新型锑基材料可饱和吸收镜新型锑基材料可饱和吸收镜在光纤激光器中的应用研究在光纤激光器中的应用研究

——“——“通信原理”系列讲座 通信原理”系列讲座

孙晓岚上海大学

通信与信息工程学院2009.6

研究领域研究领域

半导体量子阱

纳米光学

半导体量子阱

集成 光电子学

新型光电子器件、光纤器件

1. 结合半导体材料与纳米光学的前沿热点2. 研究集成光电子学和新型光电子、光纤器件领域具有 普遍意义的基本科学问题3. 发展具有自主知识产权的新兴科技

研究基础研究基础 -1-1研究 GaAsSb 多层量子阱的光学性质，发展出一系列不同 As 含量的材料。(1) 该系列材料在室温下能够被激发出波长在 1.5 微米附近的激 光，并且与高质量的 AlGaSb/AlSb 布拉格反射镜单片集成， 应用于垂直腔面发射激光器（ VCSELs ）；(2) 实验表明，随着 As 含量的增加，光致荧光强度明显增强，显 示出该系列材料在光子器件方面有着广阔的应用前景；(3) 此外，细微调节 As 的含量和势阱宽度，能够实现在 1480-1540 nm 波段具有高辐射效率的材料。这一研究成果发表在 Applied Physics Letters 。“Enhanced photoluminescence of GaAsSb QWs”, Alan R. Kost*,

Xiaolan Sun, Nasser Peyghambarian, Nayer Eradat, Espen Selvig,

Bjorn-Ove Fimland, and David H. Chow, Applied Physics Letters, 85,

5631 (2004). ( 影响引子 3.98)

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

0.00

0% As Sb1690

9.1% As

GaAsSb/AlSb

Quantum Wells

15.1% As

18.8% As

31% As Sb1704

Sb1707

Sb1720

Sb1682

P

L In

ten

sity

(a.

u.)

Wavelength ( m)

研究基础研究基础 -2-2深入探索 GaAsSb 多层量子阱在光子集成领域的应用。由离子注入产生的量子混杂的半导体禁带宽度修饰是实现光子集成的有效方式。利用量子阱混杂来空间选择性的控制多层量子阱的光学性质。 (1) 实现最大可至 198 纳米的禁带蓝移，这在文章发表当时是已知 世界范围内最大的禁带蓝移；(2) 一般来说，注入离子的样品的光致命荧光强度随着退火温度的 升高而增强；(3) 禁带蓝移是由 III 族和 V 族元素相互扩散共同导致的。这一研究结果发表在 Applied Physics Letters 。“ Large blue shift of the band gap of GaAsSb/AlSb multiple

quantum wells (MQWs) with ion implantation”, Xiaolan Sun, NasserPeyghambarian, Alan R. Kost* and Nayer Eradat, Applied Physics Letters, 86, 3665 (2005). ( 影响引子 3.98)

研究基础研究基础 -3-3GaAsSb 多层量子阱的亚皮秒量级的自旋弛豫时间使得该材料成为全光开关器件的理想材料。该材料有可能实现中心波长在 1.5 m 的、开关速度小于 250 fs 的全光偏振开关。提出把 GaAsSb 多层量子阱应用到半导体光学放大器的构想。完成了应用在半导体光学放大器中的四波混频的数值模拟计算，完成了线偏光和圆偏光的实验，并且得到了与理论计算一致的实验数据。这一研究成果的相关论文正在撰写中。

研究基础研究基础 -4-4进入上海大学后，主要从事纳米半导体掺杂光纤制备关键技术及放大特性研究。 基于原子层沉积技术（ ALD） 以纳米半导体作为掺杂源 研究不同基质材料光纤中纳米半导体的形成机理、光辐

射特性及制备关键技术，实现纳米掺杂 重点解决现有放大光纤技术中存在的放大光谱带宽窄、

掺杂不均匀以及掺杂浓度低等问题。

MCVD 沉积疏松体 ALD 半导体原子层沉积 基管塌缩实现均匀掺杂

发表论文发表论文1．“ Large blue shift of the band gap of GaAsSb/AlSb multiple quantum

wells (MQWs) with ion implantation”, Xiaolan Sun, Nasser Peyghambarian, Alan R. Kost* and Nayer Eradat, Applied Physics Letters, 86, 3665 (2005). ( 影响引子 3.98)

2．“ Enhanced photoluminescence of GaAsSb QWs”, Alan R. Kost*, Xiaolan Sun, Nasser Peyghambarian, Nayer Eradat, Espen Selvig, Bjorn-Ove Fimland, and David H. Chow, Applied Physics Letters, 85, 5631 (2004). ( 影响引子 3.98)

3．“ Large blue shifts in band gaps of antimonide-based multiple quantum-wells based on ion implantation”, Xiaolan Sun, Nayer Eradat, Chia Hung Chen, Alan R. Kost, Annual Conference of Optical Society of America; Frontiers in Optics, Tucson, Arizona(2003).

4. “GaAsSb quantum wells for optoelectronics and integrated optics”, Alan R. Kost, Nayer Eradat, Xiaolan Sun, Espen Selvig, Bjorn-Ove Fimland, Annual Conference of Optical Society of America; Frontiers in Optics, Tucson, Arizona(2003).

““通信原理”系列讲座通信原理”系列讲座新型锑基材料可饱和吸收镜在光纤激光器中的应用研究

性能稳定 全光架构

结构简单

基于 SESAM被动锁模的

光纤激光器，可实现连续锁模脉冲输出

EDFA

Coupler

Circulator

SESAM

Polarization Controller

基于 SESAM的被动锁模光纤环形激光器的结构示意图

应用于应用于 1.51.5 微米器件的常规 微米器件的常规 InGaAsP InGaAsP 半导体材料半导体材料

GaAs InP

LATTICE CONSTANT IN ANGSTROMS

0.5

1.0

1.5

2.0

5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 6.1 6.2

BA

ND

GA

P W

AV

EL

EN

GT

H(M

ICR

ON

S)

InAs

2.5

3.0

3.5

In0.53Ga0.47As

In0.61Ga0.39As0.84P0.16

InGaAs

Substrate In1-x GaxAsyP1-y

禁带宽度在 1.5 m 当 x 0.39 并且 y

0.84

具有与 InP 相同的晶格常数，当

x = 0.1894y/(0.4184-0.013y)

GaSbGaSb 基底上的布拉格反射镜基底上的布拉格反射镜

优势nhigh - nlow ~ 0.8( 相对较高 )

挑战找到具备同时生长条件的 1.5 m 半导体材料

BraggMirror AlGaSb nhigh

AlSb nlow

AlGaSb nhigh

AlSb nlow

AlGaSb nhigh

AlSb nlow

GaSbSubstrate

应用于应用于 1.51.5 微米器件的微米器件的 GaSbGaSb 材料材料

GaAs

LATTICE CONSTANT IN ANGSTROMS

0.5

1.0

1.5

2.0

5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 6.1 6.2

BA

ND

GA

P W

AV

EL

EN

GT

H(M

ICR

ON

S)

2.5

3.0

3.5

Substrate

AlSb

GaSb

AlGaSb

GaAsSb

可选择的半导体材料

AlGaSb( 近间接禁带 )

GaSb 量子阱( 间接禁带 )

GaAsSb 量子阱

研究方案研究方案

SESAM 的设计及材料的生长制备

进行 SESAM镀增透膜试验

脉冲激光的表征

构建高掺铒及高掺镱光纤激光器实验室系统

构建基于新型锑基材料SESAM 被动锁模的普通单模光纤激光器实验室系统

特色与创新特色与创新（ 1 ）提出用高折射率比、热导性好的新型锑基材料挑战 InP 为基底的常规材料，制备 SESAM ，并且该锑基材料的工作波长在 1.54 m 附近。

（ 2 ） SESAM 可在 GaSb 基底上单晶片生长，通过单次分子外延生长实现，材料生长制备简便易行。

（ 3 ） DBRMs 材料对数仅为 6 或 10对，突破了常规材料 20对、甚至 30对以上才能实现所需要的反射率，大大降低了材料生长的难度，提高了器件的性能。