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量子线材料折射率变化低偏振相关性研究

量子线材料折射率变化低偏振相关性研究

作者：周熠武汉大学

学位级别：硕士

量子线材料中,自由载流子会在两个维度受到限制作用,这使得量子线材料对比体材料和量子阱材料具有更优的光学性质,如更容易达到激光器所需要的粒子束反转数以及更稳定的温度特性等。有源区载流子浓度变化导引的折射率变化是全光开关、... 详细信息

量子线材料中,自由载流子会在两个维度受到限制作用,这使得量子线材料对比体材料和量子阱材料具有更优的光学性质,如更容易达到激光器所需要的粒子束反转数以及更稳定的温度特性等。有源区载流子浓度变化导引的折射率变化是全光开关、全光逻辑门、波长转换器等光通信器件的主要工作机理。为了在实际应用中保证这些器件获得良好的工作性能,要求当载流子注入时,器件对TE模和TM模的折射率变化具有低的偏振相关性。本文从半导体能带理论出发,结合量子线材料的应变分布,使用包含应变的八带k.p理论模型建立量子线材料能带求解矩阵,并选用正交平面波展开法进行能带结构的求解。在此基础上,计算了载流子注入后量子线材料导带和价带的准费米分布、动量矩阵元和谱线展宽效应。考虑带隙收缩效应的影响,得到由能带填充效应引起的吸收系数的变化,然后由Kramers-Kronig变换关系得到由吸收系数变化带来的折射率变化量。进一步计算自由载流子吸收效应引起的折射率变化量,最终建立载流子导引的量子线材料折射率变化理论分析模型。基于上述理论分析模型,利用MATLAB仿真分析了线区材料组分、垒区材料组分、柱状量子线直径和自由载流子浓度对材料TE模与TM模折射率变化的影响规律,并剖析了其中的物理机制。以此为基础,提出了一种实现量子线材料折射率变化低偏振相关的多参数调配方法,并设计出C波段（1530 nm-1565 nm）内折射率变化低偏振相关（＜1%）的In Ga As/In Ga As P量子线材料,表明该多参数调配方法对量子线材料折射率变化低偏振相关的设计具有指导作用。

关键词：量子线载流子导引折射率变化低偏振

兼顾增益与折射率变化的低偏振量子点材料研究

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兼顾增益与折射率变化的低偏振量子点材料研究

作者：吴子涵武汉大学

学位级别：硕士

全光逻辑门、微环谐振器和全光开关等是发展未来全光网络的关键器件。这些器件以载流子浓度变化引起的折射率变化为基本工作原理,同时在工作时需要一定的增益。此外,为了在实际应用中获得良好的工作性能,要求器件对TE模和TM模入射光具... 详细信息

全光逻辑门、微环谐振器和全光开关等是发展未来全光网络的关键器件。这些器件以载流子浓度变化引起的折射率变化为基本工作原理,同时在工作时需要一定的增益。此外,为了在实际应用中获得良好的工作性能,要求器件对TE模和TM模入射光具有低的偏振相关性。因此,在器件设计中,不仅要兼顾材料的增益特性与折射率变化特性,还需要考虑增益和折射率变化低的偏振相关性。相较于体材料和量子阱,量子点具有三维量子限制效应,更有利于器件实现优异的光学性能。因此,本文对兼顾增益与折射率变化的低偏振量子点材料进行分析,研究结果对全光网络的早日实现具有一定的推动作用。本文在量子点能带结构的基础上,建立了计算量子点材料光增益和折射率变化的解析模型。首先阐述了能带求解的过程,给出了量子点内部的应变分布。根据8带k.p微扰模型建立量子点能带求解矩阵,并结合平面波展开法求解有效质量方程,得到量子点的能级和波函数,即能带结构。接下来基于已知的能带结构计算导带到价带的跃迁动量矩阵元和谱线展宽效应,导出增益的解析模型。以此为基础,考虑能带填充效应,通过Kramers-Kronig变换得到其折射率变化量。同时分析带隙收缩对折射率变化的贡献,并计入自由载流子吸收效应,最终导出量子点材料折射率变化的解析模型。本文对比分析了量子点材料TE模和TM模增益谱及其折射率变化谱随点区材料组分、垒区材料组分和量子点高宽比的变化特性,并剖析了其中的物理机理。进一步联合考虑点区和垒区的组分变化对兼顾增益与折射率变化以及偏振相关性的影响,提出了一种多参数调配方法,并据此设计出在1550nm通信波段(1540～1560nm)内兼顾增益与折射率变化的低偏振量子点材料InGaAs/InGaAsP.。最后通过分析,选定合适的工作载流子浓度。当载流子浓度为0.6×10m时,TE模和TM模的3d B谱宽交叠区面积分别为8.66×10nm/cm和7.55×10nm/cm,增益和折射率变化的偏振相关性分别在3%和10%以内。本文研究结果有助于未来全光网络中关键器件的优化设计。

关键词：量子点增益折射率变化 3dB谱宽交叠区面积低偏振相关

ZnO/Zn1-xMgxO非对称双量子阱中电子的带间跃迁光吸收及折射率变化

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ZnO/Zn1-xMgxO非对称双量子阱中电子的带间跃迁光吸收及折射率变化

作者：钱文华内蒙古大学

学位级别：硕士

本文考虑内建电场的作用,计入能带弯曲因子的影响,运用有限差分法自洽求解薛定谔方程和泊松方程,得到纤锌矿ZnO/ZnMgO非对称双量子阱系统中电子(空穴)的能级和波函数.进一步,运用费米黄金法则求得电子带间跃迁的线性和非线性光吸收系数... 详细信息

本文考虑内建电场的作用,计入能带弯曲因子的影响,运用有限差分法自洽求解薛定谔方程和泊松方程,得到纤锌矿ZnO/ZnMgO非对称双量子阱系统中电子(空穴)的能级和波函数.进一步,运用费米黄金法则求得电子带间跃迁的线性和非线性光吸收系数及折射率变化,并讨论三元混晶和尺寸效应,及入射光强对其的影响.首先,简要介绍量子阱相关问题的研究历史和发展现状.着重阐述ZnO/MgZnO单阱和双阱中电子带间跃迁光吸收系数及折射率变化的研究进展.针对存在的问题,给出本文的理论模型,通过计算获得数值解并对其进行讨论.结果显示,由于ZnO/ZnMgO耦合双量子阱的内建电场可达到MV/cm量级,致使系统对混晶组分和尺寸的调节作用较为敏感.当左阱宽度较小和中间垒厚较大时,双阱以及电子空穴波函数的耦合作用增强,电子与空穴波函数的空间分离减小,分布与同一阱中;在系统尺寸一定的情况下,势垒高度和内建电场均随着Mg组分的增加而增大,导致电子和空穴间能级差变大,吸收系数及折射率变化发生蓝移且峰值均减小;随着中间垒厚度的增加,相应峰值减小且发生红移;随着右阱宽度的增大,相应峰值先增后减且发生红移.此外,入射光强度可调节光吸收系数及折射率变化,随着入射光强的增加,光吸收系数及折射率变化的峰值均减小.本文结果可为相关实验提供理论指导。

关键词：纤锌矿非对称ZnO/MgxZnO1-x双量子阱电子带间跃迁光吸收折射率变化三元混晶效应尺寸效应

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兼顾量子阱增益谱与折射率变化谱的研究

兼顾量子阱增益谱与折射率变化谱的研究

作者：何秀贞武汉大学

学位级别：硕士

有源光开关、波长转换器和有源微环谐振器等是发展高速灵活光分组交换网络的关键光电器件。这些器件的工作原理是有源区载流子浓度变化导引的折射率变化,同时它们工作时也需要增益。为了使这些器件有效地工作,在器件设计时,需要同时考... 详细信息

有源光开关、波长转换器和有源微环谐振器等是发展高速灵活光分组交换网络的关键光电器件。这些器件的工作原理是有源区载流子浓度变化导引的折射率变化,同时它们工作时也需要增益。为了使这些器件有效地工作,在器件设计时,需要同时考虑增益和折射率变化。本文首次对兼顾量子阱材料增益谱及其折射率变化谱进行研究,所得研究结果对于未来全光网络中关键器件的研制具有一定理论指导作用,同时有助于其它有源材料物理性质的理论分析。本文首先对半导体能带结构进行了分析,并给出了量子阱材料的增益及其折射率变化的计算模型。其中介绍了能带的有效质量理论,分析了应变效应对能带结构带来的影响,计算了应变量子阱中的临界厚度、材料参数和带边不连续性,并对能带结构进行了求解。在能带结构的基础上,给出了增益的计算模型。使用Kramers-Kronig变换求得增益变化伴随的折射率变化,同时考虑自由载流子吸收效应对折射率变化的影响,最终给出了量子阱材料折射率变化的计算模型。基于能带结构和增益与折射率变化的计算模型,本文对比分析了阱宽、应变和载流子浓度对量子阱材料增益谱及其折射率变化谱的影响,并剖析了其中的物理机理。提出以两谱线的3dB谱宽交叠区面积为度量,进一步分析了各因素对兼顾量子阱材料增益谱及其折射率变化谱的幅值和谱宽特性的影响。研究表明,两谱线的3dB谱宽交叠区面积随阱宽的变化过程中存在一个极大值;引入压应变有利于增大3dB谱宽交叠区面积;3dB谱宽交叠区面积随载流子浓度单调增加的过程中存在一个转折点,在转折点之前增加迅速,在转折点之后增加放缓。基于以上影响规律,选取适当的阱宽与压应变量,在载流子浓度为3.0×1024m-3时,设计出的In0.583Ga0.417As/In0.817Ga0.183As0.4P0.6量子阱结构在C波段内可以恰当地兼顾材料增益谱与折射率变化谱的幅值和谱宽特性,此时两谱线的3dB谱宽交叠区面积为 3.7×104nm/cm。

关键词：能带结构量子阱增益折射率变化 3dB谱宽交叠区面积

基于数字图像的多孔硅微阵列中折射率变化的并行检测

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基于数字图像的多孔硅微阵列中折射率变化的并行检测

作者：李传喜新疆大学

学位级别：硕士

多孔硅(Porous Silicon,PSi),具有比表面积大、生物活性好、吸附性强、生物兼容性好等优点,它被广泛用于光学生物传感器的基底材料,以多孔硅为基底的微阵列芯片对生物检测具有免标记、可定量等优点,近年来针对这些应用开展探索和研究掀... 详细信息

多孔硅(Porous Silicon,PSi),具有比表面积大、生物活性好、吸附性强、生物兼容性好等优点,它被广泛用于光学生物传感器的基底材料,以多孔硅为基底的微阵列芯片对生物检测具有免标记、可定量等优点,近年来针对这些应用开展探索和研究掀起了热潮。本文基于PSi微阵列的数字图像,提出了一种高灵敏度的测量折射率变化的新方法。在氦氖激光激发下,采用数字成像设备获得具有微腔结构的阵列单元的反射光图像,我们通过计算图像的平均灰度值变化来检测单元的折射率变化量。该方法可检测出每一个阵列单元折射率变化量的10量级,可用于检测多孔硅微阵列生物芯片中因生物反应引起的折射率变化,从而实现免标记、快速、并行的生物检测。本论文研究内容包括三个部分:(1)成功制备出多孔硅微腔微阵列芯片,阵列分布为9×9,直径为500μm。(2)采用转移矩阵法理论仿真出缺陷态波长与入射角度的关系,并根据这种关系阐述了角度测量法机理;同时还采用转移矩阵法理论仿真出折射率的变化量与入射角度的关系、反射率的变化量与入射角度的关系。(3)制备了多孔硅为基底的微阵列芯片,采用数字成像设备获得具有微腔结构的阵列单元的反射光图像,用数字处理软件把把图像转化成灰度图,并最大范围的分割出阵列单元的中间区域,然后计算出区域中的平均灰度值,从而用灰度值的变化量来表示折射率的变化量。此方法可检测出每一个阵列单元10的折射率变化量,从而可检测出因生物特异性结合而引起的折射率的变化,实现免标记、快速、并行的生物检测。

关键词：多孔硅微阵列数字图像法平均灰度值折射率变化

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量子线材料折射率变化偏振相关性研究

光学与光电技术 2019年第3期17卷 60-65页

作者：周熠缪庆元何平安王宝龙武汉大学电子信息学院

有源区载流子浓度变化导引的折射率变化是许多新型光通信器件的工作机理,对量子线材料折射率变化偏振相关性的研究有利于改善器件的性能。首先分析了线区材料组分、垒区材料组分、柱状量子线直径和载流子浓度对量子线材料TE模和TM模折... 详细信息

有源区载流子浓度变化导引的折射率变化是许多新型光通信器件的工作机理,对量子线材料折射率变化偏振相关性的研究有利于改善器件的性能。首先分析了线区材料组分、垒区材料组分、柱状量子线直径和载流子浓度对量子线材料TE模和TM模折射率变化的影响。以此为基础,提出了一种实现量子线材料折射率变化低偏振相关的多参数调配方法,并设计出C波段(1 530~1 565 nm)内折射率变化低偏振相关(折射率变化低偏振相关的设计具有指导作用。

关键词：量子线载流子引导折射率变化偏振相关多参数调配

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载流子导引的折射率变化偏振相关性研究

物理学报 2012年第20期61卷 503-507页

作者：缪庆元崔俊胡蕾蕾何健何平安黄德修武汉大学电子信息学院武汉430072 武汉光迅科技股份有限公司武汉430205 华中科技大学光电子科学与工程学院武汉430074

分析了载流子浓度、张应变量大小、量子阱阱宽和量子阱垒区材料组分对量子阱结构TE模和TM模折射率变化的影响.综合调配以上参数得到1530—1570 nm波长范围内同时具有大的折射率变化量(10^(-2)量级)和折射率变化低偏振相关(10^(-4)量级)... 详细信息

分析了载流子浓度、张应变量大小、量子阱阱宽和量子阱垒区材料组分对量子阱结构TE模和TM模折射率变化的影响.综合调配以上参数得到1530—1570 nm波长范围内同时具有大的折射率变化量(10^(-2)量级)和折射率变化低偏振相关(10^(-4)量级)的量子阱结构.研究表明,不同的调配参数组合可以得到同一波长范围内基本一致的折射率变化谱.

关键词：折射率变化载流子导引偏振相关量子阱

兼顾增益和折射率变化的低偏振混合应变多量子阱结构研究

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光学与光电技术 2020年第3期18卷 111-118页

作者：彭辉缪庆元武汉大学电子信息学院湖北武汉430072

对比分析了单量子阱TE模和TM模增益谱及其折射率变化谱随应变、阱宽的变化规律,同时分析了应变和阱宽对兼顾增益和折射率变化的影响。进一步考虑波导的光学限制因子及多量子阱阱间载流子浓度分布的不均匀性,提出一种多参数调配方法,据... 详细信息

对比分析了单量子阱TE模和TM模增益谱及其折射率变化谱随应变、阱宽的变化规律,同时分析了应变和阱宽对兼顾增益和折射率变化的影响。进一步考虑波导的光学限制因子及多量子阱阱间载流子浓度分布的不均匀性,提出一种多参数调配方法,据此设计出C波段内兼顾增益谱和折射率变化谱的低偏振混合应变多量子阱结构。最后,通过分析选定合适的载流子浓度。当载流子浓度为3.22×1024m-3时,TE模和TM模3 dB谱宽交叠区面积分别为84.81 nm/cm和74.50 nm/cm,增益偏振相关性和折射率偏振相关性分别保持在4%和6%以内。该研究结果有助于未来全光网络中相关器件的优化设计。

关键词：混合应变多量子阱载流子导引增益折射率变化 3 dB谱宽交叠区面积低偏振相关

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正切平方量子阱中的非线性光学折射率

河北师范大学学报（自然科学版） 2022年第4期46卷 352-357页

作者：赵庄李学超张粮成段一名安徽理工大学力学与光电物理学院安徽淮南232001

从理论上研究了正切平方量子阱(QWs)在不同温度、流体静压作用下非线性光学折射率的变化.在有效质量近似的框架下,通过求解薛定谔方程得到本征函数和能量本征值.利用密度矩阵理论和迭代方法,得到了非线性光学折射率变化(RIC)的解析表达... 详细信息

从理论上研究了正切平方量子阱(QWs)在不同温度、流体静压作用下非线性光学折射率的变化.在有效质量近似的框架下,通过求解薛定谔方程得到本征函数和能量本征值.利用密度矩阵理论和迭代方法,得到了非线性光学折射率变化(RIC)的解析表达式.计算结果表明,流体静压、温度、电势和QWs的直径对RIC有很大的影响,所得结果可以为研究正切平方量子阱的光学折射率变化提供必要的理论依据.

关键词：量子阱流体静压折射率变化本征函数密度矩阵理论