روشن کردن پاسخ ماژوله شده در لیزرهای نقطه کوانتومی (مقاله ترجمه شده)

نشان می دهیم که پاسخ دینامیکی لیزرهای نقطه کوانتومی نیمه هادی پمپ الکتریکی می تواند بصورت کمّی از طریق مشخصه قوی غیرخطی فرایندهای پراکندگی الکترون-الکترون قابل درک باشد. شبیه سازی های متعددی برای ترکیب رویکردهای میکروسکوپی که برای نرخ پراکندگی غیرتابشی محاسبه می شود را با مدل نرخ معادله استفاده شده برای مدل سازی به کار انداختن رفتارهای پیچیده دینامیکی ارائه شده است. تاخیر به جریان انداختن شبیه سازی، فرکانس نوسانات ضعیف، پاسخ مدولاسیون سیگنال کوچک و الگوهای چشم لیزرهای نقطه کوانتومی ارائه شده اند و با نتایج تجربی در طول موج 1300 نانومتر مقایسه شده اند. میرایی شدید نوسانات ضعیف به یک مکانیزم غیر عادی نسبت داده شده است که شامل جذب اوگر ، شامل فرایند ترکیبی حفره-الکترون که از لایه خمیری به سمت نقطه کوانتومی می رود و بر پایه درجه وابستگی جریان پمپ تراکم حفره و الکترون وابسته است.

مقدمه

لیزرهای نقطه کوانتومی QDبهترین کاندید برای مخابرات سرعت بالای آینده است و در حال حاضر با توجه به ویژگی‌های مهم مثل آستانه هدایت جریان، پایداری دما، تولید صدا و عدم حساسیت فیدبک  [3-1] به لیزرهای کوانتومی ترجیح داده می‌شود. به هر حال، فرکانس قطع و نرخ انتقال داده‌ها باید بیشتر بهبود یابند تا در مصارف صنعتی مهم جلوه کنند. بنابراین نیاز است تا محدودیت‌ها در کارایی و نحوه بهبود آن‌ها شناسایی شود. برای رسیدن به این هدف، درک اصولی دینامیکی در سطح میکروسکوپی لازم است. این هدف مدل‌سازی زیر از یک سیستم لیزری نقطه کوانتومی مدل شده است که ترکیبی از یک روش میکروسکوپی برای محاسبه نرخ پراکندگی غیر تابشی الکترون-الکترون با یک مدل نرخ معادلات مورد استفاده برای مدل‌های رفتار ترتیبی  پیچیده دینامیکی است، می‌باشد. بنابراین، این فراتر از نرخ معادلات استانداردی می‌رود [12-4] که به طور مشابه در لیزرهای کوانتومی استفاده شده است [13 و 14]. از آنجا که در اینجا تمرکز ما بر روی ویژگی‌های طیفی مانند سوزاندن گودال طیفی، انبساط ناهمگن و فرایندهای خفیف نقاط درونی نیست، ویژگی‌هایی که در کارهای دیگر در نظر گرفته شده است [11 و 17-15] در اینجا نادیده گرفته می‌شود.

به طور کلی یک توصیف میکروسکوپی کامل از دینامیک لیزرهای نقطه کوانتومی بالاتر از آستانه هدایت نیاز به توصیف دینامیک قطبش و جمعیت از یک توزیع ناهمگن از نقطه‌های کوانتومی در یک رژیم [18]، لایه آغشته کوانتومی و مناطق عمده تزریق پمپ می‌باشد. فعل و انفعالات الکترون‌ها در این مراحل توسط فایندهای خفیف وابسته مثل اثر متقابل الکترون-الکترون و الکترون-فنون تامین می‌شود. یک روش میکروسکوپی کامل [19] برای همه مقیاس‌های زمانی وطولی، دینامیک لیزرهای نقطه کوانتومی است که تا به حال به صورت عددی خیلی بیشتر از تقاض می‌باشد. برای مثال، یک سلسله مراتب دینامیکی برای دینامیک جمعیت و مدولاسیون لیزرهای نقطه کوانتومی در تقریب زمان خفیف در مرجع 20 تعیین شده است و مطالعه همبستگی کوانتومی در انتشار نوری در مرجع 21 آمده است.

مدل درجه معادله

مدل ما یک سیستم لیزر نقطه کوانتومی را توصیف می‌کند که الکترون‌ها اول قبل از اینکه توسط نقاط کوانتومی جذب شوند به لایه‌های خمیری تزریق می‌شوند. ما یک سیستم دو سطحی را برای لحاظ کردن الکترون‌ها و حفره‌ها در نقاط کوانتومی لحاظ می‌کنیم. از آنجا که فرایندهای حامل خفیف با وجود حالت‌های لایه های خمیری و به وجود نقاط کوانتومی، خیلی سریعتر از ( تقریبا پیکو ثانیه) فرایندهای جذب شدن  از لایه‌های خمیری به داخل نقاط کوانتومی در بالاترین تراکم حامل های لایه های خمیری است [24]، در نتیجه تنها انرژی دارترین الکترون و حفره در پایین ترین سطوح در نقاط کوانتومی در دینامیک لیزر شرکت می کنند[25]. معادلات پایین ( معادلات 5-1) به ترتیب برای تراکم بار  حامل در نقاط کوانتومی ne و nh، تراکم بار در لایه خمیری we و wh و چگالی فوتون nph،  تعیین دینامیک الکترون و حفره ( e برای الکترون و h برای حفره).

نرخ پراکندگی غیر خطی

توصیف دینامیک لیزرهای نقطه کوانتوم در InAs/GaAs نیاز به گنجاندن تعامل بین حالت های گسسته در نقاط کوانتوم محلی و حالت های الکترون ها و حفره های پیوسته در بالاترین سطح انرژی به همراه لایه خمیری دارد. از آنجا که علاقه مند در تحقیقات رژیم لیزر هستیم، برای مثال تراکم حامل لایه خمیری خیلی بالا می باشد، دینامیک جذب شده توسط ساختار لایه خمیری-نقطه کوانتوم زیر نظر قانون پراکندگی غیر محلی کولون می باشد [24، 32-28].

روشن کردن مشخصات

به منظور بحث بر روی نتایج شبیه سازی ها، ما تحول زمانی تراکم فوتون شبیه سازی شده nphبا داده های تجربی از لیزر نقطه کوانتوم ، همانطور که در شکل 3a نشان داده شده است، مقایسه می کنیم. خروجی لیزر اندازه گیری شده را برای جریان های مختلف پمپ jشرح می دهد ( مقدار واحد آستانه هدایت لیزر) که از مشخصات ورودی خروجی حالت دائمی شبیه سازی شده محاسبه شده است( شکل 4 ). جریان پالس تزریقی با دوره تناوب 5 نانو ثانیه در لحظع صفر کلید می خورد. نتایج شبیه سازی در شکل 3bنشان داده شده است. برای شبیه سازی جریان پالس به همراه و استفاده شده است. بازده فلت و فرمول افت و خیز 100psمی باشد ( شکل 5a). پارامترها در جدول 1 خلاصه شده است. برای جریان پمپ ، منحنی های تجربی و شبیه سازی شده در شکل 3bکشیده شده است. تا تناسب خوب آن ها را نشان دهد.

میرایی ضعیف درمقابل میرایی قوی

برای الکترون ها در نقاط کوانتومی، رقابتی بین ترکیب مجدد تابشی و برخوردهای پراکندگی غیرتابشی وجود دارد. برای ترکیب مجدد تابشی قوی تر، فرایندهای پراکندگی الکترون-الکترون اهمیت خود را از دست می دهند . بنابراین میرایی های شدید نوسانات ضعیف از بین می روند. یک پارامتر که نسبت هر دو فرایند را تحت تاثیر قرار می دهد، ضریب محدودیت نوری است که یک مقیاس مهم برای فرایندهای تابشی می باشد. افزایش دینامیک را کاملا تغییر می‌دهد و همانطور که در پایین نمایش داده شده است، میرایی ضعیف نوسانات خفیف را به دنبال دارد.

پاسخ مدوله شده

در این بخش با تغییر نشان می دهیم، برای مثال با تغییر تعداد لایه های نقطه کوانتوم aL، می توان انتقال بین دو نوع مختلف از عملکرد لیزر را انجام داد. در یکسو، میرایی شدید دینامیک روشن کردن همانطور که در نمونه تجربی ارائه داده شده قابل مشاهده است و در سوی دیگر میرایی آرام نوسانات خفیف به همراه تراکم الکترون های مدوله شده نزدیک به اشباع وارونگی، همانطور که در لیزرهای تزریقی نیمه هادی های معمولی یافت می شود. در حالت اول، تنظیم یکی از پارامترها برای بحث های بالا مشخص است، درصورتی که پارامتر دیگر که محدودیت نوری می باشد به آرامی افزایش می‌یابد . یک فاز تصویر از دینامیک باهم روشن شدن برای حالت دائم (نقاط ثابت) برای جریان های پمپ متفاوت در فضای دو بعدی که ( nph و ne) در شکل 7 کشیده شده است، برای هردو پارامتر تنظیم شده است. شکل اصلی حالت دائمی انتشار لیزر را برای جریان های پمپ از طریق سمبل مشخص می کند. نقطه های مشکی مربوط به ( میرایی شدید) است درحالیکه ستاره های آبی مربوط به (میرایی ضعیف) می باشد. یک تفاوت بین دو منحنی، تراکم بیشتر الکترون در حالت دائم برای حالت میرایی شدید می باشد. در اینجا تقریبا تمامی نقاط کوانتومی با یک الکترون های پیشرو به یک تراکم الکترونی پایدار شده است . همچنین مشاهده می شود که تراکم الکترون های ماندگار با افزایش جریان پمپ که با کاهش وارونگی اشباع نمایان می‌شوند، بصورت آرام کاهش پیدا می کند. از طرفی دیگر، برای ، همانند لیزرهای معمولی ، با افزایش jتقریبا ثابت می ماند.

نتیجه گیری

میرایی شدید نوسانات خفیف لیزرهای نقطه کوانتوم بصورت کمّی به وسیله یک مکانیزم نوین که بصورت قابل توجهی با لیزرهای معمولی تفاوت دارد و شامل پراکندگی حامل-حامل غیرخطی قوی از لایه خمیری به سمت نقاط کوانتومی می‌شود، بررسی شده است. از طریق مدل معادله 5 متغیره میکروسکوپی نشان دادیم که میرایی ضعیف معمولی نوسانات خفیف خلاف عقربه های ساعت در یکسو و میرایی شدید غیرمعمولی نوسانات خفیف در سوی دیگر، مربوط به دو دینامیکغیر خطی مختلف می باشد. در شبیه سازی ما، انتقال بین این دو حالت می تواند توسط انتخاب مقادیر مختلف ضریب محدودیت نوری، مشاهده شود.

علاوه بر این، ما اهمیت فرایندهای جذب اوگر ترکیبی الکترون-حفره را که به تراکم تراکم الکترون و حفره در لایه خمیری بستگی داشت را نشان دادیم. در نتیجه، نتایج قبلی ما که به طور قابل توجهی فرکانس نوسانات خفیف را دسته بالا حساب کرده بود، بهبود بخشیدیم. اگر فقط تفاوت غلظت الکترون و حفره در لایه خمیری و همچنین وابستگی آن ها به جریان پمپ در نظر گرفته می شود، با توجه به شکل می توان از تفاوت قابل توجه تجربی و فرکانس نوسانات ضعیف دوری کرد. دینامیک روشن کردن و پاسخ مدوله شده سیگنال بزرگ و کوچک برای پارامترهای مختلف در یک محدوده بزرگ از جریان های پمپ آنالیز شد که تناسب فوقالعاده ای با نمونه عملی داشت.

این مقاله ISI در سال 2008 در نشریه APS و در مجله بررسی فیزیکی (B)، توسط موسسه فیزیک نظری منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله روشن کردن پاسخ ماژوله شده در لیزرهای نقطه کوانتومی در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.