空間光通信用量子點激光器輻射損傷效應(yīng)研究

王 俊，高 欣，馮展祖，楊生勝，秦曉剛，把得東，薛玉雄，王 靜

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 a.空間環(huán)境材料行為及評價技術(shù)重點實驗室，b.真空技術(shù)與物理重點實驗室；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，深圳 518172）

0 引言

近年來，隨著航天工業(yè)和核工業(yè)的快速發(fā)展，光電通信技術(shù)的應(yīng)用越來越受到重視。尤其是空間光通信技術(shù)以其高數(shù)據(jù)率、信息量大、保密性好等優(yōu)點，將會成為未來星地、星間衛(wèi)星等通信的主要手段[1-2]。半導(dǎo)體激光器因為具有體積小、壽命長、功率高、成本低和容易使用等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中，是光通信中的核心器件之一。相比傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器而言，量子點激光器具有較低的閾值電流密度、較小的溫度依賴性等良好特性，這使得量子點激光器作為空間光通信光源具有較大潛力。

空間輻射對半導(dǎo)體光電器件的輻射效應(yīng)主要有兩種：電離輻射和位移損傷。電離輻射是一種瞬時影響，通常在輻射劑量低于1×105rad的情況下，不會造成光電器件嚴重的永久性損傷[3-5]。在空間輻射環(huán)境中，半導(dǎo)體激光器的性能衰退，尤其是閾值電流的增加和輸出光功率的減少，一般認為是由于位移損傷造成的[6-9]。位移損傷會使光電器件的半導(dǎo)體材料晶格缺陷數(shù)量增加，從而導(dǎo)致其暗電流或暗計數(shù)率增加，影響光電器件的光功率。

量子點激光器作為光源器件，在空間輻射環(huán)境下性能的穩(wěn)定性，直接決定了空間光通信系統(tǒng)的可靠性。因此，研究空間輻射環(huán)境下量子點激光器的抗輻射損傷能力就顯得極其重要。本文利用1 MeV、2 MeV的電子和質(zhì)子作為輻射源對1 310 nm量子點激光器進行輻射，分析不同輻射劑量引起的輻射損傷對激光器性能的影響。研究結(jié)果可以為空間輻射環(huán)境中使用的光電器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗輻射加固設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 試驗樣品與輻射條件

1.1 試驗樣品

與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器相比，如果半導(dǎo)體晶體材料在三維空間的尺寸與載流子的DeBroglie波長或電子的平均自由程尺寸相當(dāng)或更小，并且該材料又被禁帶寬度更大的材料包圍，即為量子點結(jié)構(gòu)，也就是電子在材料中的運動受到三維限制，即電子能量是量子化的，這種電子在三維方向上全部受限制的材料（或者結(jié)構(gòu)）稱量子點材料。如圖1所示是典型的InAs/GaAs單層量子點激光器結(jié)構(gòu)，在n型GaAs襯底上生長一層緩沖層，再在緩沖層上通過S-K機理生長量子點層，并通過解離方式形成諧振腔，最后在襯底和蓋層形成有效的電極。

圖1 量子點激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch map of the quantum dot laser

試驗樣品選用1 310 nm量子點激光器，樣品如圖2所示。

圖2 試驗樣品圖Fig.2 The test sample

1.2 輻射條件

采用雙束加速器開展量子點激光器的電子和質(zhì)子輻射試驗。雙束加速器提供能量0.1～2.0 MeV（連續(xù)控制）的電子和質(zhì)子，電子束流密度為1 pA/cm2～50 nA/cm2，質(zhì)子束流密度為1～40 nA/cm2。樣品臺溫度控制范圍為-100℃～+100℃，真空室尺寸φ1 500mm×1 500 mm，真空度優(yōu)于3×10-4Pa，采用無油真空系統(tǒng)，避免真空系統(tǒng)對材料的污染。每次試驗在輻射室中放置兩個試驗樣品。樣品放置在鋁金屬樣品臺上，器件各引腳處于短路狀態(tài)，防止輻射過程中的靜電放電對器件造成的損傷。所有器件在室溫條件下進行輻射，以便熱退火效應(yīng)最小化。具體的輻射注量和輻射劑量如表1所列。

表1 輻射試驗參數(shù)Table 1 Irradiation experimental parameters

1.3 樣品測試

當(dāng)達到設(shè)定的輻射劑量后，快速取出樣品進行光電性能參數(shù)測試，以便比較輻射前后性能參數(shù)變化情況。輻射前后光電器件的性能參數(shù)測試在室溫條件下進行。使用Thorlabs公司ITC4020電流源控制器、InGaAs探測器及電腦控制系統(tǒng)對量子點激光器的I-V和I-P特性參數(shù)進行測試。

2 結(jié)果和分析

同一電流處的電壓均隨著輻射劑量的增加呈上升趨勢，這是由于電離輻射導(dǎo)致的載流子去除效應(yīng)造成的，即電離輻射會在量子點層禁帶中引入非輻射復(fù)合中心，吸收載流子。因此，隨著輻射劑量的增加，同一電流下的激勵電壓將逐漸升高。質(zhì)子輻射后的I-V變化趨勢與電子輻射一致，質(zhì)子輻射比電子輻射的電壓升高幅度小，這是由于質(zhì)子所造成的損傷剖面在材料中分布不均勻，其在最大射程附近缺陷密度最大。隨入射質(zhì)子能量的增加通過彈性碰撞所能傳遞的總能量增大，由于能量更高的粒子與材料作用的時間短，傳遞的總能量反而減少，因此其在材料中產(chǎn)生的缺陷密度將會下降。電子和質(zhì)子輻射下的1 310 nm量子點激光器I-V特性變化如圖3所示。

圖3 電子和質(zhì)子輻射下的1310 nm量子點激光器I-V特性圖Fig.3 I-V characteristics of 1 310 nm quantum dot laser by electron and proton irradiation

隨著電子和質(zhì)子輻射劑量的增加，量子點激光器閾值電流逐漸增大，同時，在相同電流處的光功率逐漸減小，斜率下降。質(zhì)子輻射試驗結(jié)果與Gonda等[10]用質(zhì)子對InAs/GaAs量子點激光器進行的輻射損傷研究結(jié)論一致，經(jīng)過輻射的激光器同一電流值處的電壓值增大，并且激光器輸出功率以及斜率效率隨著輻射通量的增加而下降，閾值電流隨著輻射劑量增加而呈上升趨勢。電子和質(zhì)子輻射下的1 310 nm量子點激光器I-P特性變化如圖4所示。

當(dāng)電子輻射劑量較小時，激光器閾值增加迅速，是由于電離輻射造成的缺陷所致，當(dāng)輻射劑量較小時，受激輻射所需的載流子迅速被大量缺陷中心俘獲，導(dǎo)致閾值迅速升高，當(dāng)劑量達到1×107rad時，閾值電流增大開始變得緩慢，是因為輻射導(dǎo)致的缺陷隨著輻射劑量的增加慢慢接近飽和狀態(tài)，閾值的增大趨勢就會變緩。質(zhì)子輻射和電子輻射的變化趨勢一致，當(dāng)輻射劑量超過8×105rad之后，增加趨勢變緩。電子和質(zhì)子輻射下1 310 nm量子點激光器閾值電流隨輻射劑量變化如圖5所示。

圖4 電子和質(zhì)子輻射下的1310 nm量子點激光器I-P特性圖Fig.4 I-P characteristics of 1 310 nm quantum dot laser by electron and proton irradiation

圖5 電子和質(zhì)子輻射下1 310 nm量子點激光器閾值電流隨輻射劑量的變化曲線Fig.5 Threshold current of 1 310 nm quantum dot laser with different irradiation dose by electron and proton irradiation

在輻射劑量較小時斜率效率迅速下降，當(dāng)電子和 質(zhì)子輻射劑量分別超過1×107rad和8×105rad之后，下降的趨勢變緩。電子和質(zhì)子輻射下1 310 nm量子 點激光器斜率效率隨輻射劑量的變化如圖6所示。

圖6 電子和質(zhì)子輻射下1 310 nm量子點激光器斜率效率隨輻射劑量的變化曲線Fig.6 Slope efficiency of 1 310 nm quantum dot laser with different irradiation dose by electron and proton irradiation

3 結(jié)論

采用能量1、2 MeV的電子和質(zhì)子對1 310 nm量子點半導(dǎo)體激光器開展輻射試驗研究，測試量子點激光器I-V和I-P特性隨輻射劑量的變化。隨著輻射劑量的增加，同一電流處的電壓均隨著輻射劑量呈上升趨勢；量子點激光器閾值電流逐漸增大，同時，在同一驅(qū)動電流下，光功率逐漸減小，斜率效率下降；當(dāng)電子和質(zhì)子的輻射劑量分別超過1×107rad和8×105rad之后，閾值電流增大和斜率效率的下降趨勢都變緩。