量子阱半导体激光器的模拟研究分析

量子阱半导体激光器的模拟研究分析

孙涛章双玉陈小霞熊廷文文晋吾刘波吴国阳朱善林郭旭

( 华中科技大学电子科学与技术系003班武汉430074 )

Simulation of Single Quantum Well Laser Diode

Sun Tao Zhang Shuang-yu Chen Xiao-xia Xiong Ting-wen Wen Jing-wu Liu Bo Wu Guo-yang Zhu Shan-lin Guo Xu (Dept of Electronics of Science & Technology, Hua Zhong Univ. of Science &

Technology, Wuhan 430074, P.R.China )

Abstract: The principle of single quantum well laser diode（SQW－LD）was reviewed．Discussion was given on the functionality of the gate－way state（quasi-2 dimensional state）which was introduced to describe the transportation of carriers and photons between the separated confinement heterostructure (SCH) and the quantum well．A relative complete set of the equations was presented through a equivalent circuit model ．By means of simulink，which is a functional module of Matlab，a mathematical model for digital analysis of SQW－LD was proposed．The Model i s easy to use．It provides with the advantages of short computation time，real-time supervision and control，convenience for parameter modification．It was used to simulate the opto－electronic behaviors of SQW－LD，such as carrier/photon establishment under step drive current，optical power-drive current relationship，and frequency response to small signal modulation．The results are in good agreement with the reported data．The model can be used for the purpose of device technique improvement and for automatic design and performance simulation of optical fiber networks.

Key words: Super lattice Quantum well Single quantum well laser diode (SQW－LD) rate equation Simulation

摘要：

分析了单量子阱激光器（SQW－LD）工作原理．阐述了载流子和光子在器件内部运动过程中，分别限制异质结构和量子陕之间引入过渡态（准二维态）的作用及必要性．在此基础上，通过量子阱激光器的等效电路模型，给出了完整的速率方程．使用simulink软件建立了SQW－LD的数值分析模型．对SQW－LD在阶跃驱动电流作用下载流子和光子浓度的建立过程、输出光功率与驱动电流之间的关系、小信号调制时的频率响应特性等进行了数值模拟分析．文中提出的数学模型及分析结果可用于量子阱激光器的工艺完善和制作、光纤通信网络的模拟设计和分析．

关键词．超晶格量子阱单量子阱激光器速率方程模拟分析

一．引言

超晶格是一种新型结构的半导体化合物，它是由两种极薄的不同材料的半导体单晶薄膜周期性地交替生长的多层异质结构，每层薄膜一般含几个以至几十个原子层，由于这种特殊结构．半导体超晶格中的电子或空穴能量将出现新的量子化现象，以致产生许多新的物理性质。

对电子和空穴的运动来说，GaAs和AlAs材料构成超晶格最重要的特点是能带在a、b界面的突变。图1中a代表宽禁带隙的材料，a层中的电子和空穴将进入两边的b层，能量将处于b材料的禁带隙内，只要b层不是十分薄，它们将基本被反射回去。换言之，电子和空穴将被限制在b层内，好像落入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊能带结构被形象地称为“量子阱”。超晶格则是包含了许多个这样的量子阱，且阱之间能够相互作用，形成小能带。

图 1 量子阱

Figure 1.Quantum Well

量子阱激光器具有阈值电流低、调制速率高、谱线宽度窄、温度特性好、光增益大等优

点，因此受到广泛重视．将成为光通信的重要光源之一．根据量子阱的工作原理和特点．采用速率方程能完整地描述器件电、光转换的内部物理过程（包括寄生参数）和外部电、光特性．有关量子阱激光管的模拟分析己有报道．但鉴于方程的复杂性．在数学处理上一般采用一些简化和近似方法尽管结果相差不甚远，其完整性有待探索。本文针对单量子阱激光器（Single Quantum Well Laser Diode ， SQW －LD ）提出了一套速率方程，井利用Matlab 中的Simulink 软件迸行了数值分析，所得结果与文献报道相吻合．

二． 理论分析

量子阱激光器速率方程分析描述量子阱区域和SCH 区域的载流子密度和光腔内光子密度情况的单量子阱激光器速率方程可以写为：

其中s N 和w N 分别为SCH 区和量子阱区载流子浓度,S 为光子密度,w α为电子电荷和量子阱区体积的乘积,s α为电子电荷和SCH 区体积的乘积,s τ为SCH 区载流子渡越时间,e τ为热离子辐射寿命,n τ为双分子复合寿命,p τ为光子寿命,Γ为光限制因子,ξ为增益压缩因子,β为自发辐射系数。

由上述公式可知,速率方程由三个微分方程组成,其中第一个方程表征了由于外部电流注入和量子阱区载流子热辐射引起的SCH 区域的载流子密度的增加以及由于SCH 区渡越时间s τ引起的载流子密度的降低;第二个方程表征了SCH 区载流子热辐射引起的S 量子阱区域的载流子密度的增加以及由于n τ、e τ和光增益引起的w N 的减少;第三个方程表征了由于光增益以及自发辐射引起的光子浓度的增加和光子寿命引起的光子浓度的减少。