基于量子點光放大器的MZI型全光開關(guān)第一性原理研究.pdf

1、量子點半導(dǎo)體光放大器（QD-SOA）具有增益恢復(fù)時間超快、增益帶寬大、高飽和輸出功率等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛的研究和應(yīng)用在各種全光信號處理器件中。然而，QD-SOA中的相位恢復(fù)時間卻很長（ns級別），這將嚴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型全光開關(guān)，然后以提高此種全光開關(guān)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(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制，為如何提高開關(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方面：
　　一、針對量子點的能級和波函數(shù)問題，我們首先分析了現(xiàn)有的幾種重要的求解量子點能級和波函數(shù)的方法，根據(jù)這些理論結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有文獻，總結(jié)了幾種在后面幾章內(nèi)容中需要用到的量子點簡化模型，并且針對系統(tǒng)中連續(xù)態(tài)的近似和相應(yīng)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(dǎo)QD-SOA的一些關(guān)鍵性質(zhì)。
　　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(shù)的詳細推導(dǎo)，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(guān)系。從計算結(jié)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(guān)系。另外，由于載流子的屏蔽效應(yīng)，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(xiàn)有的理論和實驗都相

4、符合。
　　三、針對量子點系統(tǒng)中的帶內(nèi)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(dǎo)計算了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，當輸入光子能量很高時，起主導(dǎo)作用的是間接過程。此結(jié)果還解釋了現(xiàn)有實驗結(jié)果與經(jīng)典理論模型之間存在的不同，即在量子點系統(tǒng)中，當入射光子頻率與載流子的束縛能接近時，吸收系數(shù)比體材料中的高一個數(shù)量級左右；而當光子頻率很高（超過1eV）時，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(jié)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(xiàn)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(shù)。通過研究發(fā)現(xiàn)，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(jīng)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(jié)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(jié)合以上內(nèi)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(guān)的相位恢復(fù)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(guān)鍵物理機制都從第一性原理上進行了分析。并且構(gòu)建了一些新的物理模型，得到了一些全新的