（电磁场与微波技术专业论文）垂直腔体表面发射激光器等效电路模型的研究.pdf

t h e s i sf o rm a s t e r d e g r e eo fs c i e n c e e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i 毋 i | i | | i | i i i i | | | l i i | i | l | i i | 川i i | i | | i | | i i | i | i | 洲 y 19 0 3 9 2 4 u n i v e r s i 锣c o d e ：1 0 2 6 9 s t u d e n ti d ：5 1 0 8 1 2 0 2 0 5 0 e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e lo fv e r t i c a l c a v i 哆s u r f a c ee m i t t i n gl a s e r s d e p a r t m e n t ： s 坌b q q ! q ! 坠鱼2 1 卫3 筮i q 塾s 堡i 星塾鱼曼鱼! 鱼鱼塾塾q ! q g y m a j o r ： 基! 曼曼堑q ! 坠亟g 堕星! i 鱼墨i 堕亟! 迫鱼q 巡鱼y 金! 垒坌h 塾q ! qg y r e s e a r c hd i i e c t i o n ：4 q 亟星! i 堕g 量焦曼垒曼塑曼塾! 曼塾! q 堑曼q ! 型亟塑篷! 銎基亟星y i q 曼墨 s u p e r v i s o r ：! ! 殴! ：l 堡妞丝受堡垒 1 a s t e rc a n d i d a t e ： 曼i 丝窆垡丝2 m a y 2 0 1 1 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文圣嘲奉孙蜘霭姚霆豸放电路梗趔5 研勃， 是在华东师范大学攻读蝇企博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名： 塑匝函 日期：。7j 年厂月6 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 雠辟辆发射泺尚甏强屯谚榜擅的轳_ 啪系本人在华东师范大学攻读 学位期间在导师指导下完成的硒生博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东 师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管 部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允 许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入 全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版， 采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密 学位论文宰， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 本人签名坠塑函 沙f1 年歹月玩日 “涉密”学位论文虑是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范人学研究生中请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 欧阳丽硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 朱守正博导华东师范大学主席 信息学院通信 工程系 尹秋艳副教授华东师范大学 信息学院通信 工程系 廖斌副教授华东师范大学 信息学院通信 工程系 摘要 摘要 垂直腔体表面发射激光器是近年来才发展起来的，由于这类激光器结合了边发射激 光器和固体异质结激光器的特点，易于集成和大规模生产，成本低，现已成为半导体激 光器中最重要的一类激光器之一，有着广阔的应用前景。随着通信的发展和互联网的普 及，在光通信系统中作为最重要光源的垂直腔体表面发射激光器也不断受到重视。建立 一个简单而准确的v c s e l 等效电路模型，对于提高光纤通信系统的电路设计和仿真就 十分必要。 本论文的主要工作围绕垂直腔体表面发射激光器的等效电路模型分析展开。第一章 回顾了v c s e l 的发展历史，介绍了v c s e l 等效电路模型的研究流程和研究现状，简 单介绍了v c s e l 的工作原理。第二章简要给出了半导体激光器发展过程中几种主要的 激光器结构，着重对量子阱激光器和垂直腔体表面发射激光器的性能和应用进行了总 结，并对这两种激光器各自的优缺点进行了对比。第三章由半导体激光器的速率方程推 出v c s e l 的大信号等效电路模型和小信号等效电路模型，采用直接法和半分析法对电 路模型进行参数提取，并求解速率方程的参数。第四章将第三章的等效电路模型写入 a d s 软件中的s d d 模块，研究v c s e l 的调制响应特性，进一步验证模型参数提取方 法的正确性。 关键词：垂直腔体表面发射激光器，等效电路模型，参数提取 h a sf o u n dw i d ea p p l i c a t i o ni nf i b e fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i t ht h e d e v e l o p m e n to f t e l e c o m m u n i c a t i o na n dw i d eu s eo ft h ei n t e m e t ni so fg r e a ti m p o r t a c et od e v e l o p m e n ta s i m p l ea n da c c u r a t ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e li n c i r c u i td e s i g na n ds i m u l a t i o no ff i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h i sp a p e rf o c u s e s0 nt h er e s e a r c ho fe q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fv c s e l i nc h a p t e r o n e ，t h er e s e a r c h 量l i s t o 哆o fv c s e li sp r e s e n t e d ，f o l l o w e db yt h er e s e a r c hp r o c e s sa n d c u l l r e n tr e s e a r c hs t a t u sa sw e l la st h ep r i n c i p l eo fv c s e l c h 印t e rn v om a l ( e sac 0 m p a r i s 0 n o fv c s e lw i t ht r a d i t i o n a le d g ee m i t t i n gl a s e r s l a 唱ea n ds m a l le q u i v a l e n tc i 姗i tm o d e l sa r e d e v e l o p e df b mt h er a t ee q u a t i o n sw h i c hd e s c r i b e st h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec a r r i e rd e n s i t y 锄dp h o t o nd e n s i t yi nt h ea 而v er e g i o n d i r e c ta p p r o a c h 锄ds e m i a n a l y t i c a i 印p r o a c ha r e i m p l o y e dt oo b t a i nt h ep a r a m e t e r so ft h ec i r c u i te l e m e n t sa n dt h er a t ee q u a t i o n t h ec i r c u i t s a r et h e ni m p l e m e n t e di n t oa g 订e n ta d s u s i n gd d s g o o da g r e e m e n ti so b t a i n e db e t w e e n s i m u l a t e dr e s u l t s 锄dm e a s u r e dd a t ao v e rt h ec o n c e m e d 行e q u e n c yr a n g e k e yw o i m ：v e r t i c a lc a v i t ys u 渤c ee m i t t i n gl a s e r ，e q u i v a l e n tc 栅i tm o d e l ，p a r a m e t e r e x t r a c t i o n 目录 目录 第一章绪论1 - 1 1 引言1 1 2v c s e l 的发展历史和现状2 1 3v c s e l 的模型研究3 1 3 1 半导体激光器等效电路建模概述一3 1 3 2v c s e l 的基本工作原理_ 4 1 3 3v c s e l 模型研究流程6 1 3 。4v c s e l 等效电路模型的研究现状7 1 4 论文的主要工作和结构7 参考文献8 第二章v c s e l 和边发射激光器的比较1 0 2 1 结构1 0 2 2 特性1 3 2 - 3 应用1 5 2 4 本章总结15 参考文献1 6 第三章v c s e l 等效电路模型的研究1 7 3 1 半导体激光器的速率方程1 7 3 2v c s e l 等效电路模型的实现：1 7 3 2 1v c s e l 大信号等效电路模型的实现1 8 3 2 2v c s e l 小信号等效电路模型的实现1 9 3 3v c s e l 等效电路模型参数提取2 1 3 3 1 寄生网络参数提取2 2 3 3 2 本征网络等效电路模型参数提取技术2 7 3 4 本章小结3 2 参考文献3 3 第四章v c s e l 等效电路模型在s d d 中的实现3 4 4 1s d d 3 4 4 2v c s e l 速率方程模型在s d d 中的实现3 4 4 3v c s e l 本征大信号等效电路模型在s d d 中的实现3 7 4 4 本章小结3 9 参考文献一3 9 第五章结论和工作展望4 0 5 1 结论4 0 5 2 工作展望4 0 附勇乏一4 2 后记4 3 达1 6 9 万亿美元，在2 0 0 9 年的基础上增长2 8 ，实现v 形复苏。其中，受金融危机 影响最为严重的发达市场在2 0 l o 年摆脱行业收入下滑的态势，实现o 4 的收入增长。 这虽与危机前的增长水平仍然存在一定差距，但复苏态势已经非常明显【l j 。 2 0 1 0 年第九届中国信息港论坛显示，宽带化已成为全球信息通信产业发展的总趋 势。据统计，截止至2 0 1 0 年底，全球固网宽带用户已突破4 6 亿，移动宽带用户数超 过6 亿，平均每年以3 0 的速度增长。宽带化已成为全球各个国家未来发展的重点战略 1 2 1 。在2 0 1 1 年刚刚召开的第十一届全国人民代表大会第四次会议和政协第十一届全国 委员会第四次会议上，针对与人们息息相关的信息产业，今年的政府工作报告多次提到 互联网的发展与管理问题，而互联网的发展依赖于宽带这一基础建设。2 0 l o 年1 月1 3 日召开的国务院常务会议，决定加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合，三网 融合将刺激电信运营商及广播电视投资光纤网络的建设。目前，我国拥有宽带的家庭已 超过了2 5 ，宽带用户数突破1 2 亿，全国各大中城市都积极推进宽带应用，在中国广 大的乡村宽带网络也得到了普及应用。但是，我国人均拥有的宽带资源很低，人均不到 两兆，远远低于美、日、韩等一些发达国家，宽带发展仍然面临绝对数量大、人均带宽 低的现状与现到3 】【4 】【5 1 。解决这一问题，亟需扩充带宽容量。 光纤通信在带宽容量方面正好具有极大的优势。自光纤通信技术进入实用化阶段， 3 0 多年来，光纤光缆的制造技术突飞猛进、产品品种不断丰富，并且由于规模化应用、 生产效率的提升，使得光纤光缆产品在性能指标不断提高的同时，成本在不断降低，从 而也带动了光纤应用领域的不断扩展【6 】。光纤通信以其强大的通信容量、极低的传输损 耗、不受电磁干扰、材料成本低等优点，在通信领域占据了越来越主导的地位。目前光 纤光缆技术在医学、远程教育、视频会议、电网安全保护等很多方面都得到了广泛应用。 2 0 1 0 年最新的c i m ( c l l i n ar a d i ou n i o 仉中国无线电联盟) 数据显示，2 0 0 9 年全年， 全球单模光纤的总需求达到1 6 8 5 亿芯公里，同比2 0 0 8 年增长2 4 。 在全球技术进步和各国政府的大力推进下，光纤到户( f i b e rt ot h eh o m e ，f t t h ) 正呈 现快速增长的趋势。截止至2 0 0 9 年，全球共有2 7 0 0 万p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln 咖o r l 【 无 线光网络) f t t h 用户，其中亚太2 1 4 0 万，北美5 2 0 万，e 砸a ( e u r o p e ，m i d d l ee a s t ，艋i c a 欧洲、中东和非洲) 5 2 5 万，在当前用户实装率较低的情况下，全球f t t h 实际建设量 超过1 亿户；从f t t h 的地区分布来看，美日韩、欧洲、亚太、中东和中国是f t t h 建 设的热点区域【7 1 。根据第十二个五年规划纲要，我国将加快推进城市光纤入户进程。今 年年初，上海电信和中国电信先后在上海地区和全国范围发布“城市光网”计划，利用光 纤取代原来的铜缆8 1 。光纤建设和光纤通信系统的推广使用已成为近期的热潮。 目前垂直腔体表面发射激光器( v e r t i c a lc a v i t ys u 血c ee m i t t i n gl a s e r v c s e l ) 大 量用于光纤通信系统，全球以太数据通信网的建设，用v c s e l 替代高价位的l d ，利 用v c s e l 阵列实现短距离并行光互连，导致了高速v c s e l 收发模块市场呈爆炸式增 长。 除此之外，v c s e l 在其他方面也得到了广泛应用。例如，在激光打印机应用方面， 相对于传统的u d 阵列，v c s e l 阵列能够大大降低电能耗能；在扫描时，大型v c s e l 阵列( 上千个) 形成的多光束远远优于单个激光管的扫描，这样大大提高了激光打印机 的扫描速度。在照明方面，v c s e l 的电光转化效率远高于传统的照明光源，达5 0 以 上，有不错的应用前景。如，可调节光线强度的室内照明，笔记本电脑的背景灯，交通 指示灯以及户外照明灯等许多方面。另外在气体检测、高密度光存储方面也有希望得到 应用【9 1 。 1 2v c s e l 的发展历史和现状 自从1 9 7 7 年s o d a 和k a 等人首次提出了制作垂直腔体表面发射激光器( v e r t i c a l c a v i t ys u 施c ee m i n gl a s e r ，简称v c s e l ) 的设想，并于1 9 7 9 年研制出了7 7k 脉冲 激射下的第一只垂直腔体表面发射激光器【1 0 1 以来，对这种激光器的研究已经取得了很大 进展。1 9 8 2 年，b u m h a 札s e l f 砘s 和s t r e l f 打等人提出了v c s e l 不同的设计专利，1 9 8 3 年提出了第一个外延生长的反射镜。1 9 8 8 年实现了g a 砧a 粥a 触v c s e l 的室温脉冲激 射，1 9 8 9 年实现了第一只室温工作的、低阈值电流的v c s e l 。在此成果基础上，v c s e l 2 垡壅垣莛太堂亟堂僮j 金塞 筮= 堂绪j 金 的研究取得了很大进展，各种结构和功能的二维v c s e l 阵列研制成功【1 1 】。二十世纪九 十年代后期，为满足1g b s 光纤和以太网激励源的配套应用，美国、加拿大、瑞士、 德国开始批量生产v c s e l 激光器，v c s e l 开始商用。 起初，v c s e l 的研究限于发射波长为8 5 0n m 一9 8 0n m 的激光器。但由于1 3 ll u n 和1 5 5 岬分别是光纤的零色散和低损耗窗口，研究人员对这两个发射波长的v c s e l 进行研究，取得了很大进展。1 9 9 5 年，k o n d o w 和u o m i 等人【1 2 】【1 3 1 首先提出了在g a 舢 基底上用制n n 舡材料制成的1 3 岬的v c s e l ，随后，研制出i n g a 触p 等新型材料 制成的1 3 岬波长的v c s e l 。二十一世纪，i n g a 朋a s 和触i n g a a s 制成的v c s e l 已 成功实现【1 4 【1 5 1 【1 引。2 0 0 3 年，h o n e y w e l l 推出波长为8 5 0n m ，速率为1 0 0m h z 4 2 5g 1 舷 的v c s e l 激光器和探测器产品。2 0 1 0 年，德国研制出波长为8 5 0n m 、有7 个独立通 道、每个通道最高速率达5g b p s 的v c s e l 阵列产品。2 0 1 1 年1 月，德国v i 公司成功 完成了其4 0g b p s 速率的v c s e l 系列芯片开发项目，下一步是如何实现该光缆产品的 低成本制造【1 刀。 1 3v c s e l 的模型研究 1 3 1 半导体激光器等效电路建模概述 随着计算机的普及和计算机辅助设计( c a d ) 工具的日趋成熟，设计现代光纤通信 系统通常以c a d 为基础，而器件的等效电路模型是计算机辅助设计的基础。做为光纤 通信系统重要光源的垂直腔体表面发射激光器，建立精确且简单的的等效电路模型对于 光纤通信系统的计算机辅助设计有着至关重要的作用。 目前研究半导体激光器模型的方法主要有两种。第一种方法是基于器件级模型 ( d e v i c e 1 e v e lm o d e l ) ，这类模型基于描述半导体激光器有源层中电子空穴对和电磁场 相互作用的一维至三维麦克斯尔方程组，通过计算机程序来描述激光器的内部物理机 制，预测激光器的工作特性。这种方法精度较高，可以比较准确的描述激光器的内部特 性，但是由于要进行电磁场分析，计算量大，求解速度慢，对于算法的要求比较高；同 时，随着激光器工作速度和工作频率的不断提高，激光器封装中引入的寄生参数对器件 性能的影响已经不能忽略，目前这种方法仅用于理论分析。第二种方法是基于电路级模 垡丕崾菹态堂亟堂焦j 盒塞箍二重绪监 型( c i 嗽j i t 1 e v e lm o d e l ) 【1 8 】，这种方法从描述半导体激光器有源区载流子和光子相互作 用关系的速率方程出发，建立相应的等效电路模型，通过提取等效电路模型的参数来求 解速率方程，以便进行器件特性的研究。这种方法大大简化了编程量，求解速度快，而 且易于和微波射频集成电路计算机辅助设计软件相结合，是目前应用的最广泛而有效的 方法。 1 3 2v c s e l 的基本工作原理 半导体激光器的种类很多，按照出射激光的方向，可以分为边发射激光器和面发射 激光器。但各种激光器的基本工作原理是一样的，产生激光必须具备三个基本条件【9 】， 即：( 1 ) 有源区内载流子呈粒子数反转分布，即处在高能带导带底的电子数大于处在低 能带价带顶的空穴数；( 2 ) 有一个合适的谐振腔，使受激辐射在其中得到多次反馈，形 成激光振荡；( 3 ) 泵，即激光媒质必须能够提供足够大的增益，使光增益等于或大于各 种损耗之和，形成稳定振荡。 在物质的原子中，存在很多能级，最低能级日为基态，大于基态的能级为激发态 b ( 卢2 ，3 ，4 ，) 。根据普朗克定律，两个能级之间光子跃迁会伴随着能量为奶2 钮局 的光子的吸收或辐射。在没有外界激励作用的情况下，电子处于低能级局，在外界激 励作用下，电子吸收光子能量跃迁到高能级历，这种跃迁称为受激吸收，如图1 1 ( a ) 所示。处于高能级的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动跃迁到低能级 e ，上与空穴复合，释放的能量以光子的形式辐射出去，这种跃迁即为自发辐射，如图 1 1 ( b ) 所示。处于高能带易上的电子，在外界激励的作用下，被迫跃迁到低能带历上 与空穴复合，释放的能量以光子的形式辐射出去，称这种过程为受激发射，如图1 1 ( c ) 所示。受激发射产生的光波具有很强的相干性，在这种情况下，激光发射成为可能。 通常情况下，本征半导体中的电子和空穴对是成对出现的，在p n 结界面上，扩散 运动和漂移运动达到平衡。如果此时对p n 结加外界激励，使得本征半导体内部扩散运 动增强，p n 结增益区导带主要是电子，价带主要是空穴，形成粒子数反转分布状态。 在半导体激光器中，通过在器件接触面向半导体中注入电子来填充导带的低能级，实现 粒子数反转分布。 谐振腔的作用是对光波进行选择性激励，使发出的光谱具有很窄的线宽。泵是光波， 即光子流激发的电荷源。半导体激光器是通过向半导体激光器的p n 结注入电流，使有 源区内的载流子呈粒子数反转状态，产生受激发射；受激发射的激光通过谐振腔正反馈 实现光放大，产生激光。 初态p 一 l l 。一童 ( 鑫) 图1 1 能级和电子跃迁( a ) 受激吸收( b ) 自发辐射( c ) 受激发射 按照发射激光的方向，半导体激光器分为边发射激光器和面发射激光器两类。传统 的边发射激光器发射的光束和衬底平行，而垂直腔体表面发射激光器发射的光束垂直于 衬底。图1 2 给出了典型的v c s e l 的基本结构示意图【1 9 】，和常规激光器一样，其有源 区位于两个限制层之间，并构成双异质结，图中的反射系统分别由s i 0 2 和s i 舢2 0 3 材 料构成，其中s i 0 2 反射镜位于光输出边上，s i 2 0 3 材料构成的氧化层位于衬底边上。 限流区 图1 2 典型的v c s e l 的基本结构示意图 这种与传统边发射激光器不同的结构，使得v c s e l 具有很多优势：( 1 ) v c s e l 的腔长很短，为微米数量级，这导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵 互互 模工作，动态调制频率高。( 2 ) 发射的光束发散角小，远、近场分布呈圆形对称，和光 纤的耦合效率高。( 3 ) 腔体积小，支持在片测试，开发成本低；发射光与衬底垂直，易 于形成高密度的v c s e l 二维阵列，实现更高功率的输出。( 4 ) 制造工艺与发光二极管 兼容，大规模制造的成本很低。这些突出优点使得v c s e l 成为中短距离光通信的理想 光源，大量应用于并行光互连、宽带以太网和高数据通信网【2 叭。 1 3 3v c s e l 模型研究流程 v c s e l 建模的般流程为：对所研究的v c s e l 器件提出或者选用一个模型，提取 出该模型的参数值，并使用相应的仿真工具对该电路模型进行仿真，然后将仿真的数据 与之前该器件测试所得的参数进行对比，如果数据在所要求的范围内吻合较好，则该模 型能够较好的表述该器件的特性，可以用于该器件在这些特定特性方面的研究，如果误 差较大，则需要对模型进行改进，直至模型能够较好的表征器件特性为止。 图1 3 给出了光电子器件建模的一般流程图。 图1 3 光电子器件建模流程图 对v c s e l 的模型进行参数提取通常有两种方法：第一种是直接法，即利用模型参 数的意义，结合模型，从测试所得到的数据出发，直接推导出模型参数值。第二种是拟 6 一 坐丕垣菹叁堂亟堂焦途塞簋= 童绪论 合法，也叫优化法或分析法，即设定目标函数，采用一定的算法进行迭代拟合，得到模 型参数值。这两种方法各有优缺点：前一种方法较为直接简单，但精度有限，而第二种 方法对算法和初始数值的设定有要求，需要一定的经验才能取得较满意的结果。 1 3 4v c s e l 等效电路模型的研究现状 目前研究的v c s e l 等效电路模型大多基于t u c k e r 模型【2 l l ，等效电路模型通常可 以分为两个部分，即表征v c s e l 芯片寄生效应的寄生网络部分和表征光电转化效应的 本征部分。v c s e l 寄生部分的电路模型通常用电阻、电容、电感等基本的分布参数元 件来等效，而本征部分的电路模型通常基于描述v c s e l 内部载流子和光子相互作用的 速率方程，即通过速率方程的变换建立等效电路模型，然后通过提取等效电路模型的参 数来求解速率方程，以便研究v c s e l 的特性。 和普通的半导体激光器不同，v c s e l 有源区的输入阻抗很大，因此偏置在阈值电 流以上时，有源区不能等效为短路，此时，常用于提取等效电路模型参数的直接法不再 适用于v c s e l 等效电路模型参数的提取。本论文结合直接法和分析法，即采用半分析 法对v c s e l 等效电路模型进行参数提取：用直接法提取出部分元件的参数值，然后剥 离该部分元件对电路的影响，用拟合法对直接法未提取出的的电路元件进行参数提取。 1 4 论文的主要工作和结构 本论文的工作围绕垂直腔体表面发射激光器等效电路模型分析展开，内容主要包括 垂直腔体表面发射激光器的小信号等效电路模型研究和垂直腔体表面发射激光器的大 信号模型在s d d 中的应用。各章的主要内容如下： 第一章是绪论，回顾了v c s e l 的发展历史，介绍了v c s e l 及其等效电路模型的 研究流程和现状，简单介绍了v c s e l 的基本工作原理。 第二章简要给出了半导体激光器发展过程中几种主要的激光器的结构，着重对q w 激光器和v c s e l 激光器的性能和应用进行了总结，并对这两种激光器各自的优缺点进 行了对比。 第三章介绍了由半导体激光器的速率方程推出的v c s e l 的大信号等效电路模型和 小信号等效电路模型，采用半分析法对电路模型进行参数提取，并求解速率方程的参数。 第四章在第三章的基础上，将v c s e l 的等效电路模型嵌入电路模拟软件a d s 中进行 仿真，研究v c s e l 的特性。模拟结果和测试结果吻合良好，验证了模型的有效性和提取 垡丕崾菹太堂亟堂焦监塞 筮= 童绪j 金 方法的正确性 第五章对全文进行了总结，并指出了本文的不足之处。 参考文献 1 人民邮电报：全球电信业面面观。 h t t p ：、w w c f 0 1 n e t n e w s c o n t e n t 9 2 0 1 1 0 3 2 0 1 1 0 3 1 6 1 7 1 0 5 6 h t m l 2 h t t p ：，、矾 ，e d u c m s c9 9 3 1 2 0 1 0 1 2 1 3 t 2 0 1 0 1 2 1 35 5 3 1 7 3 s h t m l 3 宽带化已成为全球通信业发展总趋势。 h t t p ：i t s o u t h c n 州9 2 0 l o - 1 2 0 8 c o n t e n l l 8 2 6 8 1 7 7 h t m 4 常延廷闭幕致辞。h t t p ：i t 2 1 c n c o m z h u a n t i 9 t 1 1 ) ( i n x i g a n g l u n t a 呐1 7 h t m l 5 人民邮电新闻宣传理事会理事长常延廷：宽带化己成为全球通信业发展总趋势。 h t t p ：、v w w c n i i c o m c 嘶s c o n t e n t 2 0 1 0 - 1 2 0 8 n t e n t - 8 1 7 6 5 7 h t m 6 中国光纤光缆产业发展趋势探讨。 h t t p ：州眦c - f 0 1 n 叫n e w 眈o n t e n t 8 2 0 1 0 11 2 0 l o l l1 8 0 8 5 3 5 4 h t m l 7 2 0 l o 中国f t t h 发展高峰论坛：h t t p ：v m 例d o n e w s c o n 仉e l e 2 0 1 0 0 6 1 1 2 2 3 3 s h t m 8 解读“城市光网与“光纤到户。 h t t p ： 椭m c n i i c o m c n 俘) 【c o n t e 州2 0 1 l 一0 3 1 6 c o m e n l 8 5 4 1 3 1 h t m 9 v c s e l 在光通信中的应用和发展现状 h t t p ：腼b e r o 鼬e e k c o r 胞0 0 6 一0 8 a r t - 2 l o 0 0 3 8 3 0 0 - 1 2 2 9 8 0 0 1 h t i i l l 1 0 h s o d a ，k k 如c k i t a h 吼a i l dys u e m a t 眦，“( 试n a 觥1 1 ps u r f a c ee m i t t i n g 埘e 嘶o n l a s e r s ，j p n j a p p l p h y s ，v 0 1 18 ，p p 2 3 2 9 2 3 3 0 ，1 9 7 9 11 江剑平，半导体激光器，电子工业出版社，2 0 0 0 1 2 m k o n d o w k u o i i l i ，a n i w a ，t k i t a t a n i ，s w 缸a h i k i ，a n dy y - a z a w a ，“a1 1 0 v e l m a t e r i a lo fg a i r i n a sf o rl o n g - 、7 l ，a v e l e n 咎h - r a r 培el a s e rd i o d e sw i t he x c e l l e n tt l i g h _ t e m p e r a t u r e p e 而m a n c e ，”i np r o c 1 9 9 5 ，s o l i ds t a t ed e v i c ea n dm a t 瓯，o s 也i j a p 砜1 9 9 5 ，p p 1 0 1 6 - 1 0 1 8 1 3 m k o n d o w ，k u o i l l i ，a n i w 钆t k i t a t a i l i ，s 、7 1 7 r a t a h i k i ，锄dyy j 忆a w 钆g a i n n a s ：a n o v e lm a t e r i a lf o rl o n g - w a v e l e n 舒h r a n g el 勰e rd i o d e sw i t he x c e l l e n tl l i g h - t e m p e r a ：t u r e p e 而九l ：l a n c e ，”j p n j a p p l p h y s ，v 0 1 3 5 ，p p 1 2 7 3 一1 2 7 5 ，1 9 9 6 1 4 wh 0 f m 锄玛n h - z h u ，m 0 r t s i e f e r ，gb o l l i i l ，yl i u ，a n dm c a m a n i l ，“h i 曲s p e e d 殳 m a u t e ，a n dm c a m a n 几“10 - g b sd a t at r a n s m i s s i o nu s i n gb c bp a s s i v a t e d1 5 5um i n g a a l a s - i n pv c s e l s ，”正e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，v 0 1 1 8 ，n o 2 ，p p 4 2 4 _ 4 2 6 ，j a l l 2 0 0 6 1 7 v i 系统完成4 0 g b p sv c s e l 芯片开发项目： h t t p ：、v w w c f o l m e t n e w s c o n t e n t 6 2 0 1 1 0 l 2 0 l l o l l 8 0 8 0 1 4 9 h t m l 1 8 高建军，高葆新一个简单的量子阱激光器等效电路模型固体电子学研究与进 展，1 9 9 9 ，1 9 ( 0 3 ) 1 9 高建军，高速光电子器件建模及光电集成电路设计技术，高等教育出版社，2 0 0 9 2 0 h t t p ：、v w w e l e c f a n s c o m b a i k e b a n d a o t i b a n d a o t i q i j i a n 2 0 1 0 0 4 0 2 2 1 4 1 7 7 h t m l 21 t u k e rr s ，k a m i n o w m “h i g h - 仔e q u e n c yc h a r a c t 舐s t i c so fd i r e c t l ym o d u l a t e di n g a a s p r i d g e w a v e g u i d ea n db u r i e dh e t e r o s t r u c t l 鹏l a s e r s jl i g h m a v er i k h n o r ，1 9 8 4 ；2 ( 4 ) ：3 8 5 3 9 3 9 第二章v c s e l 和边发射激光器的比较 在第一章中我们提到，按照激光发射的方向，半导体激光器可以分为边发射激光器 ( e d g ee m i t t i n gl a s e r ，简称e e l ) 和表面发射激光器。传统的边激光器发射的光束平行 于衬底，主要包括法布里一珀罗( f a b 巧一p e r o t ，f p ) 双异质结激光器、分布反馈激光器 ( d i s t r i b u t e df e e db a c k ，d f b ) 、量子阱激光器( q u a n t u mw e l l ，q w ) 等，而垂直腔体 表面发射激光器发射的光束是垂直于衬底的【1 1 。本章将讨论e e l 和v c s e l 各自的结构 特点，并对q w 和v c s e l 的性能和应用进行对比。 2 1 结构 f p 双异质结激光器可以得到较宽的光谱宽度，它的受激辐射光在f p 谐振腔中产 生，是电子在位于价带和导带之间连续分布的能级之间跃迁产生的。图2 1 给出了f - p 谐振腔的分析示意图【2 l ，图中l 为谐振腔腔长。从图中可以看到，f p 谐振腔是由两个 平行的反射镜构成的，由于谐振腔内的粒子数是反转分布的，用谐振腔自发辐射产生的 光作为入射光，反射镜为谐振腔提供强的纵向光反馈，这样，沿轴线方向的传播的光经 过多次反馈被放大。f p 谐振腔内可能有多个谐振频率，但其只在增益大于损耗的频率 上振荡。当反射镜之间的距离为半波长的整数倍时，谐振腔产生稳定的频率。 郄 杂 呕 增益介质 河 迎 繇 图2 1 典型的法布里珀罗谐振腔分析示意图 随着技术的进步和光纤通信系统的发展，对激光器的要求也越来越高。在f p 激光 器的基础上，分布反馈激光器出现了。和前者用两面平行的反射镜对光进行反射放大不 同，d f b 激光器的反射是由周期性衍射光栅或布拉格光栅来产生反馈并形成激光辐射 的，如图2 2 所示。从有源层发射的光，方向跟光栅方向平行，在传播过程中，一部分 光在光栅的波纹峰处反射( 如光线a ) ，另一部分则继续向前传播，在邻近波纹峰被反 射。波长相互匹配的光彼此叠加，产生更强的反馈，而其他波长的光则相互抵消；整个 光栅成百上千个波纹峰处反射的光叠加起来，反馈光的总和产生激光震荡，形成激光。 1 0 垡丕垣菹太堂亟堂焦途塞箍三重巡墨星l 塑垫蕉魁邀迸矍的出筮 图中的人为光栅周期。 电极 电极 光栅 ( b ) 图2 2d f b 激光器基本结构示意图 对一般的d h 激光器来说，有源层的最佳厚度为o 1 5 岬时，有源层中的载流子状 态与单电子近似，激光在两个能带之间进行辐射跃迁；此时，如果有源层的厚度继续减 小，直至与波尔半径( 卜5 0n m ) 相比拟时，载流子在薄的有源区的运动会出现空间量 子化效应，此时半导体的性质发生根本变化，称这种激光器为量子阱( q 、聊激光器1 3 1 。 量子阱的概念最先是在二十世纪六十年代末由在m m 工作的日本人江琦( e s a k i ) 和中国 人朱肇祥提出。量子阱激光器主要包括单量子阱( s i n g l eq u a n t u m nw r e l l ，简称s q 、聊激光 器、多量子阱( m u l t i p l e ( 舢a n t u 砌w b l l ，简称m q 、聊激光器和渐变折射率分离限制异质 结( g r a d e d i n d e xs e p a u r a t e - c o n f i n e m e n th e t e r o s t m c t u r e ，g 暾i ns c h ) 激光器。图2 3 、图2 4 和图2 5 分别给出了单量子阱激光器、多量子阱激光器和渐变折射率分别限制异质结激 光器的结构和能带结构示意图。 垡丕垃蒸太堂亟堂焦j 金塞筮三童迎墨星垦塑垫筮魅邀遣墨的丝筮 接触层 覆盖层 限制层 限制层 覆盖层 接触层 量子阱 图2 3 单量子阱激光器的结构和能带示意图 限制层 黝缓缀嬲缓瀚缀嬲黝嬲鹈鞣缀獭 限制层 缀缓缓缓缓黝缓缓缀缓缀籀瑷黼 限制层 限制层 子阱 图2 4 多量子阱激光器的结构和能带示意图 p _ g a a s p _ a l x g a l 4 s p - a l ( 乩乜 未捞 n a l g 副钰 n - a l x g a l 缸 n ( h a s g a a s 衬底 ( a ) 杂的g a 舡 ( b ) 图2 5 渐变折射率分别限制异质结激光器的结构和能带示意图 些丕哑菹太堂亟堂焦j 盒塞 差三重巡墨星曼塑垫筮牡邀世墨鲍出筮 f p 激光器、d f b 激光器和q w 激光器都属于边发射激光器，其能带结构通常为双 异质结，即两层宽带隙材料之间夹着窄带隙的有源层，注入有源层的载流子被限制在这 个很窄的区域，实现很高的载流子密度和有效的辐射复合；反射镜通过晶体解理形成。 量子阱结构使得垂直腔体表面发射激光器成为可能。和边发射激光器不同，v