[00649905]1.3μm高速调制半导体激光器的材料和结构设计

该项目为河北省自然科学基金资助项目，项目编号为603080。起止时间为2003年1月至2005年12月，经费9.0万元。由河北工业大学、中国电子科技集团公司第十三研究所完成。在河北省自然科学基金的资助下，按照项目任务合同书的要求，研究的主要内容为：对高速调制半导体激光器的相关特性的理论进行了研究，完成了1.3μm高速调制半导体激光器的材料、结构及高速封装设计制作。该课题研究了影响激光器调制特性的各种因素，着重研究了寄生参量中寄生电容对调制特性的影响。研究了脊波导高速激光器的波导结构如何对模式进行限制以及寄生电容对器件调制特性的影响，提出了一种降低芯片分布电容的工艺方法，可将分布电容降低一个量级以上，使激光器工作带宽明显提高。该项目对高速半导体激光器的封装耦合进行了理论分析，设计了两种耦合方案，建立了两种耦合方式的理论模型，对高速半导体激光器的封装耦合进行了工艺设计。该课题对1.3μm高速半导体激光器进行了设计制作。主要研究内容为材料结构的优化设计和计算机辅助模拟，以及材料的外延生长。研究还涉及到了器件的高速封装、测试。针对GaInAsP/InP材料体系的特性进行研究。通过对多量子阱应变理论的分析和计算，结合波长设计，给出了合适的应变量、材料组分。通过对材料的阈值和温度特性研究得到优化的腔长、阱数。对光波导模式理论进行了理论分析和计算，得出了激光器优化波导结构。对材料的增益、载流子输送、光场强度、光谱等特性进行了模拟并给出了最终的优化结构。通过对发光波长1.3μm的应变量子阱激光器的结构设计，采用分别限制异质多量子阱(SCH-MQW)结构。在不同的情况下对激光器材料进行外延生长，并对不同生长条件下外延材料的特性进行了测试对比，得出优化外延条件。面对高速半导体激光器的高调制特性，为了降低器件的寄生电容，对不同电极、波导结构进行设计分析。通过最终的的调制特性分析，给出最佳的器件工艺结构。该课题的研究将为高速半导体激光器的研究提供新的工艺研究方法。该课题研究的技术关键和创新点如下：1．首次用平板电容近似计算的方法，分析了脊波导激光器的寄生电容，得出结果为：脊波导激光器的寄生电容的大小不仅与电极金属化面积有关，还与隔离槽的腐蚀深度有关。2．首次提出了一种新的降低芯片分布电容的方法即控制隔离槽的腐蚀深度，可将分布电容降低一个量级以上，使激光器工作带宽明显提高。3．设计半导体激光器的管芯结构，来达到减小寄生电容和串联电阻等寄生参数影响的目的，从而提高激光器的调制带宽。4．给出了1.3μm高速调制半导体激光器部分参数的最佳值，有利于提高器件的特性和质量。5．得到的计算与分析软件将为高速光器的设计、制造和理论分析提供有效的帮助。6．经国内外查新检索表明：“国内外均未发现与该课题综合技术特征完全相同的专利及非专利文献报道”。该课题的研究达到了预期的目标。高速调制半导体激光器的应用范围相当广泛。它不仅是超长距离、超大容量光纤通信系统的关键器件，而且在高速信号处理系统、高速波分复用系统中也占有非常重要的地位。此外，它还在Ku波段工作的光纤光微波连接及遥控天线、相控阵雷达、微波延迟线和负载波通信系统等方面有着广泛的应用前景。