空间光通信用量子点激光器辐射损伤效应研究

王 俊，高 欣，冯展祖，杨生胜，秦晓刚，把得东，薛玉雄，王 静

（1.兰州空间技术物理研究所 a.空间环境材料行为及评价技术重点实验室，b.真空技术与物理重点实验室；2.深圳职业技术学院，深圳 518172）

0 引言

近年来，随着航天工业和核工业的快速发展，光电通信技术的应用越来越受到重视。尤其是空间光通信技术以其高数据率、信息量大、保密性好等优点，将会成为未来星地、星间卫星等通信的主要手段[1-2]。半导体激光器因为具有体积小、寿命长、功率高、成本低和容易使用等优点广泛应用于光通信系统中，是光通信中的核心器件之一。相比传统半导体激光器而言，量子点激光器具有较低的阈值电流密度、较小的温度依赖性等良好特性，这使得量子点激光器作为空间光通信光源具有较大潜力。

空间辐射对半导体光电器件的辐射效应主要有两种：电离辐射和位移损伤。电离辐射是一种瞬时影响，通常在辐射剂量低于1×105rad的情况下，不会造成光电器件严重的永久性损伤[3-5]。在空间辐射环境中，半导体激光器的性能衰退，尤其是阈值电流的增加和输出光功率的减少，一般认为是由于位移损伤造成的[6-9]。位移损伤会使光电器件的半导体材料晶格缺陷数量增加，从而导致其暗电流或暗计数率增加，影响光电器件的光功率。

量子点激光器作为光源器件，在空间辐射环境下性能的稳定性，直接决定了空间光通信系统的可靠性。因此，研究空间辐射环境下量子点激光器的抗辐射损伤能力就显得极其重要。本文利用1 MeV、2 MeV的电子和质子作为辐射源对1 310 nm量子点激光器进行辐射，分析不同辐射剂量引起的辐射损伤对激光器性能的影响。研究结果可以为空间辐射环境中使用的光电器件结构设计与抗辐射加固设计提供参考依据。

1 试验样品与辐射条件

1.1 试验样品

与传统的半导体激光器相比，如果半导体晶体材料在三维空间的尺寸与载流子的DeBroglie波长或电子的平均自由程尺寸相当或更小，并且该材料又被禁带宽度更大的材料包围，即为量子点结构，也就是电子在材料中的运动受到三维限制，即电子能量是量子化的，这种电子在三维方向上全部受限制的材料（或者结构）称量子点材料。如图1所示是典型的InAs/GaAs单层量子点激光器结构，在n型GaAs衬底上生长一层缓冲层，再在缓冲层上通过S-K机理生长量子点层，并通过解离方式形成谐振腔，最后在衬底和盖层形成有效的电极。

图1 量子点激光器结构示意图Fig.1 The sketch map of the quantum dot laser

试验样品选用1 310 nm量子点激光器，样品如图2所示。

图2 试验样品图Fig.2 The test sample

1.2 辐射条件

采用双束加速器开展量子点激光器的电子和质子辐射试验。双束加速器提供能量0.1～2.0 MeV（连续控制）的电子和质子，电子束流密度为1 pA/cm2～50 nA/cm2，质子束流密度为1～40 nA/cm2。样品台温度控制范围为-100℃～+100℃，真空室尺寸φ1 500mm×1 500 mm，真空度优于3×10-4Pa，采用无油真空系统，避免真空系统对材料的污染。每次试验在辐射室中放置两个试验样品。样品放置在铝金属样品台上，器件各引脚处于短路状态，防止辐射过程中的静电放电对器件造成的损伤。所有器件在室温条件下进行辐射，以便热退火效应最小化。具体的辐射注量和辐射剂量如表1所列。

表1 辐射试验参数Table 1 Irradiation experimental parameters

1.3 样品测试

当达到设定的辐射剂量后，快速取出样品进行光电性能参数测试，以便比较辐射前后性能参数变化情况。辐射前后光电器件的性能参数测试在室温条件下进行。使用Thorlabs公司ITC4020电流源控制器、InGaAs探测器及电脑控制系统对量子点激光器的I-V和I-P特性参数进行测试。

2 结果和分析

同一电流处的电压均随着辐射剂量的增加呈上升趋势，这是由于电离辐射导致的载流子去除效应造成的，即电离辐射会在量子点层禁带中引入非辐射复合中心，吸收载流子。因此，随着辐射剂量的增加，同一电流下的激励电压将逐渐升高。质子辐射后的I-V变化趋势与电子辐射一致，质子辐射比电子辐射的电压升高幅度小，这是由于质子所造成的损伤剖面在材料中分布不均匀，其在最大射程附近缺陷密度最大。随入射质子能量的增加通过弹性碰撞所能传递的总能量增大，由于能量更高的粒子与材料作用的时间短，传递的总能量反而减少，因此其在材料中产生的缺陷密度将会下降。电子和质子辐射下的1 310 nm量子点激光器I-V特性变化如图3所示。

图3 电子和质子辐射下的1310 nm量子点激光器I-V特性图Fig.3 I-V characteristics of 1 310 nm quantum dot laser by electron and proton irradiation

随着电子和质子辐射剂量的增加，量子点激光器阈值电流逐渐增大，同时，在相同电流处的光功率逐渐减小，斜率下降。质子辐射试验结果与Gonda等[10]用质子对InAs/GaAs量子点激光器进行的辐射损伤研究结论一致，经过辐射的激光器同一电流值处的电压值增大，并且激光器输出功率以及斜率效率随着辐射通量的增加而下降，阈值电流随着辐射剂量增加而呈上升趋势。电子和质子辐射下的1 310 nm量子点激光器I-P特性变化如图4所示。

当电子辐射剂量较小时，激光器阈值增加迅速，是由于电离辐射造成的缺陷所致，当辐射剂量较小时，受激辐射所需的载流子迅速被大量缺陷中心俘获，导致阈值迅速升高，当剂量达到1×107rad时，阈值电流增大开始变得缓慢，是因为辐射导致的缺陷随着辐射剂量的增加慢慢接近饱和状态，阈值的增大趋势就会变缓。质子辐射和电子辐射的变化趋势一致，当辐射剂量超过8×105rad之后，增加趋势变缓。电子和质子辐射下1 310 nm量子点激光器阈值电流随辐射剂量变化如图5所示。

图4 电子和质子辐射下的1310 nm量子点激光器I-P特性图Fig.4 I-P characteristics of 1 310 nm quantum dot laser by electron and proton irradiation

图5 电子和质子辐射下1 310 nm量子点激光器阈值电流随辐射剂量的变化曲线Fig.5 Threshold current of 1 310 nm quantum dot laser with different irradiation dose by electron and proton irradiation

在辐射剂量较小时斜率效率迅速下降，当电子和 质子辐射剂量分别超过1×107rad和8×105rad之后，下降的趋势变缓。电子和质子辐射下1 310 nm量子 点激光器斜率效率随辐射剂量的变化如图6所示。

图6 电子和质子辐射下1 310 nm量子点激光器斜率效率随辐射剂量的变化曲线Fig.6 Slope efficiency of 1 310 nm quantum dot laser with different irradiation dose by electron and proton irradiation

3 结论

采用能量1、2 MeV的电子和质子对1 310 nm量子点半导体激光器开展辐射试验研究，测试量子点激光器I-V和I-P特性随辐射剂量的变化。随着辐射剂量的增加，同一电流处的电压均随着辐射剂量呈上升趋势；量子点激光器阈值电流逐渐增大，同时，在同一驱动电流下，光功率逐渐减小，斜率效率下降；当电子和质子的辐射剂量分别超过1×107rad和8×105rad之后，阈值电流增大和斜率效率的下降趋势都变缓。