基于量子點(diǎn)光放大器的MZI型全光開(kāi)關(guān)第一性原理研究.pdf

1、量子點(diǎn)半導(dǎo)體光放大器（QD-SOA）具有增益恢復(fù)時(shí)間超快、增益帶寬大、高飽和輸出功率等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的研究和應(yīng)用在各種全光信號(hào)處理器件中。然而，QD-SOA中的相位恢復(fù)時(shí)間卻很長(zhǎng)（ns級(jí)別），這將嚴(yán)重限制了基于相位調(diào)制的QD-SOA器件的重復(fù)操作速率。本文首先提出了一種新型的基于QD-SOA和光子晶體波導(dǎo)的MZI型全光開(kāi)關(guān)，然后以提高此種全光開(kāi)關(guān)的操作速率作為切入點(diǎn)，深入探討了QD-SOA中各種影響相位恢復(fù)速率的主要因素，從第一性原理

2、上使我們更加深入的理解了其中重要的物理機(jī)制，為如何提高開(kāi)關(guān)的重復(fù)速率提供了各種理論指導(dǎo)。具體的研究工作包括以下幾個(gè)方面：
　　一、針對(duì)量子點(diǎn)的能級(jí)和波函數(shù)問(wèn)題，我們首先分析了現(xiàn)有的幾種重要的求解量子點(diǎn)能級(jí)和波函數(shù)的方法，根據(jù)這些理論結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)，總結(jié)了幾種在后面幾章內(nèi)容中需要用到的量子點(diǎn)簡(jiǎn)化模型，并且針對(duì)系統(tǒng)中連續(xù)態(tài)的近似和相應(yīng)態(tài)密度問(wèn)題也做了詳細(xì)分析。這些模型方便我們來(lái)研究和推導(dǎo)QD-SOA的一些關(guān)鍵性質(zhì)。
　　二、

3、針對(duì)QD-SOA中的載流子傳輸機(jī)制，我們首先通過(guò)對(duì)非平衡格林函數(shù)的詳細(xì)推導(dǎo)，得出了QD-SOA中載流子在不同作用機(jī)制下的傳輸速率方程。然后，我們用Matlab編程求解了在室溫下 QD-SOA中載流子的捕獲、弛豫、逃逸速率與浸潤(rùn)層載流子濃度之間的關(guān)系。從計(jì)算結(jié)果中可以看出電子（或空穴）的傳輸速率與浸潤(rùn)層的電子和空穴的濃度均有很大關(guān)系。另外，由于載流子的屏蔽效應(yīng)，當(dāng)載流子濃度非常高時(shí)，載流子的傳輸速率反而會(huì)有所下降，這與現(xiàn)有的理論和實(shí)驗(yàn)都相

4、符合。
　　三、針對(duì)量子點(diǎn)系統(tǒng)中的帶內(nèi)光吸收問(wèn)題，我們利用一階微擾理論和二階微擾理論分別推導(dǎo)計(jì)算了QD-SOA中的直接和間接（聲子輔助）帶內(nèi)光傳輸系數(shù)。結(jié)果顯示，當(dāng)輸入光子能量很高時(shí)，起主導(dǎo)作用的是間接過(guò)程。此結(jié)果還解釋了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典理論模型之間存在的不同，即在量子點(diǎn)系統(tǒng)中，當(dāng)入射光子頻率與載流子的束縛能接近時(shí)，吸收系數(shù)比體材料中的高一個(gè)數(shù)量級(jí)左右；而當(dāng)光子頻率很高（超過(guò)1eV）時(shí)，吸收系數(shù)與體材料中的又很接近。最后我們提出

5、了一種簡(jiǎn)單有效的新模型—修正的Drude模型來(lái)計(jì)算QD-SOA中的自由載流子吸收。新的模型包含了載流子的束縛能，并且能夠很好的逼近第一性原理計(jì)算的結(jié)果，尤其是在束縛能很大的時(shí)候。
　　四、針對(duì)QD-SOA中的退相問(wèn)題，我們擴(kuò)展了現(xiàn)有的獨(dú)立波色模型，加入了由實(shí)傳輸引起的激子占有幾率隨時(shí)間的變化函數(shù)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，雖然實(shí)傳輸和純退相是兩種不同的物理過(guò)程，但是它們已經(jīng)耦合在一起，而不能將它們分開(kāi)，具體為實(shí)傳輸可以降低純退相速率。此結(jié)論是

6、文獻(xiàn)140中實(shí)驗(yàn)值的一種可能理論解釋。這是對(duì)量子點(diǎn)中激子退相機(jī)制的一個(gè)全新認(rèn)識(shí)。也為我們提高基于QD-SOA的光器件性能提供了一個(gè)新的方向。
　　結(jié)合以上內(nèi)容的研究，我們?cè)谡雇嗅槍?duì)前文提出的問(wèn)題—如何提高開(kāi)關(guān)的相位恢復(fù)速率提出了總體解決思想與方案，由于時(shí)間問(wèn)題，本文只對(duì)后續(xù)理論和實(shí)驗(yàn)部分提出了一些總體規(guī)劃。
　　總之，本文對(duì)QD-SOA中的關(guān)鍵物理機(jī)制都從第一性原理上進(jìn)行了分析。并且構(gòu)建了一些新的物理模型，得到了一些全新的