基于自旋轨道修正法的中红外半导体激光器的数值仿真技术的研究

The mid-infrared laser is a key device for application of the directed infrared countermeasure systems. Among many proposed structures for the mid-infrared laser, antimonide mid-infrared semiconductor laser is a hotspot in the international research field due to peculiar advantages such as compact dimensions, low weight, and ease integration etc. The numerical simulation technique of semiconductor lasers is used as an effective tool for the structural design of devices. It can solve the problems of low power efficiency, poor beam quality and high characteristic temperature caused by the unreasonable laser structure. Nowdays the numerical simulation technique has become an important issue of high-performance semiconductor lasers fabrication. But the simulation results can not be applied to provide a reference design of antimonide mid-infrared semiconductor lasers and the optimization of device structure. In this project the numerical simulation of mid-infrared semiconductor laser based on the spin-orbit splitting correction method is studied. The spin-orbit splitting correction method for calculating parameters of multicomponent antimonide materials will be discussed. The numerical simulation for antimonide mid-infrared semiconductor laser will be investigated. The optimal design of antimonide multi quantum well laser and quantum cascade laser will be finished. High-performance antimonide mid-infrared semiconductor lasers will be ideal optical sources to meet demand on electron optical countermeasures. To study and realise rational design of mid-infrared semiconductor lasers will be have very important scientific significance.

中红外激光器是定向红外对抗系统中的关键器件。在中红外激光器研究的各类方案中，锑化物半导体激光器因体积小、重量轻、易于集成而成为该领域的研究热点。半导体激光器数值仿真技术作为器件结构设计的一种有效工具，可解决因器件结构引起的功率效率低、光束质量差、特征温度高等问题，现已成为半导体激光器研制的重要课题之一。然而，由于缺少准确可靠的锑化物材料数据库，现有的半导体激光器数值仿真技术无法为该类器件的研制提供合理的结构设计方案及有效的数值仿真结果。本项目主要研究基于自旋轨道修正法的中红外半导体激光器数值仿真技术，包括计算多元锑化物材料基本参数的自旋轨道修正法；锑化物半导体激光器数值仿真技术；锑化物量子阱激光器、量子级联激光器优化设计技术等。高性能的锑化物中红外半导体激光器是定向红外对抗的理想光源，能够满足未来光电对抗的要求。因此，研究该类技术，对实现中红外半导体激光器合理化设计具有十分重要的科学意义。

半导体激光器数值仿真技术是目前高性能半导体激光器研制的重要课题之一。结合研究目标，探讨所采用方法的理论依据，指出在现有的数值仿真技术中引入自旋轨道修正法的优势及必要性。本研究从材料能带结构角度出发，开展了基于自旋轨道修正法的中红外锑化物半导体激光器数值仿真技术的研究，为研制高性能的新型锑化物半导体激光器提供切入点和理论基础，归纳起来主要内容和成果如下： .基于多元锑化物材料能带结构的分析，讨论了自旋轨道分裂带对材料禁带宽度的影响，提出并利用自旋轨道修正法计算多元锑化物半导体材料基本参数。与常见的计算方法相比，计算结果与实验结果的最大误差率为1.82%。.针对锑化物材料的独特性，全面地研究了锑化物激光器数值仿真数据库所需的物理模型、计算方法、程序语言及操作环境等参数对锑化物半导体激光器数值仿真效果的影响。基于自旋轨道修正法，构建了InGaAsSb/AlGaAsSb多量子阱激光器、InGaAs/AlAsSb量子级联激光器Crosslight数据库，并对具有不同结构的锑化物中红外半导体激光器结构进行了数值仿真，仿真结果与实验结果基本相符，最大误差率为7.51%。实现了该类器件的有效模拟。.开展了锑化物半导体激光器结构设计及优化的研究。通过分析各层结构对InGaAsSb/AlGaAsSb多量子阱激光器、InGaAs/AlAsSb量子级联激光器性能的影响，优化设计了具有低阈值电流密度、高光束质量的2μm InGaAsSb/AlGaAsSb多量子阱激光器，具有低特征温度、高功率效率的4μmInGaAs/AlAsSb量子级联激光器。本研究为探讨锑化物能带结构与材料特性之间的关系提供了重要的启示性线索，为后续开展高新能新型锑化物中红外半导体激光器的研制奠定了坚实的工作基础。