inasgaas 量子点激光器空间位移损伤效应研究-study on spatial displacement damage effect of inas gaas quantum dot laser.docx

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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
RESEARCH ON DISPLACEMENT DAMAGE EFFECTS OF InAs/GaAs QUANTUM DOT LASERS IN SPACE RADIATION ENVIRONMENT
Candidate:
Che Chi
Supervisor:
Prof. Ma Jing
Academic Degree Applied for:
Doctor of Engineering
Speciality:
Physical Electronics
Affiliation:
Dept. of Optoelectronic Information
Science & Technology
Date of Defence:
Oct. 2012
Degree-Conferring-Institution:
Harbin Institute of Technology
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摘 要
卫星激光通信技术是解决高速卫星通信数据率瓶颈的有效手段,已受到世界各国的广泛重视。日本、欧洲、美国、中国等已经相继开展了空间试验,并获得了星间及星地链路激光通信试验的成功。现在各国已将卫星激光通信技术的实用化与小型化作为研究重点。
由于载流子的三维受限,新兴的半导体量子点激光器相对于传统的量子阱器件有着更低的阈值电流、更高的增益以及更大的调制带宽。更重要的是其温度稳定性极好,非常适用于空间环境,因此量子点激光器在卫星激光通信技术上有着很大的应用潜力。
卫星激光通信终端工作在空间辐射环境中。空间辐射效应,特别是位移损伤效应会导致激光器性能的严重下降,影响卫星激光通信系统的性能稳定性。虽然有研究者指出载流子的三维受限特性改善了量子点激光器的抗辐射能力, 但并未对这种抗性的增强进行量化分析,也未对量子点激光器的辐射损伤进行深入研究、未建立起相关模型。因此无法评估量子点激光器在空间辐射环境下的性能变化,给量子点激光器的空间应用带来了困难。
为解决以上问题,本文对量子点结构及量子点激光器的位移损伤效应进行了理论研究,并建立了量子点结构稳态荧光特性的位移损伤模型及量子点激光器稳态输出特性的位移损伤模型。同时进行了量子点样品的电子、中子辐照实验,并结合文献报道的实验结果验证了模型的正确性。最后使用激光器的位移损伤模型对典型轨道辐射环境下激光器性能变化进行了分析。具体内容如下:
分析了辐射效应对量子点结构的影响。基于深能级瞬态谱结果研究了位移效应在材料中所产生缺陷的相关性质,基于载流子的肖克莱-里德-霍尔复合理论分析了缺陷对量子点中载流子寿命的影响。
研究了位移损伤对量子点结构稳态荧光特性的影响。分析了小注入条件下量子点荧光强度随辐照粒子通量变化的趋势, 给出了荧光强度的位移损伤公式,并对其进行了简化;讨论了损伤系数和温度对荧光特性变化趋势的影响。分析了大注入条件下量子点基态与激发态能级荧光强度的位移损伤变化规律。
研究了位移损伤对量子点激光器稳态输出特性的影响,给出了量子点激光器阈值电流和输出功率的位移损伤公式,并给出小损伤条件下阈值电流位移损伤公式的简化形式,分析了量子点激光器的阈值电流及输出功率随辐射通量变化的趋势。
进行了量子点激光器的中子辐照实验,并结合文献报道的实验结果对量子
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点结构稳态荧光特性的位移损伤模型以及量子点激光器稳态输出特性的位移损伤模型进行了验证,实验结果和计算结果符合较好,证明了模型的正确性。对量子点荧光特性的辐照增强效应进行了电子实验研究,分析了造成这种现象的原因,讨论了该效应的局限性。最后,应用量子点激光器的位移损伤模型对典型卫星轨道辐射环境下激光器的性能变化进行了分析。
本文的研究工作为量子点结构及量子点激光器的位移损伤研究打下了理论基础,为空间辐射环境下量子点激光器的性能变化分析提供了理论参考,为量子点激光器辐射防护以及进一步的加固设计提供了理论及实验依据,同时也为量子点激光器在卫星激光通信中的应用提供了依据。
关键词:量子点激光器;量子点结构;位移效应;缺陷
Abstract
As a potential approach to resolve the limitation of munication data rate, the satellite munication has been attracted much attention all over the world. The essful results of space experiments in