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周期性电注入增益耦合分布反馈半导体激光器的研究
高峰
Subtype博士
Thesis Advisor秦莉
2018
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
Place of Conferral中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
Degree Name博士
Keyword分布反馈半导体激光器 增益耦合 单模激光器 窄线宽激光器
Abstract随着“量子通讯”、“大数据”、“云计算”、“物联网”的快速发展,具有稳定性高、单频特性好、波长调谐范围大、光谱线宽窄等特点的分布反馈(DFB)半导体激光器成为不可或缺的有源器件。DFB半导体激光器是在法布里-珀罗腔(FP)激光器的基础上引入周期性微扰,从而实现对折射率实部(即折射率耦合型DFB激光器)或虚部(即增益耦合型DFB激光器)周期性调制,从而实现纵向模式调控。折射率耦合型DFB激光器存在固有的模式简并问题,需要通过额外引入相移或采用重构等效光栅等方法解决模式简并问题,从而实现单纵模激射,并且需要在腔面蒸镀高质量的增透膜解决自然解理腔面对模式稳定性的影响。增益耦合型DFB激光器是另一种实现单纵模的有效解决方法,其优点是不存在模式简并问题。但是其需要二次外延和纳米尺度的光栅制备等复杂的制备技术,限制了其规模商用化应用。为了解决上述问题,本论文创新地提出了一种采用简单制备技术的增益耦合型DFB激光器。本文主要针对基于周期性电注入增益耦合分布反馈半导体激光器的结构设计、器件制备及测试分析展开研究,具体的研究内容和成果如下:(1)基于耦合波理论和传输矩阵,建立关于基于周期性电注入的增益耦合型DFB半导体激光器的物理模型。结合PICS3D、Comsol Multiphysics、Matlab等软件的数值仿真结果,得到器件的透射谱,从而为器件的机理解释、性能优化提供了重要的理论依据和支持。(2)设计并制备出基于周期性电注入增益耦合型DFB半导体激光器。利用PICS3D软件计算载流子和增益分布,从而计算得到耦合系数的实部和虚部。利用Comsol软件,计算由表面沟槽引起的散射损耗和金属吸收损耗。通过上述计算,优化了表面增益光栅结构的沟槽宽度和深度。此器件的单腔面输出功率48.8mW,波长971.31 nm,3dB线宽小于3.2 pm,边模抑制比大于39 dB的性能。(3)首次提出采用高阶表面光栅作为脊形波导的结构设计方案,即表面光栅和脊形波导融为一步工艺制备,从而大大简化工艺步骤,减少工艺误差,降低工艺成本和压缩制备周期。采用上述方法制备的单纵模增益耦合型DFB半导体激光器的单腔面输出功是100.9 mW,光电转化效率18.6%,斜率效率为0.53W/A,3dB线宽小于2.84nm,边模抑制比大于43 dB。(4)提出一种纯增益耦合型DFB半导体激光器的设计方案。相比较传统型纯增益耦合型DFB半导体激光器,具有制备工艺简单、可批量生产和成本低的优点。采用非对称大光腔波导外延结构,制备2 mm腔长的单模器件实现单腔面输出功率是15.42 mW,波长是971.97 nm,3dB线宽小于40 pm,边模抑制比大于30 dB。(5)制备出集成两段具有不同增益耦合强度的增益耦合型DFB激光器,在单电极控制下,实现了增大波长调谐范围(大于5 nm)和在某一电流范围内波长稳定的现象,打破了激光器可调谐和波长稳定不兼容的局限。本文提及的增益耦合型DFB半导体激光器均是采用普通i-line光刻技术等工艺制备,制备简单且工艺容差大,易于大规模生产。对比目前采用精密光刻技术或二次外延制备的DFB半导体激光器,本文提及的器件具有成本低和生产周期较短等优势,并且其性能参数指标满足应用需求,在激光雷达、光集成、光通信等领域具有了巨大的商业价值和应用前景。
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61708
Collection中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
高峰. 周期性电注入增益耦合分布反馈半导体激光器的研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.
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周期性电注入增益耦合分布反馈半导体激光器(9279KB)学位论文 开放获取CC BY-NC-SAApplication Full Text
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