兼顾增益与折射率变化的低偏振量子点材料研究 全文替换
发布时间：2021-08-24 19:14
对比分析了InGaAs/InGaAsP柱状量子点材料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1 550nm通信波段（1 540～1 560nm）内兼顾增益与折射率变化的低偏振量子点材料In0.97Ga0.03As/In0.76Ga0.24As0.52P0.48。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0.6×1024 m-3时,TE模和TM模的3dB谱宽交叠区面积分别为8.66×103和7.55×103nm/cm,增益和折射率变化的偏振相关性分别在3%和10%以内。研究结果有助于未来全光网络中关键器件的优化设计。
【文章来源】：半导体光电. 2020,41(03)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
垂直堆叠圆柱状量子点模型
图2(a）和图2(b）分别为不同点区Ga组分时，量子点材料TE模和TM模的增益谱及折射率变化谱。其中，点区材料为In1-xGaxAs,Ga组分x顺着图中箭头方向依次取0,0.05,0.10,0.15，垒区材料为In0.73Ga0.27As0.585P0.415，且与衬底InP晶格匹配。圆柱状量子点分布均匀，点密度为3.7×1022 m-3，底面直径d=10nm，高度l=8nm，相应的高宽比η=l/d=0.8。载流子浓度为1×1024 m-3，工作温度为298K。由图2可以看出，随着点区Ga组分的增加，TE模和TM模增益谱及折射率变化谱均向短波长方向移动且峰值减小，同时谱线宽度均减小。下面结合图3进行解释。图3(a）是带边能量和准费米能级随点区Ga组分的变化图，能量以价带顶为零点。可见，随着点区Ga组分的增大，导带的带边能量上升幅度大于价带，禁带宽度增大，以致带边跃迁能量增大，故谱线向短波长方向移动。图3(b）是相应的增益谱宽能量范围随点区Ga组分的变化图。可见，随着点区Ga组分的增大，满足粒子数反转条件的能量范围减小。这是因为在禁带宽度增大的同时，导带准费米能级和价带准费米能级的差值EFc-EFv基本不变。谱宽能量范围的减小使得谱线宽度减小。同时，粒子数反转程度的相对减弱，导致增益和折射率变化峰值减小。
图3(a）是带边能量和准费米能级随点区Ga组分的变化图，能量以价带顶为零点。可见，随着点区Ga组分的增大，导带的带边能量上升幅度大于价带，禁带宽度增大，以致带边跃迁能量增大，故谱线向短波长方向移动。图3(b）是相应的增益谱宽能量范围随点区Ga组分的变化图。可见，随着点区Ga组分的增大，满足粒子数反转条件的能量范围减小。这是因为在禁带宽度增大的同时，导带准费米能级和价带准费米能级的差值EFc-EFv基本不变。谱宽能量范围的减小使得谱线宽度减小。同时，粒子数反转程度的相对减弱，导致增益和折射率变化峰值减小。取TE模和TM模增益谱及折射率变化谱（折射率变化取绝对值）各自峰值的一半（即峰值以下3dB）作为阈值进行分析。图4是点区Ga组分为0.05时，阈值以上的增益谱与折射率变化谱。可见，增益峰值点与折射率变化峰值点是错开的；同时，TE模和TM模增益谱及折射率变化谱的幅值相差较大，即存在较大的偏振相关性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]兼顾量子阱材料增益与折射率变化的研究[J]. 缪庆元,何秀贞. 光学与光电技术. 2017(02)
本文编号：3360561
【文章来源】：半导体光电. 2020,41(03)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
垂直堆叠圆柱状量子点模型
图2(a）和图2(b）分别为不同点区Ga组分时，量子点材料TE模和TM模的增益谱及折射率变化谱。其中，点区材料为In1-xGaxAs,Ga组分x顺着图中箭头方向依次取0,0.05,0.10,0.15，垒区材料为In0.73Ga0.27As0.585P0.415，且与衬底InP晶格匹配。圆柱状量子点分布均匀，点密度为3.7×1022 m-3，底面直径d=10nm，高度l=8nm，相应的高宽比η=l/d=0.8。载流子浓度为1×1024 m-3，工作温度为298K。由图2可以看出，随着点区Ga组分的增加，TE模和TM模增益谱及折射率变化谱均向短波长方向移动且峰值减小，同时谱线宽度均减小。下面结合图3进行解释。图3(a）是带边能量和准费米能级随点区Ga组分的变化图，能量以价带顶为零点。可见，随着点区Ga组分的增大，导带的带边能量上升幅度大于价带，禁带宽度增大，以致带边跃迁能量增大，故谱线向短波长方向移动。图3(b）是相应的增益谱宽能量范围随点区Ga组分的变化图。可见，随着点区Ga组分的增大，满足粒子数反转条件的能量范围减小。这是因为在禁带宽度增大的同时，导带准费米能级和价带准费米能级的差值EFc-EFv基本不变。谱宽能量范围的减小使得谱线宽度减小。同时，粒子数反转程度的相对减弱，导致增益和折射率变化峰值减小。
图3(a）是带边能量和准费米能级随点区Ga组分的变化图，能量以价带顶为零点。可见，随着点区Ga组分的增大，导带的带边能量上升幅度大于价带，禁带宽度增大，以致带边跃迁能量增大，故谱线向短波长方向移动。图3(b）是相应的增益谱宽能量范围随点区Ga组分的变化图。可见，随着点区Ga组分的增大，满足粒子数反转条件的能量范围减小。这是因为在禁带宽度增大的同时，导带准费米能级和价带准费米能级的差值EFc-EFv基本不变。谱宽能量范围的减小使得谱线宽度减小。同时，粒子数反转程度的相对减弱，导致增益和折射率变化峰值减小。取TE模和TM模增益谱及折射率变化谱（折射率变化取绝对值）各自峰值的一半（即峰值以下3dB）作为阈值进行分析。图4是点区Ga组分为0.05时，阈值以上的增益谱与折射率变化谱。可见，增益峰值点与折射率变化峰值点是错开的；同时，TE模和TM模增益谱及折射率变化谱的幅值相差较大，即存在较大的偏振相关性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]兼顾量子阱材料增益与折射率变化的研究[J]. 缪庆元,何秀贞. 光学与光电技术. 2017(02)
本文编号：3360561
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