基于量子點光放大器的MZI型全光開關第一性原理研究.pdf

1、量子點半導體光放大器（QD-SOA）具有增益恢復時間超快、增益帶寬大、高飽和輸出功率等優(yōu)點，已經被廣泛的研究和應用在各種全光信號處理器件中。然而，QD-SOA中的相位恢復時間卻很長（ns級別），這將嚴重限制了基于相位調制的QD-SOA器件的重復操作速率。本文首先提出了一種新型的基于QD-SOA和光子晶體波導的MZI型全光開關，然后以提高此種全光開關的操作速率作為切入點，深入探討了QD-SOA中各種影響相位恢復速率的主要因素，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制，為如何提高開關的重復速率提供了各種理論指導。具體的研究工作包括以下幾個方面：
　　一、針對量子點的能級和波函數問題，我們首先分析了現有的幾種重要的求解量子點能級和波函數的方法，根據這些理論結果，結合現有文獻，總結了幾種在后面幾章內容中需要用到的量子點簡化模型，并且針對系統中連續(xù)態(tài)的近似和相應態(tài)密度問題也做了詳細分析。這些模型方便我們來研究和推導QD-SOA的一些關鍵性質。
　　二、

3、針對QD-SOA中的載流子傳輸機制，我們首先通過對非平衡格林函數的詳細推導，得出了QD-SOA中載流子在不同作用機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、逃逸速率與浸潤層載流子濃度之間的關系。從計算結果中可以看出電子（或空穴）的傳輸速率與浸潤層的電子和空穴的濃度均有很大關系。另外，由于載流子的屏蔽效應，當載流子濃度非常高時，載流子的傳輸速率反而會有所下降，這與現有的理論和實驗都相

4、符合。
　　三、針對量子點系統中的帶內光吸收問題，我們利用一階微擾理論和二階微擾理論分別推導計算了QD-SOA中的直接和間接（聲子輔助）帶內光傳輸系數。結果顯示，當輸入光子能量很高時，起主導作用的是間接過程。此結果還解釋了現有實驗結果與經典理論模型之間存在的不同，即在量子點系統中，當入射光子頻率與載流子的束縛能接近時，吸收系數比體材料中的高一個數量級左右；而當光子頻率很高（超過1eV）時，吸收系數與體材料中的又很接近。最后我們提出

5、了一種簡單有效的新模型—修正的Drude模型來計算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算的結果，尤其是在束縛能很大的時候。
　　四、針對QD-SOA中的退相問題，我們擴展了現有的獨立波色模型，加入了由實傳輸引起的激子占有幾率隨時間的變化函數。通過研究發(fā)現，雖然實傳輸和純退相是兩種不同的物理過程，但是它們已經耦合在一起，而不能將它們分開，具體為實傳輸可以降低純退相速率。此結論是

6、文獻140中實驗值的一種可能理論解釋。這是對量子點中激子退相機制的一個全新認識。也為我們提高基于QD-SOA的光器件性能提供了一個新的方向。
　　結合以上內容的研究，我們在展望中針對前文提出的問題—如何提高開關的相位恢復速率提出了總體解決思想與方案，由于時間問題，本文只對后續(xù)理論和實驗部分提出了一些總體規(guī)劃。
　　總之，本文對QD-SOA中的關鍵物理機制都從第一性原理上進行了分析。并且構建了一些新的物理模型，得到了一些全新的