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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于三元混晶擴(kuò)散效應(yīng)的連續(xù)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)設(shè)計(jì)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 簡(jiǎn)介：
- 目前成型的連續(xù)調(diào)諧半導(dǎo)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(xiàng)目原理是兩種晶格失配度較小的半導(dǎo)體材料之間可以形成擴(kuò)散層，應(yīng)用擴(kuò)散方程對(duì)擴(kuò)散層內(nèi)混晶比空間分布進(jìn)行計(jì)算，并應(yīng)用相關(guān)公式給出擴(kuò)散后波長(zhǎng)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(kuò)散效應(yīng)的連續(xù)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)設(shè)計(jì)的可行性，并從數(shù)學(xué)的角度給予論證。
- 詳細(xì)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(dāng)是在光子晶體光纖中實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(xì)節(jié)的情況下完成激光器工作物質(zhì)的設(shè)計(jì)。 【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(shè)計(jì)，對(duì)具體的泵浦類型，諧振腔尺寸，異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)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(zhǎng)之間的關(guān)系。 工作物質(zhì)通過擴(kuò)散生長(zhǎng)的方式進(jìn)行制造，其可行性論述可從以下兩個(gè)個(gè)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(kuò)散生長(zhǎng)的過程中會(huì)面臨嚴(yán)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(fù)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(diǎn)位置，因此形成的是置換固溶體。并且，當(dāng)溶劑和溶質(zhì)原子直徑相差在15％以內(nèi)時(shí)，易于形成連續(xù)固溶體。【2】 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(shí)選用價(jià)電子相同的同族元素作為混晶標(biāo)準(zhǔn)，并且保證兩種離子半徑之間的尺寸差別不大于15%,此時(shí)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(dòng)態(tài)平衡，所以發(fā)生固溶的是兩種負(fù)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(jià)電子數(shù)相同三個(gè)條件，因此可以在生長(zhǎng)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(jìn)而控制出射波波長(zhǎng)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(shè)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(gè)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(duì)工作物質(zhì)的設(shè)計(jì)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(xiàn)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(kuò)散效應(yīng)的連續(xù)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)的設(shè)計(jì)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(fù)合本征半導(dǎo)體禁帶寬度公式得到輻射出的激光波長(zhǎng)的空間分布函數(shù)。 4、理論驗(yàn)證連續(xù)變頻激光器工作物質(zhì)設(shè)計(jì)理念的可行性，并給予模擬證明。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 基于三元混晶擴(kuò)散效應(yīng)的連續(xù)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器區(qū)別于之前所有的準(zhǔn)連續(xù)調(diào)諧半導(dǎo)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(zhǎng)調(diào)諧激光器，而是利用混合晶體材料的擴(kuò)散效應(yīng)得到混晶權(quán)重空間分布，進(jìn)而導(dǎo)出發(fā)射波長(zhǎng)的空間分布。此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。通過對(duì)該分布函數(shù)的分析和后續(xù)調(diào)整伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dǎo)。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 軍事通信領(lǐng)域中頻率調(diào)制成為加密的一種形式，但是準(zhǔn)連續(xù)調(diào)諧激光器可選波長(zhǎng)數(shù)目是有限的，加密效果略遜。而通過光子晶體光纖進(jìn)行加密造價(jià)昂貴。如果能夠從源的角度設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)后續(xù)調(diào)整伺服系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)化，可以很好的實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)調(diào)制，為進(jìn)一步的波長(zhǎng)加密研究奠定基礎(chǔ)。
學(xué)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(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧飛秒孤子脈沖輸出，激光與光電子學(xué)進(jìn)展， 2005年第2期 【2】 劉恩科，半導(dǎo)體物理學(xué)，第四版，國(guó)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(hào)模式識(shí)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(xué)頻率轉(zhuǎn)換防偽檢測(cè)的光電接發(fā)集成器件研究，科學(xué)技術(shù)與工程，2007年第 18期
獲獎(jiǎng)情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻(xiàn)
- 三元混晶禁帶寬度的計(jì)算 固溶體理論和晶格匹配理論 固體的擴(kuò)散理論
同類課題研究水平概述
- 暫無相同課題研究
