基本信息
- 項目名稱：
- 基于三元混晶擴散效應的連續(xù)調(diào)諧半導體激光器工作物質(zhì)設計
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 目前成型的連續(xù)調(diào)諧半導體激光器并非真正意義上的連續(xù)調(diào)諧，而是固定摻雜之后的離散排列，并不能真正產(chǎn)生可連續(xù)調(diào)節(jié)的變頻激光。本項目原理是兩種晶格失配度較小的半導體材料之間可以形成擴散層，應用擴散方程對擴散層內(nèi)混晶比空間分布進行計算，并應用相關(guān)公式給出擴散后波長與混合晶體空間位置的函數(shù)關(guān)系。本文以三元混晶GaAsP為例，分析基于擴散效應的連續(xù)調(diào)諧半導體激光器工作物質(zhì)設計的可行性，并從數(shù)學的角度給予論證。
- 詳細介紹：
- 光子晶體的概念最早提出于1987年，數(shù)十年相關(guān)研究熱度居高不下，其中最為引人注目的當是在光子晶體光纖中實現(xiàn)波長調(diào)諧飛秒孤子脈沖輸出【1】。從通信安全來看，連續(xù)調(diào)諧的激光可以起到極高的保密性。本研究從源的角度討論連續(xù)調(diào)諧激光的產(chǎn)生，并在無技術(shù)細節(jié)的情況下完成激光器工作物質(zhì)的設計。 【理論依據(jù)】 首先，本研究只著眼于連續(xù)調(diào)諧激光器工作物質(zhì)設計，對具體的泵浦類型，諧振腔尺寸，異質(zhì)結(jié)的設計等不做深究，只從理想層面上給出混晶比空間分布與發(fā)射波長之間的關(guān)系。 工作物質(zhì)通過擴散生長的方式進行制造，其可行性論述可從以下兩個個方面展開分析： 1.原子尺寸與晶格失配度之間的關(guān)系 以GaP和GaAs為例。兩種不同的晶體在擴散生長的過程中會面臨嚴重的晶格失配問題，具體的決定因素有：晶體結(jié)構(gòu)、原子的電負性、離子半徑等。由固溶度影響因素的相關(guān)理論可知，固溶體可按溶質(zhì)原子在晶格中的位置分為置換固溶體和間隙固溶體。三元混晶溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格中的結(jié)點位置，因此形成的是置換固溶體。并且，當溶劑和溶質(zhì)原子直徑相差在15％以內(nèi)時，易于形成連續(xù)固溶體?！?】 由上述限制理論可知，選用兩種晶體結(jié)構(gòu)相同的晶體，同時選用價電子相同的同族元素作為混晶標準，并且保證兩種離子半徑之間的尺寸差別不大于15%,此時兩種晶體之間就可以以任意比例互溶成為連續(xù)替位固溶體。研究所選取的工作物質(zhì)是由GaP和GaAs兩種材料混溶而成，在原子環(huán)境中，Ga的濃度始終保持動態(tài)平衡，所以發(fā)生固溶的是兩種負離子。P原子的直徑為0.11nm，As原子的直徑為0.122nm，直徑相差10.9％，小于15%，所以理論上容易形成固溶體。符合上原子半徑相差較小、晶體結(jié)構(gòu)接近、價電子數(shù)相同三個條件，因此可以在生長過程中較好的消除晶格失配的問題,形成性能較好的三元混合晶GaAsP。 2.混晶比與禁帶寬度之間的關(guān)系 根據(jù)Vegard公式，三元混晶的禁帶寬度和原子配比成函數(shù)關(guān)系，這也為通過調(diào)節(jié)組分改變禁帶結(jié)構(gòu)進而控制出射波波長提供了可能。 根據(jù)Vegard公式，Eg=[x Eg (A)+(1-x) Eg (B)]-bx(1-x),其中b為Bowing系數(shù)，A,B為兩種不同的單晶，x則表示A單晶在總體中所占的比例。 在已知A的禁帶寬度大于B的假設下，公式中Eg隨x增大而增大，就所選取的范例物質(zhì)GaAs與GaP而言，x需小于0.4。如果超過這個范圍之外，三元混晶由直接帶隙變?yōu)殚g接帶隙，公式不再適用。 在對工作物質(zhì)的設計中我們完全可以只選取x小于0.4的部分作為工作區(qū)，可調(diào)節(jié)范圍由工作物質(zhì)的選取所決定。 Bowing系數(shù)在不同研究文獻中出現(xiàn)的不一致，在此取情況最為相似的值【3】。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 作品撰寫的目的：尋找基于擴散效應的連續(xù)調(diào)諧半導體激光器工作物質(zhì)的設計理論支持 作品撰寫的基本思路： 1、尋找具有連續(xù)帶隙的混合晶體材料。 2、由混合晶體濃度得到禁帶寬度的空間分布函數(shù)。 3、通過直接復合本征半導體禁帶寬度公式得到輻射出的激光波長的空間分布函數(shù)。 4、理論驗證連續(xù)變頻激光器工作物質(zhì)設計理念的可行性，并給予模擬證明。
科學性、先進性及獨特之處
- 基于三元混晶擴散效應的連續(xù)調(diào)諧半導體激光器區(qū)別于之前所有的準連續(xù)調(diào)諧半導體激光器，其中的工作物質(zhì)不同于按照固定的比例系數(shù)摻雜后再行排列的離散波長調(diào)諧激光器，而是利用混合晶體材料的擴散效應得到混晶權(quán)重空間分布，進而導出發(fā)射波長的空間分布。此時可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。通過對該分布函數(shù)的分析和后續(xù)調(diào)整伺服系統(tǒng)設計可以得到連續(xù)調(diào)諧激光器。作品給出了該混合晶體材料函數(shù)關(guān)系的理論支持和相關(guān)函數(shù)的推導。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 軍事通信領域中頻率調(diào)制成為加密的一種形式，但是準連續(xù)調(diào)諧激光器可選波長數(shù)目是有限的，加密效果略遜。而通過光子晶體光纖進行加密造價昂貴。如果能夠從源的角度設計出可以連續(xù)調(diào)諧的激光器，就可以通過通過精密儀器調(diào)節(jié)制造技術(shù)實現(xiàn)后續(xù)調(diào)整伺服系統(tǒng)進而制成連續(xù)調(diào)諧激光器，僅通過空間位置的調(diào)整就可以實現(xiàn)激光波長的轉(zhuǎn)化，可以很好的實現(xiàn)頻率的連續(xù)調(diào)制，為進一步的波長加密研究奠定基礎。
學術(shù)論文摘要
- 【1】 夏金安、陳丹平、楊旅云、邱建榮、朱從善，在光子晶體光纖中實現(xiàn)波長調(diào)諧飛秒孤子脈沖輸出，激光與光電子學進展， 2005年第2期 【2】 劉恩科，半導體物理學，第四版，國防工業(yè)出版社 【3】 劉鐵根、張以謨、劉鳴等，頻率上轉(zhuǎn)換中信號模式識別研究，光電子技術(shù)與信息，2001年第14期（4），17~19 【4】 劉穎潔 、劉鐵根、陳亞雄、張凡、李晉申，用于光學頻率轉(zhuǎn)換防偽檢測的光電接發(fā)集成器件研究，科學技術(shù)與工程，2007年第 18期
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
- 三元混晶禁帶寬度的計算 固溶體理論和晶格匹配理論 固體的擴散理論
同類課題研究水平概述
- 暫無相同課題研究
