半導(dǎo)體激光器輻射效應(yīng)及影響研究.pdf

1、近年來，隨著航天工業(yè)和核工業(yè)的發(fā)展，光子技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視。半導(dǎo)體激光器因?yàn)榫哂畜w積小、壽命長、功率高、成本低和容易使用等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中，是光通信中的核心器件之一。然而，在具有嚴(yán)重輻射的環(huán)境中，半導(dǎo)體激光器的輸出光功率會(huì)受到輻射干擾，這種干擾對(duì)于通信誤碼率也會(huì)產(chǎn)生很大影響。為了降低這種影響可以采取器件加固設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)節(jié)的方法。因此，一方面可以通過建立輻射對(duì)半導(dǎo)體激光器光功率影響的理論模型，深入分析半導(dǎo)體激光器

2、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料參數(shù)對(duì)抗輻射性能的影響，為器件加固設(shè)計(jì)提供參考；另一方面在此基礎(chǔ)上建立輻射對(duì)通信誤碼率影響模型，深入了解輻射對(duì)通信誤碼率影響過程及其變化規(guī)律，進(jìn)而尋找調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)的規(guī)律降低輻射影響。由于輻射對(duì)半導(dǎo)體激光器會(huì)產(chǎn)生不同作用機(jī)理，因此表現(xiàn)出的效果也不同。總體來說主要會(huì)產(chǎn)生兩種效應(yīng)，瞬態(tài)電離效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)，因此光功率模型和誤碼率模型也都受到這兩種效應(yīng)的影響?；谝陨夏康谋疚闹饕獌?nèi)容包括以下幾方面：
　?。?） LD瞬態(tài)

3、電離效應(yīng)光學(xué)響應(yīng)模型研究。瞬態(tài)電離效應(yīng)是輻射導(dǎo)致外層電子電離，并在LD中產(chǎn)生光電流，這種電流與電源注入電流是無差別的，因此進(jìn)一步導(dǎo)致光功率增加。通過在載流子速率方程中引入電離項(xiàng)，并與光子速率方程聯(lián)立求解，在單模穩(wěn)定激射狀態(tài)下獲得LD瞬態(tài)電離效應(yīng)光學(xué)響應(yīng)模型。為了證明該模型的正確性，根據(jù)文獻(xiàn)[100]中的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果表明理論計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，從而驗(yàn)證了該模型的正確性。在此基礎(chǔ)上定義了光學(xué)增益因子，

4、該因子表征了該類型LD光功率對(duì)電離效應(yīng)的敏感程度，它是由激光器本身微觀結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)決定。并且進(jìn)一步分析了輸出鏡反射率以及有源層厚度對(duì)光學(xué)增益因子的影響，該結(jié)果可為器件加固設(shè)計(jì)提供參考。
　?。?） LD總劑量效應(yīng)光學(xué)響應(yīng)模型研究。該部分包含兩部分內(nèi)容：首先推導(dǎo)了位移效應(yīng)光學(xué)響應(yīng)模型，并獲得了光功率衰減因子的微觀參數(shù)表達(dá)式；其次建立了半導(dǎo)體激光器輻射效應(yīng)綜合光學(xué)響應(yīng)模型。
　　利用O. Gilard的半導(dǎo)體激光器閾值載流子密

5、度輻射損傷模型，從載流子速率方程和光子速率方程入手，獲得了LD位移效應(yīng)光學(xué)響應(yīng)模型，在此基礎(chǔ)上給出了光功率衰減因子表達(dá)式。與Y. H. Zhao等人的衰減因子不同的是，該衰減因子表達(dá)式包含了材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)，可為器件加固設(shè)計(jì)提供更為直接的參考。在此基礎(chǔ)上，分析了輸出鏡反射率以及諧振腔長度對(duì)該因子的影響。并采用1550nm激光器進(jìn)行了輻射效應(yīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該模型的正確性。
　　輻射對(duì)半導(dǎo)體激光器光功率的總體影響應(yīng)該是瞬態(tài)電離

6、效應(yīng)和位移效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。因此，在綜合考慮了瞬態(tài)電離效應(yīng)的光電流增加因素和位移效應(yīng)的閾值電流密度衰減因素的基礎(chǔ)上，獲得了LD輻射效應(yīng)綜合光學(xué)響應(yīng)模型。由于該模型考慮了綜合作用結(jié)果，因此更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　?。?）半導(dǎo)體激光器輻射效應(yīng)對(duì)通信誤碼率的影響及改善方法研究
　　分別分析了半導(dǎo)體激光器瞬態(tài)電離效應(yīng)光學(xué)響應(yīng)和位移效應(yīng)光學(xué)響應(yīng)對(duì)通信誤碼率的影響。
　　首先，利用美國大氣海洋局發(fā)布的空間高軌輻射環(huán)境數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得

7、到高軌環(huán)境劑量率概率密度函數(shù)近似符合高斯模型。該模型為計(jì)算空間高軌電離效應(yīng)影響打下基礎(chǔ)。其次，在考慮入射光功率隨機(jī)變化和接收機(jī)高斯噪聲的雙重影響下，獲得了誤碼率的計(jì)算模型。并根據(jù)該模型仿真研究了LD瞬態(tài)電離效應(yīng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)誤碼率的影響。再次，將輻射對(duì)LD光功率衰減因素引入到誤碼率計(jì)算方程中，建立了LD位移效應(yīng)光學(xué)響應(yīng)對(duì)誤碼率影響計(jì)算模型。并選用典型系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了仿真分析。在此基礎(chǔ)上，為了降低輻射對(duì)誤碼率的影響，討論了閾值、消光比、探測(cè)器