光泵浦非极化GaN/AlGaN量子阱激光器有源区设计

摘要

太赫兹(T Hz)波段(波长从30μm到1000μm)是电磁波谱中有待进行全面而深入研究的最后一个频率窗口。尽管第一台 THz量子级联激光器(QCL)工作温度达到50 K,后期人们在QCL上做了很多工作使得GaAs/AlGaAs基 QCL工作温度取得了很大的进展(最高工作温度达到199.5 K),可以室温工作的T Hz激光器仍然无法实现。热回填效应是限制THz QCL高温工作的关键因素之一。在GaAs基THz QCL中,为了利用纵波光学声子(LO声子)共振效应,QCL中激光器中低能级和绝大多数电子处于的基能级之间的能量差和LO声子能量36 meV非常接近,这样带来的坏处是在高温时热回填效应比较大,不利于粒子数反转。此外,基于GaAs/AlGaAs的QCL激光器由于自身LO声子(LO声子能量36 meV)限制,无法在30到40μm波段产生T Hz激光。
　　一般的THz QCL都是采用电泵浦的方式进行工作,与电泵浦不同,光泵浦的子能级跃迁激光器提供了一种对电子子能级高选择性的注入方式,是研究激光机理,载流子弛豫过程的有效工具。我们进行了一种光泵浦非极化G aN/A lG aN量子阱子能级跃迁激光器有源区设计,成功得到了符合要求的器件结构。这种太赫兹激光器可以在30~40μm波段产生激光,可以室温工作。快速的G aN/A lG aN量子阱中LO声子散射过程可以用来使电子迅速从低能级掉落到基态。更加重要的是较大的LO声子能量可以用来减小激光器高温时存在的热回填效应。理论模拟了温度和光泵浦功率对于设计结构的各个子能级上电子数的分布和激光器增益的影响。基于我们的模拟结果,只要给予足够强度的泵浦光强度,一种非极化G aN/A lG aN量子阱子能级跃迁可以室温工作的THz激光器是可以实现的。
　　以上研究得到了国家重大基础研究项目(2011CB925603)和上海市基础研究重大项目课题(09DJ1400102)的资助。特此感谢!

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第一章 绪论

1. 1 引言

1. 2 太赫兹技术简介

1.3 THz辐射源和探测方法

1.4 THz波的一些重要物理性质

1.5 THz技术的应用

1. 6 本论文的主要内容

参考文献

第二章 太赫兹量子级联激光器和非极化GaN材料的研究进展

2. 1 引言

2.2 THz QCL的基本原理

2.3 THz QCL研究进展

2.4 THz QCL的有源区设计

2. 5 非极化G aN/AlG aN的研究进展

2. 6 本章小结

参考文献

第三章 量子阱结构设计理论模型

3. 1量子阱中带间跃迁和子带跃迁

3. 2量子阱结构子能级计算理论模型

3. 3有限差分法计算量子阱能级结构

3. 4传输矩阵法计算量子阱能级结构

3. 5自洽法

3. 6小结

参考文献

第四章 非极化GaN/AlGaN材料量子阱有源区设计

4. 1 光泵浦太赫兹激光器

4. 2能带工程

4. 3非极化GaN/AlG aN光泵浦太赫兹量子阱激光器有源区结构

4. 4本章总结

参考文献

第五章 光泵浦量子阱激光器有源区性能模拟

5. 1理论模型

5. 2理论模拟结果分析

5. 3本章总结

参考文献

第六章 总结

6. 1本文工作总结

6. 2未来工作展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的奖励