（微电子学与固体电子学专业论文）耦合量子阱能级特性与结构优化的研究.pdf

a b s t r 8 e t q u a s i s y & m e t r i ce 。u p l e d u 啦t u 翔w e ll i sp r o j e e t e d 。 t h i r d l y ，b a s e do nt h ep r o p e r t i e so fq u a 8 i s y m m e t r i cc o u p l e dq u a n t u m 嚣e 王lp 。t e 辩专i 8 l ，t h es e l e c t e 蠢涔i n e i p l e 。f 挂氇鞋t u 琢榉e 王王i l l a t e r i 8 l si sw t f o r w a r d ，a n di n p b a s e di n g a a 8 i n a l a si i 】a t e r i a lp a r a m e t e r sa r ej i l o d i f i e d 8 yb a s t a r d s 专w o b a n dm o d e l ，t h ei n f 王u e n e eo fb a n dm i x i n ge f f e e tb e t 胃e e n t h ec o n d u c t i o nb a n da n dv a l e n c eb a n do ne l e c t r o na n d1 i g h th 0 1 ee f f e c t i v e m a s s e si sc o n s i d e r e da n dt h et u n n e l i n gr e s o n a n c em e t h o di su t i l i z e df o r 8 0 l v i n go u tt h ee i g e n e n e r g i e 8a n de i g e n s t a t e so fq u a n t h mw e l l f o u r t h l y ， b a s e do nt h es i xr u l e sf o ro p t i m i z i n gq u a s i s y m m e t r i c e o 娃p l e d 毽u a n t 疆弼w e l lp o t e n t i 鑫le o 秘f i g 鞋r a t i o n ， a 王lp 挂8 毽e t e r sf g p i n p _ b a s e di n g a a s i t l a l a sq u a s 卜s y 咖e 钮i cc o u p l e dq u a n t u mw e l la r e c a l e u l 8 t e 鑫， t h e nt h e8 l e c t r o o p t i ep r o p e r t i e so ft 魏eo p t i 蕊i z e de o u p l e d q u a n t u mw e l la r op r e s e n t e d t h es im l n a t i n gr e s u l t sm a n i f e 8 tt h a tt h e p o l a r i z 8 t i o nd e p e n d e n c eo fq u a n t u mw e l lm a t e r i a l si ss o l v e dp e r f e e t l y ， a n di nt h ec a s eo fl o wa p p l i e de l e c t r i ef i e l d ( f 。多釜子辩朦由2 0 个餍赣静i n g a a 8 p i n p 肇量子辩组成，并被嵌入 反偏的p i n 二极管的本征层中，用于产生折射率变化。此种结构的电光开关由 于采用了三角锥形引桥，窜擒可以馓的较低，为一2 0 d b ，传输损耗也可降至 一2 d b m f 2 2 ，2 3 1 。 第一章爿r e ( a ) 叠呶 1 怂 辆6 幽p 陆1 柏靼叫 j 删a 恤 o n 艚 ( b ) 图卜3 ( a ) y 分叉量子阱电光开关示意图( b ) p i ( q u a n t u m w e l l ) 一n 层结构 ( 2 ) 交叉全内反射型结构 交叉全内反射型量子阱电光开关三维立体图和横断面图见图卜4 。多量子阱 层由4 0 个周期i n g a a s i n p 单量子阱组成，光开关也是做成p n 结，且控制电压 处于反向偏置状态。不加电压时，信号从直通端只输出；加上控制电压，则由 于与直通端只相连的交叉区域多量子阱层产生负的电场诱导折射率变化，信号 被全反射，从反射端只输出。有些文献也报道利用量子阱产生的正的折射率变化 制作全内反射型电光开关，但开关消光比很低，不到1 0 d b 2 4 。全内反射型电 浙江大掌博士掌位论文 光开关结构紧凑，理论上容易实现较高的消光比。由于一些技术方面的原因，目 前消光比只能做到2 0 d b 左右 2 5 3 0 。 i 图卜4 交叉全内反射型电光开关三视图和交叉区域横断面图 ( 3 ) m a c h z e h n d e r 型结构 图卜5 ( a ) 所示的m a c h z e h n d e r 型量子阱电光开关由两个2 2 删i3 d b 耦 合器和一个移相部分组成，波导为深刻蚀，其横断面见图卜5 ( b ) 。采用i3 d b 耦合器和波导深刻蚀可以减小模式间插入损耗的差异 3 卜3 2 。两臂间的相位差 ( a ) 一 ( b ) 黼l 一5 疆8 c h z e 确d e r 黧结梅 麓庐= 等血三，其中a 拧蹩波寻有源屡( 多量予阱层) 毫场诱导的折射率改交， 点为毫裰长度 3 3 l 。豫e h z e h n d e r 垄量予瓣窀光开关嗣俸工艺翡簧求琵较低， 但存在相位周期性及波长敏感性，消光比较难提高，一般只有十几个d b 3 1 ，3 2 ， 3 4 。 ( 4 ) 直接耦台型结构 图卜6 为一种直接祸含型结构量子阱电光开关示意图 3 5 。凭电场时，入射 光疆合遘入旗近波导麸蝼疆b 输爨( 交叉态) ；当反囊镳嚣热在魏图嚣示弱波导 臀上，输出光被扳回原来的波导，从端口c 输出( 直通懑) 。该结构的弯曲小， 怒粝爵浚綮紧遮被隈翻在波导中，减枣了弯趋豢耗，结筏瞧较紧凑，霞予耱竞纾 阵列的耦台 3 5 ，3 6 。但是，这几种结构的量子阱电光开关消光比做得都不是很 赢，一般在2 0 d b 隘下，除了毒l 俸工艺方黼的原因，更重溪的在于：灸了便矩形 量予阱材料得到我们所需的折射率变化，必须加上一个较大的电场，面电场的加 大将导致材料吸收边红移和激予吸收峰加宽。本论文侧熏于寻求一种低工作电 场、低吸收损耗、太场致辑射率变化的薪型量子戳结构，因此在下嚣给出溪内外 在这方面的研究情况。 1 0 澌江大掌捧士掌位鞠文 图卜6 直接耦合型结构量子阱电光开关示意图 1 4 耦合量予阱的国内外研究状况 受了解决斑形量子阱材料吸收损耧大盼缺点，国内外研究祝构对半等体量子 辨结构的光电特性作了广泛的研究。藕合量子阱由于存在比单鬟子阱更大豹量子 限制s t a r k 效应，越来越受到了人们的关注 3 7 4 7 j 。 l 。4 1 凝会量予辫豹嚣骣磅究状汉 美潮和r 本在耦合量子阱理论和实验研究上，一真处于领先地位，在材料光 耄蒋蠖分耩上美莺占优势，在藕合量子辫豹应瓒磺究主爨本走在蘸蟊，已经蔫糕 台量子阱制作出了光调制器、光放大器、光开关等光电子器件。 ( 1 ) 耦合燕子璐滗电蒋畿的理论磷究及蜜验验诞 耦合量子阱能级特性的研究是耦合量子阱光电特性研究的燕要组成部分。能 级特性主要包含：电子和空穴子能级的形戚；各予能级随外电蛹的变化。 藕合量予阱按鳞梅分哥以分成薅类，一类为对拣粳舍量子璐，类为 # 对穗藕合 量子阱。对称耦台量子阱的理论处理比 对称阱简单，因此许多文献对它的电子 粒空穴豁子魏缎澎藏畜魄较详鬃貔蛩 究【3 7 ，4 9 ，鞠，5 l 】。在文献 s o 】中秘震擞拣 论定性地给出了对称阱中电子和空穴予能级的形成及随外场变化规律，见图 l 一7 鞫】。扶圈中可戳瑟舞：由于戮阉存在藕合，擎慧子良中静电予葶拜重、轻 空穴基态能级分裂成能擐较低的对称能级与能麓较高的反对称能级；在外加 媳场终爆下，这魑予裁级豹裂题控大。文中绘爨了零电绣对( 露= o ) 对称阱中 对称能级( 一) 、反对称能缀( 十) 与单阱能缀的关系式： 墨，= 嚣o ，a 彳， ( 1 一1 ) 其中下标投表匙子、轻藏空穴，懿，为尊量子阱瞧予、轻重空穴基态能级，；是 归因于阱间耦合的能级裂距。各予能级随电场变化关系式如下： 墨，留) = 蜀，暖) + + ，暖) 。 ( 1 2 ) 其中毛； ) 是期魄场对攀量子黪电子、辍重空穴蒸态能级，。；暖) 辫阕耦台受电 场影响时能级分裂，e 为外加电场。非对称耦合蹙子阱( 妇于空间结构不对称，相 藏的子黥缀不髓筒单遣麴结为对称和反辩称能缀，一般楚遴过数穰求解薛定锷方 程绘出非对称阱中电子和空穴各予能级本征值、波函数及其随外场变化规律 ( 5 卜5 4 。通常情况下数值计算的物理意义不够明确，徽难看出这些子髓级的来 源及摆互闽的关系。 验证耦合量子阱能级理论是否正确，最直观、最有效的就是观察量子阱材料 豹乳 。魏努，五狯；瓣称藕合量子辫淤孛溺懿亵垒蠢驰s 窝甑垒 爿气，g ，一s 间距很小 4 5 ，5 9 ，对材料生长要求过高，降低了该类藕合辨豹实 甜 叫 嗽 ” o c皇gn|t童1 翅捡僮。要真正篼勰台爨予袋，特剽是 # 对豫糕会量予辫应用到电光开关或行波 调制器中去，从目前研究现状来看，主器有以下几个问题还有待于解决： ( 1 ) 对髂辍合爨子袋中邀子、黧穴子黥级熬来源，耀与擎量予辫戆级戆关系? ( 2 ) 非对称耦合墩子阱中电子、空穴子能级随电场的变化规律和电场所起的作 箱? ( 3 ) 是不是为了实现一个大的电场诱导的折射率变化定要象五阶阱那样采用 a l a s 高垒而且这个高垒与旁边的a l g a a 8 垒间躐定要这么近，也就是说，能否 设计出静耨结构的耦合辫，照样可以囊现大静折射率变化丽制 乍难度比五跄璐 低? 毅兹本论文懿王器主要分舞嚣帮分： 1 ) 瓣勰台豢予辫，特裂是 对豫鹚合量予 阱的子能级来源和相互关系及它们随外电场变化规律作理论研究：( 2 ) 根据理论 矫究维鬃提出一稀薪静藕合量予辩结构，并对该薪壅酶耩合量子辨进行结构饶 化，如肖可能，制作相应的波导器件作实验验诞。 l 。6 本论文的内容 本谂文共巍五章缀残： 第一章是绪论，简单地介绍了光通信的发展历程，光开关( 含量子阱电光开 关) 研究概凝，耩合量子阱国肉夕 研究糯棱，并提出本论文静疆的、醑究内容移 论文组成。 第二章是藕合量予阱能级特性研究。对单阱、耦合阱子能级来源及随外电场 变化作邋论研究，分析对称耦合阱、j # 对称耦会骥用于电光开关中的优劣，并提 出一种新的耦合量子阱结构。 第三章将j 宝乏第二章中提出数准对称旗台量予骐为材凝结筠，壤据光开关戆王 作条件，优化其结构参数，得到一种工作波长为1 5 5 删、吸收损耗小于1 0 0 c m 一；、 外电场fs2 5 如c m 时折射率变化大于o o l 虽偏振无关的新型量子阱结构。 第豳章介缨了有关制作工藏的研究。 第五章是总结，并提出今厩要继续做的一魑工作。 参考文歉 1 陈才和主编光纤通信。北京：电予工业出版社，2 0 0 4 1 9 第一：章捌 论 2 k i s h i d a ， h n a k a m u r a ， h m a t s u m u r a ， t k a d o i ， a n dh i n o u e ， i n g a a s i n po p t i c a ls w i t c h e su s i n gc a r r i e ri n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e x c h a n g e ，” a p p l p h y s l e t t ，v d l 5 0 ，p p 1 4 l 1 4 2 ， 1 9 8 7 3 m e r m a n ， s e m i c o n d u c t o rb a s e ds w i t c h e sw i t h i nt h er a c ep h o t o n i c s w i t c h i n gp r o g r a m ，” i no s ap r o c p h o t o n i cs w i t c h i n g ，s a l tl a k ec i t y ，u t ， v 0 1 8 ，p p 1 4 1 7 ，1 9 9 1 4 p g r a n e s t r a n d ， b l a g e r s t r o ，p s v e n s s o n ，l t h y l e n ，b s t o l t z ，k b e r g v a l l ，j 一e f a l k ，a n dh 0 l o f s s o n ，“i n t e g r a t e do p t i c s4 4s w i t c h m a t r i x w i t hd i g i t a lo p t i c a ls w i t c h e s ，” e l e c t r o n l e t t ，v 0 1 2 6 ，p p 4 5 ， 1 9 9 0 5 j f v i n c h a n t ， m r e n a u d ， a g o u t e l l e ， m e r m a n ， p s v e n s s o n ， a n d l t h y l e n ， “l o wd r i v i n gv 0 1 t a g eo rc u r r e n td i g i t a lo p t i c a ls w i t c ho ni n p f o rm u l t i w a v e l e n g t ha p p l i c a t i o n s ，” e l e c t r o n l e t t ， v 0 1 2 8 ，p p 1 1 3 5 一1 1 3 7 1 9 9 2 6 g e o r g i o si e ta 1 ， “o p t i c a ls w i t c h i n g ：s w i t c hf a b r i c s ，t e c h n i q u e s ， a n da r c h i t e c t u r e s ”， j l i g h t w a v et e c h n 0 1 ，v 0 1 2 1 ，p p 3 8 4 4 0 5 ， 2 0 0 3 7 h n a k a j i m a ，“d e v e l o p m e n to ng u i d e w a v es w i t c ha r r a y s ”，i e i c et r a n s c o 姗u n ，v 0 1 e 8 2 一b ，p p 3 4 9 3 5 6 ，1 9 9 9 8 m y u n g h y u nl e e ， e ta 1 ， “p 0 1 y m e r i ce 1 e c t r o o p t i c2 2s w i t c h c o n s i s t i n go fb i f u r c a t i o no p t i c a la c t i v ew a v e g u i d e sa n dam a c h z e h n d e r i n t e r f e r o t l l e t e r ”， i e e ej s e l e c t e dt o p i c si nq u a n t u me 1 e c t r o n i c s ，v o l 7 ，p p 8 1 2 8 1 6 ，2 0 0 1 9 a k i r ah i m e n o ， e ta 1 ，“s i l i c a b a s e dp l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t s ”， i e e ej s e l e c t e dt o p i c si nq u a n t u me l e c t r o n i c s ，v o l 4 ，p p 9 1 3 9 2 4 ，1 9 9 8 1 0 m r a z e g h i ，“o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sb a s e do ni i i vc o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r sw h i c hh a v e m a d eam a j o rs c i e n t i f i c a n dt e c h n 0 1 0 9 i c a l i m p a c ti nt h ep a s t2 0y e a r s ，” i e e e j s e l e c t e dt o p i c si nq u a n t u m e l e c t r o n i c s ， v o l 6 ， n 0 6 ，p p 1 3 4 4 1 3 5 4 ， 2 0 0 0 1 1 m r e n a u d ，m b a c h m a n n ， a n dm e r m a n ， “s e m i c o n d u c t o ro p t i c a ls p a c e 浙江大学冲簟士掌位。呛文 s w i t c h e s ”， i e e eo fs e l e c t e dt o p i c si nq u a n t u me 1 e c t r o n i c s ，v 0 1 2 ( 2 ) ， p p 2 7 7 2 8 8 ， 1 9 9 6 1 2 e g a r m i r e ， “r e s o n a n to p t i c a ln o n l i n e a r i t i e si ns e m i c o n d u c t o r s ”， i e e eo fs e l e c t e dt o p i c si nq u a n t u me l e c t r o n i c s ，v 0 1 6 ( 6 ) ，p p 1 0 9 4 1 l1 0 ， 2 0 0 0 1 3 t a k i y a m a ，n g e o r g i e v ，a n dt m o z u m e ，e ta l ， “1 5 5ump i c o s e c o n d a 1 1 一o p t i c a ls w i t c h i n gb yu s i n gi n t e r s u b b a n da b s o r p t i o ni n i n g a a s a l a s a 1 a s s bc o u p l e dq u a n t u mw e l l s ”，i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ， v 0 1 1 4 ( 4 ) ，p p 4 9 5 4 9 7 ， 2 0 0 2 1 4 g a f i s h ，e ta 1 ，“c o m p a c t ，4 4i n p i n g a a s po p t i c a lc r o s s c o n n e t w i t has c a l e a b l ea r c h i t e c t u r e ”，i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ， v 0 1 1 0 ( 9 ) ，p p 1 2 5 6 1 2 5 8 ，1 9 9 8 1 5 g u n d 0 1 fw e n g e r ，m s c h i e n l e ，j b e l l e r m a n n ，b oa c k l i n ，j m u l l e r ， s e i c h i n g e r ， a n dg m u l l e r ，“s e l f a l i g n e dp a c k a g i n go fa n8 x 8 i n g a a s p 一工n ps p a c es w i t c h ”，i e e ej s e l e c t e dt o p i c si nq u a n t u m e l e c t r o n i c s ， v 0 1 3 ，p p 1 4 4 5 一1 4 5 6 1 9 9 7 1 6 k w a k a o ， e ta 1 ， “i n g a a s p i n po p t i c a ls w i t c h e s e m b e d d e dw i t h s e m i i n s u l a t i n gi n pc u r r e n tb l o c k i n g1 a y e r s ”，i e e ej o ns e l e c t e da r e a s i nc o 唧，v 0 1 6 ( 7 ) ，p p 1 1 9 9 1 2 0 4 ，1 9 8 8 1 7 庄婉如，林雯华，杨培生等，“载流子注入全内反射型g a a s g a a l a s 光波导 开关”，半导体学报，v 0 1 1 4 ，p p 卜5 ，1 9 9 3 1 8 杨培生，孙富荣，庄婉如，段继宁，石志文，高俊华，“载流子注入全内反 射型i n p i n g a l a s p 光波导开关”， 1 9 9 4 光电子器件与集成技术年会， p p 2 6 卜2 6 2 ，1 9 9 4 1 9 y i nr u i ，w a n gm i n gh u a ，e t a l ，“d e s i g no f4 4g a a s g a a l a s c a r r i e r i n j e c t e dt o t a li n t e r n a lr e f l e c to p t i c a ls w i t c ha r r a y ”，5 闭 v 0 1 3 5 5 1 ，p p 1 1 2 1 1 5 ，1 9 9 8 2 0 j e z u c k e ra n dt l h e n d r i c k s o n ， “e 1 e c t r o o p t i cp h a s em o d u l a t i o n i ng a a s a l g a a sq u a n t u mw e l lw a v e g u i d e s ，” a p p l p h y s l e t t ，v 0 1 5 2 ，p p 2 1 ，窘一章柚瞳争 9 4 5 9 4 7 。1 9 8 8 ， 2 1 d a b m i l l e r ，d s c h e m l a ，t c d a m e n ， e t c“e l e c t r i cf i e l d d e p e n 鑫e 鞋c e 。fo p t i e & l8 b s 。r p t i 。nn e l r t h eb 鑫n d9 8 p0 f u 8 n t 驻l l l 一鬻e l 主 s t r u c t u r e s ”，p h y s r e v b ， v 0 1 3 2 ，p p 1 0 4 3 1 0 6 0 ，1 9 8 5 2 2 】矗。s n e h ，j e z u e k e r ，a n d 转王醚i l l e r ， “e o m p a e t ，乞o f 一0 r o s s t a l k ，a n d l o w p r o p a g a t i o n l o s sq u a n t u m w e l ly b r a n c hs w i t c h e s ”， i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，v 0 1 8 ，p p 1 6 哇哇一1 6 4 6 ， 1 9 9 6 2 3 m 。n k h a n ，j e z u c k e r ，l 。l b u h i ，b 。i 。赫i l l e r ，a n dc 。a 。b u r r u s ， “f a b r i c a t i o n t o l e r a n t ，1 0 w 一】o s s ， a n dh i g h s p e e dd i g i t a lo p t i c a l s w i t e b e si 扎王f 1 0 8 是s p i n p 毽韬a n t 珏翔并e l l s ”，i np r o e 。2 l 计嚣u r 。c o 秘f 。 ) n0 p t i e a l c o m m u n ( e c 0 c ) ，p p 1 0 3 1 0 6 ，1 9 9 2 2 4 】j 嚣。 z h c k e r ，e t a i ，“i n g a 磊s 一王n 矗l 盎s u a n t u 辩w e l li n t e r s e e t i n g w a v e g u i d es w i t c ho p e r a t i n ga t1 5 5 u m ”， i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ， v 0 1 2 ，p p ，8 0 4 8 0 6 ，1 9 9 0 2 5 k s h i m o i i l u r a ，n t a n a k a ， t a i z a w aa n ds ， a r a i ， “2 vd r i v e v 0 1 t a g e 8 w i t c h i n go p e r a t i o ni n1 5 5 肚mg a i n a 8 i n p 哟wi n t e r s e c t i o n a lw a v e g u i d e o p t i e a ls 辫i t e h ”， e l e e t r n 。 l e t t 。，v o l 。2 8 ， p p 。9 5 5 一蛰s 7 ，1 9 9 2 2 6 j n a y y e r ，e t a 1 ，“a n a l y s i so fr e f l e c t i o nt y p eo p t i c a ls w i t c h e s w t hi n t e r s e c t n gw a v e g u i d e s ”， j 。 l i g 魏t w a v e 零e e h 魏o l 。， v 0 1 6 ， p p 1 1 4 6 一1 1 5 2 ，1 9 8 8 2 7 】t k i k u 9 2 哺强，k g r a v i k u i i l a r ，k s h m o 豫娃r a ，a 。j z 锄i ，k 磋a 专8 珏b a r a ， y m i y a 瑚o t o ，“s w i t c h i n go p e r a t i o ni n 删v p eg r o w ng a i n a s i n pm q w i n t e r s e c t i o n a lo p t i c a ls w i t c hs t r u c t u r e s ”，i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ， v 0 1 1 ，p p 12 6 一1 2 8 ， 1 9 8 9 2 8 k s h i m o 【i u r a ，s a r a i ，y + s u e m a t 8 u ， “0 p e r a t i o n a lw a v e l e n g t hr a n g e o n g a 纛s ) - i n pi n t e r s e g t i o n 8 lo p t i e a 王s w i t c h e s 毽s i 鞋gl e w d i 接e n s i o n 8 l q u a n t u m w e l ls t r u c t u r e s ”， i e e ej q u a n t u me 1 e c t r o n ，v 0 1 2 8 ，p p 7 l 一4 7 8 。1 9 9 2 2 9 k s h i m o m u r a ，t a i z a m a ，n t a n a k a ，a n ds a r a i ， “l o w r d r i v ev o l t a g e 津旺大掌翎陆掌位能瞄t i n t e r s e e 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