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半导体微腔的设计与实现

作　者: 李珏蓉
导　师: 任建华
学　校: 北京邮电大学
专　业: 光学工程
关键词: 半导体微腔激光器腔量子电动力学传播矩阵法 Sellmeier方程金属有机化合物气相沉积
分类号: TN302
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来,随着现代超薄层材料生长技术(以分子束外延MBE和金属有机化合物气相沉积MOCVD等技术为典型代表)和各种超精细加工技术的发展,小尺度半导体微腔(Semiconductor Microcavity)的研究引起人们的浓厚兴趣。尤其是1992年Weisbuch等人首先在半导体平面微腔中观察到光与激子强耦合相互作用引起的Rabi分裂后,半导体微腔越来越受到人们的关注,它适用于很多光通讯领域的器件,如激光器、光学滤波器、光波分复用器、光开关、光调制器以及非线性频率转换器等。本文对半导体微腔的基本原理和理论进行了介绍,主要工作是设计出基于砷化镓铝材料,低温10K下谐振波长在800nm,腔长为5λ的半导体微腔,通过对实际生长微腔的常温和低温的反射谱的测量和仿真模拟,确定低温下腔结构三种材料的折射率系数,精度高达百分之一。首先,本文对微腔激光器研究背景,发展现状及几种结构特点进行了简要介绍。并介绍了微腔激光器的理论基础——腔量子电动力学。详细阐述了微腔中的自发辐射现象,Rabi振荡,微腔极化激元等。同时介绍了微腔物理最新进展如玻色爱因斯坦凝聚,极化激元激光等。其次,详细介绍了微腔的重要参数、设计理论和方法。包括在半导体器件设计中具有重要地位的传播矩阵法,计算半导体材料折射率的Sellmeier方程,垂直腔面发射激光器的基本结构,多层DBR的有效反射率的分析等。由于目前没有砷化镓铝材料在低温10K下波长800nm左右的可靠折射率实验数据可供参考,我们从理论估算的低温折射率出发,运用传播矩阵法设计谐振波长在800nm,腔长为5λ的半导体平面微腔,通过对微腔中存在的影响激光器品质因子的各种效应进行了分析,并就此对微腔激光器的设计进行了优化。最后,对生长的样品进行了常温和低温的反射谱测量,并进行一系列的仿真模拟,对实验结果进行拟和,确定了低温下800nm左右,三种材料的折射率系数,精度高达百分之一。本文的研究在微腔激光器的设计,半导体材料低温下折射率系数的确定等方面做了一些工作,为以后微腔激光器的设计,以及对低温下半导体折射率系数的确定提供了非常有价值的数据供参考。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-19
  1.1 引言  12-13
  1.2.几种微腔激光器的结构特点和发展现状  13-17
    1.2.1 垂直腔面发射激光器  13-15
    1.2.2 回音壁式(Whispering Gallery Mode)微腔激光器  15-16
    1.2.3 光子晶体缺陷微腔激光器  16-17
  1.3.本文研究内容  17
  本章参考文献:  17-19
第二章微型激光器理论—腔量子电动力学微腔物理最新进展  19-32
  2.1 微腔中的自发辐射现象  20-26
    2.1.1 Jaynes-Cummings模型  20-22
    2.1.2 弱耦合  22-24
    2.1.3 强耦合  24-26
  2.2 Rabi振荡  26-27
    2.2.1 经典Rabi振荡  26-27
    2.2.2 半导体腔中的Rabi振荡  27
  2.3 微腔极化激元(Microcavity Polariton)  27-28
    2.3.1 微腔极化激元的观测  27-28
    2.3.2 腔激化激元的色散关系  28
  2.4 玻色-爱因斯坦凝聚  28-29
  2.5 极化激元激光(Polariton Laser)  29-30
  本章参考文献:  30-32
第三章微腔结构的设计理论  32-46
  3.1 设计理论与原理  32-44
    3.1.1 传播矩阵法  32-36
    3.1.2 垂直腔面发射激光器的基本结构  36-38
    3.1.3 有效反射率法分析多层DBR引起的反射率  38-40
    3.1.4 F-P腔基本原理  40-42
    3.1.5 等效F-P腔法分析多层光学特性的基本思想  42-43
    3.1.6 Al_xGa_(1-x)As的折射率色散Sellmeier方程  43-44
  3.2 微腔参数及设计思路  44-45
    3.2.1 品质因子(Q factor)和微腔寿命(Cavity Lifetime)  44
    3.2.2 设计目标和思路  44-45
  本章参考文献:  45-46
第四章微腔设计和仿真模拟以及微腔的生长  46-57
  4.1 微腔的设计  46-51
    4.1.1 材料在低温下折射率系数及折射率色散关系的确定  46-47
    4.1.2 自由载流子吸收和GaAs衬底的带间跃迁吸收对折射率的影响  47-48
    4.1.3 微腔等效F-P腔反射系数的计算  48
    4.1.4 数值模拟及结果  48-51
  4.2 微腔设计优化  51-53
    4.2.1 DBR周期数优化  51-52
    4.2.2 顶层缓冲层效应  52
    4.2.3 设计结果  52-53
  4.3 计算微腔中的驻波  53-55
  4.4 微腔——金属有机气相外延(Metalorganic Vapour Phase Epitaxy)方法  55-56
  本章参考文献:  56-57
第五章微腔实验测量和分析  57-64
  5.1 实验装置测量结果  57-59
  5.2 数据分析和折射率参数修正  59-63
    5.2.1 数据分析  59
    5.2.2 折射率参数修正  59-63
  本章参考文献:  63-64
第六章总结  64-65
附录  65-69
致谢  69-70
攻读学位期间发表的学术论文  70

半导体微腔的设计与实现

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