共振声子THz QCL有源区结构设计

利用Airy函数代换与传输矩阵方法精确计算了有外加偏压下电子在共振声子太赫兹量子级联激光器有源区单个周期内的透射系数与波函数,得到了不同偏压下的电子波函数分布以及准束缚态能级位置与外加偏压的关系曲线。在仿真计算的基础上设计了一种共振声子太赫兹量子级联激光器的有源区结构。计算结果表明,对于设计的结构,当单个周期两端的外加偏压为45 mV时达到太赫兹工作点。此时,发射区内E3能级和E2能级对应的波函数能够交叠,相应发射波属于太赫兹频段,波长为98.0μm,频率为3.05 THz。电子在弛豫区内E2和E1能级间跃迁发出的能量为36.0 meV,与GaAs的纵向光学声子能量(36 meV)相同,有利于粒子数反转。

太赫兹量子级联激光器有源区有限元模拟

采用有限元分析法解决了太赫兹量子级联激光器(THz QCL)有源区模拟问题。由于InP基差频THz QCL有源区为千层纳米结构,无法拆分实验探索,因此模拟分析显得尤为必要。首先列出有源区量子结构的薛定谔方程,而后采用Galerkin有限元法改写薛定谔方程,再根据连续性和边界条件,得到本征值矩阵方程,最后采用Matlab写出运算程序求解本征值矩阵方程,求出波函数。针对不同有源区量子结构,设定材料、组分、厚度和周期数及外加偏压等参数,即可得到波函数模方、能级、频率和波长等模拟结果。选取InP基差频THz QCL结构进行验证,结果表明此模型切实可行,其拓展应用也可以解决GaAs THz QCL模拟问题。

面向6G无线通信应用的太赫兹收发器

太赫兹(Terahertz,THz)波的定义为频率从0.1~10 THz范围的电磁波。THz通信技术被认为是用于6G应用场景的新兴技术,该技术的优点在于具有更宽的信道带宽,并可以提供高达数T比特每秒(Tbit/s)的超高速数据传输。介绍了面向6G无线通信系统应用颇具潜力的几种THz光子学收发器的工作原理和研究进展,包括单行载流子光电二极管(UTC-PD)、肖特基二极管(SBD)、THz量子级联激光器(THz QCL)和THz量子阱探测器(THz QWP)。研究表明,这4种收发器在未来6G无线通信中具有潜在的应用价值。

太赫兹量子级联激光器注入区结构研究

主要研究了THz量子级联激光器注入区结构的隧穿特性。通过量子力学方程设计出透射率最大的注入区结构。模拟结果表明,周期间势垒宽度为4.7 nm时,注入区的透射率最大。对于含有此注入区的QCL结构,模拟了在不同偏压下,电子波函数的空间分布和能级位置,进而模拟出该模型的隧穿点。计算结果表明,当每个周期两端的外加偏压为45 mV时达到THz工作点,同时满足周期间的电子隧穿条件。之后通过器件工艺,把外延片制作成实验样品。电流电压(I-V)测试曲线表明,在周期间偏压为50 mV时发生隧穿,这和理论计算的周期偏压为45 mV十分接近。

THz量子级联激光器跃迁速率的数值求解及验证

THz量子级联激光器(QCL,quantum cascade laser)有源区载流子的跃迁速率是研究激光器内部输运特性,模拟激光器特性和优化设计的关键参数。本文针对跃迁速率的计算问题,在连续介质模型下提出了一种运用自洽方法和费米黄金法则计算THz QCL有源区载流子跃迁速率的方法。方法考虑了包括电子-纵向光声子散射、电子-电子散射机制以及电子-光子散射对跃迁速率的影响。利用本文方法对已报道的THz QCL进行了数值模拟,讨论了温度参数和注入掺杂浓度参数对跃迁速率的影响并进行了模拟分析,分析结果与已报道的理论和实验结果一致,验证了方法的适用性和准确性。本文方法的提出为运用速率方程法进行THz QCL有源层的建模和优化设计提供了基础。

基于电路建模的THz量子级联激光器稳态性能分析

通过改进的三能级速率方程运用电路建模方法建立了太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL,quantum cascade)的一种等效电路模型。模型中,涉及的非辐射散射时间、自激发射弛豫时间以及电子逃逸时间均根据器件有源层结构参数通过自洽数值求解获得。采用该模型可运用通用电路仿真工具实现对THz QCL器件光电特性的模拟仿真,克服了数值分析方法计算复杂,模拟时间长的缺点。运用电路仿真工具PSPICE对3.9THz QCL的稳态特性进行了模拟仿真,并讨论了温度变化对器件阈值电流、增益系数、粒子数反转的影响,其分析结果与已报道的理论和实验结果一致,验证了本方法的适用性和准确性。

注入区势垒厚度对THz量子级联激光器光电特性的影响

为优化多量子阱结构THz量子级联激光器（QCL,quantum cascade laser）有源区的结构设计,本文运用自洽数值求解与电路建模相结合的方法研究了器件有源层注入区势垒厚度变化对器件光电及温度特性的影响。首先采用自洽数值求解获得注入区势垒厚为3.0~6.8nm器件非辐射散射时间、自激发射弛豫时间以及电子逃逸时间等描述器件有源区输运特性的重要参量;然后运用电路建模方法基于三能级速率方程建立了器件的等效电路模型;最后运用电路仿真工具PSPICE对注入区势垒厚为3.0~6.8nm器件的光电特性进行了模拟分析,并讨论了器件有源层注入区的势垒厚度参数变化对器件阈值电流、输出光功率和输入阻抗等性能参数的影响,分析结果与已报道的理论和实验结果一致,证明了通过合理优化有源区的结构参数可以进一步提高器件性能。

基于多模速率方程电路建模的太赫兹量子级联激光器稳态性能及输出光谱特性分析

通过改进的三能级多模态速率方程,运用电路建模方法,建立了太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)的一种等效电路模型。由于基于多模态效应进行建模,所建模型能够有效表征多模态效应对THz QCL光电性能的影响。模型中,涉及的非辐射散射时间、自激发射弛豫时间以及电子逃逸时间均根据器件有源层结构参数通过自洽数值求解获得。采用所建模型,可运用通用电路仿真工具实现对THz QCL光电特性的模拟分析,克服了数值分析方法计算复杂、模拟时间长的缺点。运用电路仿真工具PSPICE对2.47THz QCL的稳态特性和输出光谱特性进行了模拟分析,并讨论了温度变化对器件阈值电流、输出光功率以及输出频谱的影响,分析结果与已报道的理论和实验结果一致,验证了本文方法的适用性和准确性。

基于新材料体系的太赫兹量子级联激光器研究展望

太赫兹(THz)波在生物医疗、天文、国防等领域具有潜在应用.THz辐射源是THz技术应用的关键器件.基于半导体的电泵浦THz量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)具有输出功率高、频率可调谐、全固态等优点,因而备受研究人员的重视.但是,长期以来,传统基于砷化镓(GaAs)材料体系的THz QCL的较低工作温度一直制约着其广泛应用.通过研究不同材料中的纵向光学(Longitudinal Optical,LO)声子及其在THz波发射过程中的作用发现,寻找新的材料体系应用于THz QCL的制备是提高器件工作温度的一个可行方案.本文综述了氮化镓(GaN)和氧化锌(ZnO)基THz QCL的近期研究进展.