基本信息
- 项目名称：
- 基于三元混晶扩散效应的连续调谐半导体激光器工作物质设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 目前成型的连续调谐半导体激光器并非真正意义上的连续调谐，而是固定掺杂之后的离散排列，并不能真正产生可连续调节的变频激光。本项目原理是两种晶格失配度较小的半导体材料之间可以形成扩散层，应用扩散方程对扩散层内混晶比空间分布进行计算，并应用相关公式给出扩散后波长与混合晶体空间位置的函数关系。本文以三元混晶GaAsP为例，分析基于扩散效应的连续调谐半导体激光器工作物质设计的可行性，并从数学的角度给予论证。
- 详细介绍：
- 光子晶体的概念最早提出于1987年，数十年相关研究热度居高不下，其中最为引人注目的当是在光子晶体光纤中实现波长调谐飞秒孤子脉冲输出【1】。从通信安全来看，连续调谐的激光可以起到极高的保密性。本研究从源的角度讨论连续调谐激光的产生，并在无技术细节的情况下完成激光器工作物质的设计。 【理论依据】 首先，本研究只着眼于连续调谐激光器工作物质设计，对具体的泵浦类型，谐振腔尺寸，异质结的设计等不做深究，只从理想层面上给出混晶比空间分布与发射波长之间的关系。 工作物质通过扩散生长的方式进行制造，其可行性论述可从以下两个个方面展开分析： 1.原子尺寸与晶格失配度之间的关系 以GaP和GaAs为例。两种不同的晶体在扩散生长的过程中会面临严重的晶格失配问题，具体的决定因素有：晶体结构、原子的电负性、离子半径等。由固溶度影响因素的相关理论可知，固溶体可按溶质原子在晶格中的位置分为置换固溶体和间隙固溶体。三元混晶溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置，因此形成的是置换固溶体。并且，当溶剂和溶质原子直径相差在15％以内时，易于形成连续固溶体。【2】 由上述限制理论可知，选用两种晶体结构相同的晶体，同时选用价电子相同的同族元素作为混晶标准，并且保证两种离子半径之间的尺寸差别不大于15%,此时两种晶体之间就可以以任意比例互溶成为连续替位固溶体。研究所选取的工作物质是由GaP和GaAs两种材料混溶而成，在原子环境中，Ga的浓度始终保持动态平衡，所以发生固溶的是两种负离子。P原子的直径为0.11nm，As原子的直径为0.122nm，直径相差10.9％，小于15%，所以理论上容易形成固溶体。符合上原子半径相差较小、晶体结构接近、价电子数相同三个条件，因此可以在生长过程中较好的消除晶格失配的问题,形成性能较好的三元混合晶GaAsP。 2.混晶比与禁带宽度之间的关系 根据Vegard公式，三元混晶的禁带宽度和原子配比成函数关系，这也为通过调节组分改变禁带结构进而控制出射波波长提供了可能。 根据Vegard公式，Eg=[x Eg (A)+(1-x) Eg (B)]-bx(1-x),其中b为Bowing系数，A,B为两种不同的单晶，x则表示A单晶在总体中所占的比例。 在已知A的禁带宽度大于B的假设下，公式中Eg随x增大而增大，就所选取的范例物质GaAs与GaP而言，x需小于0.4。如果超过这个范围之外，三元混晶由直接带隙变为间接带隙，公式不再适用。 在对工作物质的设计中我们完全可以只选取x小于0.4的部分作为工作区，可调节范围由工作物质的选取所决定。 Bowing系数在不同研究文献中出现的不一致，在此取情况最为相似的值【3】。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 作品撰写的目的：寻找基于扩散效应的连续调谐半导体激光器工作物质的设计理论支持 作品撰写的基本思路： 1、寻找具有连续带隙的混合晶体材料。 2、由混合晶体浓度得到禁带宽度的空间分布函数。 3、通过直接复合本征半导体禁带宽度公式得到辐射出的激光波长的空间分布函数。 4、理论验证连续变频激光器工作物质设计理念的可行性，并给予模拟证明。
科学性、先进性及独特之处
- 基于三元混晶扩散效应的连续调谐半导体激光器区别于之前所有的准连续调谐半导体激光器，其中的工作物质不同于按照固定的比例系数掺杂后再行排列的离散波长调谐激光器，而是利用混合晶体材料的扩散效应得到混晶权重空间分布，进而导出发射波长的空间分布。此时可以实现连续调谐。通过对该分布函数的分析和后续调整伺服系统设计可以得到连续调谐激光器。作品给出了该混合晶体材料函数关系的理论支持和相关函数的推导。
应用价值和现实意义
- 军事通信领域中频率调制成为加密的一种形式，但是准连续调谐激光器可选波长数目是有限的，加密效果略逊。而通过光子晶体光纤进行加密造价昂贵。如果能够从源的角度设计出可以连续调谐的激光器，就可以通过通过精密仪器调节制造技术实现后续调整伺服系统进而制成连续调谐激光器，仅通过空间位置的调整就可以实现激光波长的转化，可以很好的实现频率的连续调制，为进一步的波长加密研究奠定基础。
学术论文摘要
- 【1】 夏金安、陈丹平、杨旅云、邱建荣、朱从善，在光子晶体光纤中实现波长调谐飞秒孤子脉冲输出，激光与光电子学进展， 2005年第2期 【2】 刘恩科，半导体物理学，第四版，国防工业出版社 【3】 刘铁根、张以谟、刘鸣等，频率上转换中信号模式识别研究，光电子技术与信息，2001年第14期（4），17~19 【4】 刘颖洁 、刘铁根、陈亚雄、张凡、李晋申，用于光学频率转换防伪检测的光电接发集成器件研究，科学技术与工程，2007年第 18期
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 三元混晶禁带宽度的计算 固溶体理论和晶格匹配理论 固体的扩散理论
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