inasgaas量子点半导体光放大器理论研究与量子点制备-theoretical research and quantum dot fabrication of inas gaas quantum dot semiconductor optical amplifier.docx

摘要半导体光放大器(SOA)在光放大和全光信号处理领域中的应用十分广泛，对其特 性进行改善显得尤为重要。SOA 中的各种特性本质上与有源区中载流子的带内和带间 特性有关，而载流子的特性最终归结于有源区的能带结构。相比较与传统体材料和量 子阱，量子点能在三个维度上对载流子进行限制，并使能级产生分裂，这种特性使量 子点 SOA 具有了许多传统 SOA 所无法比拟的优势。本文从理论和实验两个方面对量 子点及量子点 SOA 进行了研究。在理论方面，首先基于圆柱形量子点模型，利用 k.p 微扰法中的等效单带近似算 法，在考虑了应变的情况下，计算了 InAs/GaAs 量子点的能带结构，分析了不同尺寸 下量子点各能态的具体量子态。其次，研究了量子点中两种主要的载流子散射机制： 纵波光学声子散射和俄歇散射，并分析了不同载流子浓度和温度下量子点中的超快效 应，为量子点 SOA 的优化设计提供了指导。另一方面，提出了双电极量子点 SOA 结 构，并基于量子点 SOA 的精确数值模型研究了双电极量子点 SOA 中的增益和相位特 性，分析了前、后电极在不同注入电流密度的情况下量子点 SOA 中的载流子恢复机制。 另外，利用 PSPICE 电路仿真软件建立了具有高收敛性，高运行效率的量子点 SOA 电 路分节模型，模拟了量子点 SOA 中的增益饱和输出等特性，并将该模型运用到了基于 SOA 和光学滤波器、SOA 和电吸收调制器的波长转换子系统中。在实验方面，利用金属有机化合物气相沉积技术对 InAs/GaAs 量子点的自组织生 长进行了研究，分析了外延参数例如生长温度、生长时间和 V/III 对量子点形貌特性的 影响，总结了相应的生长规律。最后，研究了 InGaAs 应力减小层对量子点形貌及发 光特性的改善，为进一步提高量子点的生长质量打下了基础。关键词：量子点半导体光放大器多电极 电路模型金属有机物化学气相沉积AbstractSemiconductor optical amplifier (SOA) has been widely used in optical amplification and all optical signal processing for next generation optical network, and its improvement is of great importance. The characteristics of SOA is in nature controlled in its active region by the intra- or interband carrier dynamics, which is eventually determined by the energy band structure of the active area. Comparing with bulk and quantum well structure, quantum dot has confinements of carriers in three dimensions which endows it with atomic-like discrete states. This gives quantum dot SOA a serious of advantages over traditional SOAs. In this work, several research achievements and contributions are summarized both theoretically and experimentally.In theory, firstly, single-band approximation of k.p perturbation method with strain included is carried out to calculate the band structure of InAs/GaAs cylindrical quantum dot. Specific energy states in quantum dot of different sizes are analyzed. Two main carrier scattering mechanisms: longitudinal optical phonon scattering and Auger scattering in quantum dot are then investigated. Ultra-fast carrier dynamics are analyzed in differen