基于量子點(diǎn)的超快極化全光開關(guān)及慢光特性研究.pdf

1、全光通信一直以來(lái)是人們的夢(mèng)想。它能突破當(dāng)前光通信中必須使用部分電子器件而使得光通信速度受限即電子瓶頸的限制。這其中存在這兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn):全光開關(guān)和全光緩存。量子點(diǎn)材料的出現(xiàn),為人們解決上述問題提供了可能。本論文基于量子點(diǎn)的激子強(qiáng)限制作用及強(qiáng)非線性等特性,設(shè)計(jì)超快全光開關(guān),研究量子點(diǎn)的慢光特性,為解決光通信中的電子瓶頸問題提供可能方案。主要工作包括以下幾個(gè)方面。
　　(1)研究了量子點(diǎn)的金屬氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)技術(shù)。探討了量子點(diǎn)

2、的生長(zhǎng)方法和生長(zhǎng)工藝。研究了生長(zhǎng)溫度、沉積速率、沉積厚度、V/Ⅲ流量比、覆蓋層等條件對(duì)量子點(diǎn)生長(zhǎng)的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了量子點(diǎn)的生長(zhǎng)。初步得出了最佳生長(zhǎng)條件為生長(zhǎng)溫度500℃、沉積速率0.074ML/s、沉積厚度1.7ML、V/Ⅲ流量比為10。量子點(diǎn)密度達(dá)到5×109/cm2。
　　(2)設(shè)計(jì)了一種基于量子點(diǎn)的超快極化全光開關(guān)。利用傳遞矩陣方法計(jì)算了光開關(guān)的反射譜和對(duì)比度。分析了光開關(guān)對(duì)比度與控制光強(qiáng)的關(guān)系。分析了量子點(diǎn)馳豫速率即溫

3、度對(duì)光開關(guān)的影響。分析了量子點(diǎn)非均勻展寬對(duì)光開關(guān)對(duì)比度的影響。該光開關(guān)的對(duì)比度在不考慮非均勻展寬時(shí),100周期量子點(diǎn)布拉格結(jié)構(gòu)的光開關(guān)在泵浦光強(qiáng)為0.5MW/cm2可以達(dá)到930(30dB);考慮非均勻展寬為20meV時(shí),200周期量子點(diǎn)布拉格結(jié)構(gòu)的光開關(guān)在泵浦光強(qiáng)為0.5MW/cm2可以達(dá)到350(25dB)。該光開關(guān)的理論開光時(shí)間可達(dá)ps量級(jí)。常溫下工作穩(wěn)定性,工作功率,對(duì)比度等參數(shù)優(yōu)于同類型的量子阱光開關(guān)。
　　(3)研究了

4、量子點(diǎn)中基于電磁感應(yīng)透明的慢光。分析計(jì)算了量子點(diǎn)中雙激子-激子級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中基于電磁感應(yīng)透明的慢光。通過(guò)求解穩(wěn)態(tài)下的密度矩陣方程,我們獲得了量子點(diǎn)中雙激子-激子級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中電磁感應(yīng)透明頻譜燒孔。分析了泵浦光強(qiáng)、雙激子馳豫速率對(duì)吸收譜的影響,計(jì)算了系統(tǒng)的折射率色散。最后分析了雙激子能量重整化對(duì)系統(tǒng)吸收譜和慢光系數(shù)的影響。發(fā)現(xiàn)在不考慮雙激子能級(jí)重整化時(shí),慢光系數(shù)可達(dá)到3000;考慮重整化時(shí),慢光系數(shù)減小為2500,且需要更大的泵浦光強(qiáng)。研究表明,

5、由于雙激子和激子在量子點(diǎn)中受到較強(qiáng)的限制作用,激子和雙激子的壽命也較長(zhǎng)、馳豫速率較小,同量子阱相比,具有更好的溫度穩(wěn)定性。期望可以在室溫下觀察到該現(xiàn)象。是常溫下實(shí)現(xiàn)慢光的又一途徑,可用于實(shí)現(xiàn)光緩存。另外,我們還通過(guò)密度矩陣?yán)碚摾碚撗芯苛穗p量子點(diǎn)中“Y”型能級(jí)結(jié)構(gòu)中的慢光。該系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)雙窗口慢光。我們分別在每個(gè)窗口獲得0.002c和0.01c的慢光。而且,慢光的速度和帶寬都可以通過(guò)外加電壓來(lái)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)除了用來(lái)做光緩存器外

6、,也可用來(lái)設(shè)計(jì)可調(diào)光開關(guān)、可調(diào)光陷波器等,具有較好的開發(fā)前景。
　　(4)研究了量子點(diǎn)中非電磁感應(yīng)透明慢光。首先,我們分析計(jì)算了量子點(diǎn)在共振激發(fā)下,通過(guò)改變控制光強(qiáng)可實(shí)現(xiàn)從快光到慢光的連續(xù)轉(zhuǎn)換。基于我們建立的簡(jiǎn)單二能級(jí)結(jié)構(gòu)模型,采用密度矩陣方法計(jì)算了InGaAs/InGaAsP量子點(diǎn)的一階和三階吸收系數(shù)和折射率。我們研究了量子點(diǎn)中共振能量0.85eV附近的慢光和快光現(xiàn)象。當(dāng)入射光強(qiáng)度小于臨界強(qiáng)度時(shí),量子點(diǎn)顯示出快光特性,它起源于量

7、子點(diǎn)的一階吸收。當(dāng)入射光強(qiáng)度超過(guò)臨界強(qiáng)度時(shí),量子點(diǎn)由于存在較大的三階非線性而呈現(xiàn)出慢光特性。我們證明了量子點(diǎn)中的快光和慢光效應(yīng)。它可能用于光通信中。接著,我們分析計(jì)算了非對(duì)稱雙量子點(diǎn)系統(tǒng)中基于雙吸收的慢光特性。在兩量子點(diǎn)共振頻率的中間,顯示出相對(duì)低折射率色散、寬帶寬、適宜于光通信的特性。兩量子點(diǎn)的共振頻率的差異決定了慢光系數(shù)、吸收率和帶寬。系統(tǒng)的帶寬可以達(dá)到60G,并且信號(hào)光在1mm長(zhǎng)度的色散材料中,相對(duì)于在真空中傳輸可以延遲許多脈沖寬