دانلود رایگان مقاله روشن کردن پاسخ دینامیکی و ماژوله شده در لیزرهای نقطه کوانتومی نیمه هادی

           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.

            در کار ما، ما بر روی دینامیک نوسانات خفیف در مقیاس زمانی نانو ثانیه برای تزریق جریان به بالاتر از آستانه هدایت لیزر تمرکز می‌کنیم. ما بر دینامیک جمعیت ناشی شده از اثر متقابل حالات نقطه کوانتومی با حالات منبع جمعیت مدل شده جریان گذرا از لایه خمیری،تمرکز می‌کنیم.

          در این حد تحریک بالا، پراکندگی الکترون-الکترون، کانال تعامل اصلی را فراهم می‌کند. یک مقایسه دقیق بین داده‌های تجربی و نظری برای طیف گسترده‌ای از جریان پمپ‌های مختلف داده شده است. ما به یک رابطه عالی بین دینامیک مشاهدات تجربی و پیش‌بینی‌های نظری منتجه در خصوص توضیحات کمی از میرایی شدید نوسانات لیزرهای نقطه کوانتومی دست یافته‌ایم. نرخ پراکندگی الکترون- الکترون محاسبه شده یک وابستگی شدید غیر خطی بر روی الکترون و تراکم حفره در لایه خمیری را نشان می‌دهد که به عنوان مسئول میرایی شدید نوسانات خفیف یافت شده است. علاوه بر این، ما اهمیت فرایندهای جذب مخلوط e-h که به هر دوی الکترون (e) و تراکم حفره (h) بستگی دارد را نشان می‌دهیم. اگرچه برخی بینش در دینامیک خفیف لیزرهای نقطه کوانتومی می‌تواند توسط سیستم ساده سه متغیر با چشم‌پوشی از تفاوت در الکترون و تراکم حفره فراهم شود [6،7،12]. یک مدل واقعی‌تر به منظور مقدار تولید مجدد و درواقع پیش‌بینی مشاهدات دینامیک نیاز است. علاوه بر این ما نشان می‌دهیم که دو نوع تفاوت کیفی از پاسخ دینامیکی محتمل است و تنها پارامتر خروجی قابل دسترسی که با کلید زنی بین دو رژیم تعیین می‌شود.

           مدل اصلی در اینجا استفاده شده است و توسط روابط 5-1 در پاینن توصیف شده است که این روابط در کارهای گذشته و در مراجع 22 و 23 ارائه شده‌ بودند. در اینجا، به عنوان یک فرمت ضروری، ما وابستگی میزان پراکندگی حامل حامل را بر روی هر دوی تراکم الکترون لایه خمیری و تراکم حفره لایه خمیری به حساب می‌آوریم. ما نشان می‌دهیم که نسبت بین این دو کمیت با جریان پمپ متغیر است. بنابراین خیلی مهم است که هر دو تراکم را به طور جداگانه در مدل لحاظ کنیم. علاوه براین درمورد تاثیر پارامترهای مختلف بر روی دینامیک خروجی لیزر ا به طور دقیق بحث می‌کنیم و شبیه‌سازی خود را با نتایج تجربی مقایسه می‌کنیم. به طور خاص، ما شبیه‌سازی‌هایی را در خصوص روشن کردن مشخصات، الگوهای چشم و پاسخ مدولاسیون سیگنال کوچک ارائه می‌دهیم.

2. 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).

           We show that the dynamic response of electrically pumped semiconductor quantum dot lasers can be quantitatively understood by including the strongly nonlinear character of electron-electron scattering processes. The numerical simulations presented here combine a microscopic approach used for calculating the nonradiative scattering rates with a rate equation model used for modeling the complex dynamic turn-on behavior. Simulated turn-on delay, relaxation oscillation frequency, small-signal modulation response, and eye patterns of the quantum dot laser are presented and compared with experimental results at an emission wavelength of 1300 nm. The strong damping of the relaxation oscillations is attributed to an anomalous mechanism which involves Auger capture, including the mixed electron-hole process from the wetting layer WL into quantum dot states, and relies upon the pump current dependent ratio of WL electron and hole densities.

I. INTRODUCTION

          Quantum dot QD lasers are excellent candidates for future high-speed communication and already preferential to quantum well lasers with respect to important features like threshold current, temperature stability, chirp, and feedback insensitivity.1–3 However, cut-off frequency and data transmission rate need to be improved further in order to make them attractive for industrial applications. Therefore, there is a need to understand what limits the performance and how it can be improved. To achieve this goal, an understanding of the underlying dynamics on a microscopic level is necessary. This is the purpose of the following modeling of a directly modulated QD laser system which combines a microscopic approach for calculating the nonradiative electron-electron scattering rates with a rate equation model used for modeling the complex dynamic turn-on behavior. Thus it goes beyond standard rate equations,4–12 which are similar to those used in quantum well lasers.13,14 Since our focus here is not on spectrally resolved features like spectral hole burning, inhomogeneous broadening, and intradot relaxation processes, such features as included in other works11,15–17 are neglected.

           In general, a fully microscopic description of the dynamics of QD lasers above the threshold would require to describe the polarization and population dynamics of an inhomogeneous distribution of QDs in the gain regime,18 the quantum-well wetting layer
WL, and the injection pumped bulk regions. The interaction of electrons in these states is provided by relevant relaxation processes such as electronelectron and electron-phonon interaction.19 A fully microscopic approach for all time and length scales of the dynamics of QD lasers is by far numerically too demanding. Therefore, recent research is focused on some of the most important aspects of the QD laser dynamics: For instance, a dynamical hierarchy for the population and modulation dynamics of QD lasers in the relaxation time approximation has been outlined in Ref. 20 and a study of quantum correlations in the optical emission is provided in Ref.

         In our work we focus on the dynamics of relaxation oscillations on a nanosecond timescale for current injection well above the laser threshold. We focus on the population dynamics induced by the interaction of the QD states with the temporally current modulated population reservoir of wetting-layer states. In this high excitation limit, electronelectron scattering provides the main interaction channel.

           A detailed comparison between experimental and theoretical data is given for a wide range of different pump currents. We achieve excellent agreement between experimentally observed and theoretically predicted dynamics resulting in the quantitative explanation of the strongly damped oscillations of the QD laser. The calculated electron-electron scattering rates show a strongly nonlinear dependence on the electron and hole densities in the wetting layer, which is found to be responsible for the strong damping of the relaxation oscillations. Furthermore we demonstrate the importance of the mixed e-h Auger capture processes that depend on both the electron
e and the hole h density in the wetting layer. Although some insights into relaxation dynamics of the QD laser can be provided by simplified three variable systems neglecting the difference in electron and hole concentrations,6,7,12 a more realistic model is needed in order to quantitatively reproduce and actually predict the observed dynamics. Moreover we demonstrate that two qualitatively different types of dynamic response are possible and single out the experimentally accessible parameters which determine switching between the two regimes.

            The basic model used here, described by Eqs. 1–5 below, has already been proposed in our previous work.22,23 Here, as an essential extension, we take into account the dependence of the carrier-carrier scattering rates on both the WL electron density and the WL hole density. We show that the ratio between these two quantities varies with the pump current. Thus, it is crucial to consider both densities separately in the model. Furthermore we discuss the influence of various parameters upon the dynamic laser output in detail and compare our simulations with experimental results. In particular, we present simulations of the turn-on characteristics, eye patterns, and small-signal modulation response.

II. RATE EQUATION MODEL

          Our model describes a QD laser system, where the electrons are first injected into a WL before they are captured by the QDs. We consider a two-level system for electrons and holes in the QDs, since the carrier relaxation processes within the WL and within the QD states are much faster ps than capture processes from the WL into the QDs at high WL carrier densities.24 As a result, only the energetically lowest electron and hole levels in the QDs contribute crucially to the laser dynamics.25 The following nonlinear rate equations Eqs. 1–5 for the charge-carrier densities in the QDs ne, nh, the carrier densities in the WL we, wh, and the photon density nph determine the dynamics e and h stand for electrons and holes, respectively.

1. مقدمه
2. مدل درجه معادله
3. نرخ پراکندگی غیر خطی
4. روشن کردن مشخصات
5. میرایی ضعیف درمقابل میرایی قوی
6. پاسخ مدوله شده
7. نتیجه گیری
منابع

1. INTRODUCTION
2. RATE EQUATION MODEL
3. NONLINEAR SCATTERING RATES
4. TURN-ON CHARACTERISTICS
5. WEAK VERSUS STRONG DAMPING REGIME
6. MODULATION RESPONSE
7. CONCLUSION
References