面说，这意味着作为衬底和中的会对光产生吸收，因此要最小化以的使用。使用生长的，由位于两个之间一个波长的腔组成的姗顶部出光，外量子效率可以达到蚶。上由对啦构成，下为对。的折射率差小，因此需要更多的对数。硼共振腔发光二极管适用于通信窗口的主要材料系是。除了长波长器件有更宽的固有光谱，在选择适当材料系方面的约

22、束也限制了长波长的最大效率。与晶格相匹配的材料的折射率差比较低，导致了很大的渗透深度。据文献报道【】，由生长的高效率大直径器件（舢）的效率能达到。器件底部出光，使用非对称的腔，腔长为一个波长，有源区为个姗的应变量子阱构成。对低折射率差的是主要缺点。的研究推动了高质量外延镜面的研究。与相反，对于高折射率差镜面的需求源于对高反射率镜面的需求，无论渗透深度，需要大于的反射率。低折射率差需要更多对的以达到高反射率，也导致了一些与生长有关的问题。在文献中报道的其他与晶格匹配的用于高折射率镜面的材料，特别是铝和锑化物的化合物半导体是未来的替代品【】。另外，有关的研究对用于长波长的基器件发展的兴趣越来越大。

23、除了高折射率差的实现的可能性，这个材料系对于温度更加敏感，成本更低。目前一些研究组正在研究量子点的使用。使用生长在衬底上的啪单镜面腔自组装量子点的外量子效率在室温下达到，受限于量子点的低辐射复合效率。【】本论文选题的意义提高光输出功率和温度之间存在着根本性的矛盾。一方面，为了提第章绪论高的高频特性，需要提高的光输出功率，需要使用大电流驱动。另一方面，在大电流驱动下，小尺寸的芯片的温度增加的很快，而温度影响的发射光谱和腔的长度，从而改变了腔的失谐值，即改变了的远场分布，而对用于光纤通信的来说，远场分布决定了和光纤之问的耦合效率。随着电流的增加，的光功率先接近饱和，然后出现衰减，提取效率也进一步降

24、低。另外，随着温度升高，发射光谱的线宽增加，与光纤的耦合效率降低。为了缓解这个矛盾，需要改变单纯依靠大电流注入来得到大光功率的传统模式。大幅度的提高内量子效率是有效的途径之一。如果能实现内量子效率大于，就能够以相对小的注入电流获得大的光输出功率，从而大大缓解热效应的不利影响。在沈光地教授提出的全新大功率半导体激光器结构中，几个相对独立的半导体激光器结构被顺序生长在一片衬底上，并在每两个激光器结构之间引入一隧道二极管结构。隧道二极管结构在反向偏压下，结的型一侧的价带电子可以通过隧道效应达到型一侧的导带，这样，在上一级中复合到价带的电子再一次回到导带，并在下一级激光器结构中再次复合发光，从而得到再

25、生。通过这种方式，在传统结构中只能小于的量子效率得到显著提高，甚至可以远大于。同样，在共振腔发光二极管中，也可以使用这种类似的结构来达到超过的内量子效率，从而实现小电流注入下的高输出光功率。根本上缓解大电流下高热量带来的不利影响。本论文的主要工作和成果随着基于塑料光纤（）的内部多媒体网络的应用的普及，作为短距离光纤传输系统光源的共振腔发光二极管，由于相对于普通和激光器所具有的优势，越来越具有市场应用前景。而如何从根本上解决共振腔发光二极管输出功率与温度之间的矛盾，以及如何获得能达到短距离塑料光纤传输系统标准的光束质量，成为各方共同关注的一个问题。正是顺应这些需求，本论文从如下几个方面展开研究工

26、作：）介绍了共振腔发光二极管（）的概念和基本原理，阐述了谐振腔对自发辐射的修正，总结了的温度特性和高频特性。）介绍了多有源区共振腔发光二极管的概念，其内部光场和外部发射光场的理论模型，并使用软件进行数值模拟，对结果进行分析以指导结构设计。北京工业大学工学硕士学位论文）通过数值模拟计算研究了共振腔发光二极管发光效率与上反射镜反射率的关系，通过改变上反射率对发光效率进行优化，得出最佳上反射率。）研究了用于光纤通信和大功率发光的的型电极图形的设计和优化。）进行了多次共振腔发光二极管的外延生长实验，通过对实验条件和实验结果的测试分析，研究了各种生长条件对器件性能的影响。第章共振腔发光二极管第章共振腔发光二极管（印）共振腔发光二极管概述由一个高反射镜面，一个包含了有源区的厚度为波长倍数的腔，和一个作为光提取的半透明的镜面组成。两个镜面形成了一个冲共振腔。镜面可以是，也可以是金属。（）护图器件结构图一埘如图所示为最基本的红光结构，位于谐振腔模式波腹位置的对（）量子阱和上、下分布布拉格反射镜（）构成一倍波长光程厚度的谐振腔，型掺杂的作为电流扩展层。由于衬底对有源区发射光谱范围的吸收性，因此基本是顶部出光并且单片集成结构，这样有利于器件的性能，更加便于集成并减小制造复杂度以提高产量【】。腔对偶极子发射图形的修正北京