空間光通信用量子點激光器輻射損傷效應研究

王 俊，高 欣，馮展祖，楊生勝，秦曉剛，把得東，薛玉雄，王 靜

（1.蘭州空間技術物理研究所 a.空間環境材料行為及評價技術重點實驗室，b.真空技術與物理重點實驗室；2.深圳職業技術學院，深圳 518172）

0 引言

近年來，隨著航天工業和核工業的快速發展，光電通信技術的應用越來越受到重視。尤其是空間光通信技術以其高數據率、信息量大、保密性好等優點，將會成為未來星地、星間衛星等通信的主要手段[1-2]。半導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點廣泛應用于光通信系統中，是光通信中的核心器件之一。相比傳統半導體激光器而言，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。

空間輻射對半導體光電器件的輻射效應主要有兩種：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]。在空間輻射環境中，半導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體材料晶格缺陷數量增加，從而導致其暗電流或暗計數率增加，影響光電器件的光功率。

量子點激光器作為光源器件，在空間輻射環境下性能的穩定性，直接決定了空間光通信系統的可靠性。因此，研究空間輻射環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。研究結果可以為空間輻射環境中使用的光電器件結構設計與抗輻射加固設計提供參考依據。

1 試驗樣品與輻射條件

1.1 試驗樣品

與傳統的半導體激光器相比，如果半導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，即為量子點結構，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（或者結構）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構，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 量子點激光器結構示意圖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子輻射試驗。雙束加速器提供能量0.1～2.0 MeV（連續控制）的電子和質子，電子束流密度為1 pA/cm2～50 nA/cm2，質子束流密度為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，真空度優于3×10-4Pa，采用無油真空系統，避免真空系統對材料的污染。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，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Table 1 Irradiation experimental parameters

1.3 樣品測試

當達到設定的輻射劑量后，快速取出樣品進行光電性能參數測試，以便比較輻射前后性能參數變化情況。輻射前后光電器件的性能參數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對量子點激光器的I-V和I-P特性參數進行測試。

2 結果和分析

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致的載流子去除效應造成的，即電離輻射會在量子點層禁帶中引入非輻射復合中心，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。質子輻射后的I-V變化趨勢與電子輻射一致，質子輻射比電子輻射的電壓升高幅度小，這是由于質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，因此其在材料中產生的缺陷密度將會下降。電子和質子輻射下的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。質子輻射試驗結果與Gonda等[10]用質子對InAs/GaAs量子點激光器進行的輻射損傷研究結論一致，經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，導致閾值迅速升高，當劑量達到1×107rad時，閾值電流增大開始變得緩慢，是因為輻射導致的缺陷隨著輻射劑量的增加慢慢接近飽和狀態，閾值的增大趨勢就會變緩。質子輻射和電子輻射的變化趨勢一致，當輻射劑量超過8×105rad之后，增加趨勢變緩。電子和質子輻射下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，當電子和 質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 結論

采用能量1、2 MeV的電子和質子對1 310 nm量子點半導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，在同一驅動電流下，光功率逐漸減小，斜率效率下降；當電子和質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。