PT对称布拉格反射波导激光器的数值研究

发布时间：2020-06-18 10:33

【摘要】：激光器的发明极大的推动了无数领域的科学技术发展,不同类型的激光器在各自的应用领域扮演着至关重要的角色。在众多类型的激光器中,半导体激光器由于其体积小、结构简单、寿命长、能耗低、易于调制和成本低等诸多优点,己经发展成为现代光电子科学的核心技术,其应用几乎覆盖了整个光电子学领域。半导体激光器的发展大致经历了同质结、异质结和量子阱三个阶段,经过半个多世纪的发展,量子阱半导体激光器在诸多性能方面显示出极大的优越性,如闽值电流、温度特性、调制特性、偏振特性等,被誉为理想的半导体激光器。宇称-时间对称(parity-time symmetry)的概念起源于量子力学,在量子力学中认为每个可观测物理量的算符必须是厄米算符,或者说哈密顿算符的厄米性是系统具有实的能量本征值的充分不必要条件。后来发现非厄米的哈密顿量只要满足PT对称条件,系统也可以具有实的本征值。满足PT对称的哈密顿量要求势能函数的实部关于空间坐标成偶函数,虚部关于空间坐标成奇函数。后来研究人员发现,光学中的波动方程同量子力学中的定态薛定谔方程在形式上相似,因此将PT对称的概念引入到光学领域。PT对称在光学领域的应用要求材料的介电常数或折射率的实部在空间位置上偶对称,虚部奇对称。由此可见,若一个光学系统满足PT对称条件,则需要引入增益和损耗。PT对称在光学系统中的应用一般可以分为两类:一类是对系统折射率的改变垂直于光传播方向,如耦合波导系统:另一类是对系统折射率的改变平行于光的传播方向,如PT对称的布拉格光栅。将PT对称结构应用到半导体激光器中,是最近几年发展起来的一个新的研究方向。目前利用PT对称实现单模激射一般有两种方式:一种是利用PT对称的耦合谐振腔实现单模激射;另一种利用PT对称布拉格光栅实现单模激射。不论哪种方式,都是利用了PT对称结构的选模机制。本文基于PT对称的概念,提出了两种PT对称布拉格反射波导(Bragg reflection waveguide,BRW)激光器,数值计算结果表明PT-BRW激光器表现出很多优异的特性。本论文分为六章,其具体内容安排如下:第一章是综述。首先介绍了研究背景,包括激光器和PT对称的发展现状。然后详细介绍了半导体激光器的发展历史和进展,阐述了PT对称在量子力学系统中的定义以及光学系统中是如何引入PT对称概念的。最后介绍了半导体激光器与PT对称概念的结合,即现阶段PT对称半导体激光器的研究进展。第二章是理论基础。电磁场基本理论是本论文工作的基础。首先描述了麦克斯韦方程组及电磁场的边界条件,给出了电磁场的洛伦兹互易定理,简单阐述了一种电磁场数值计算的方法——时域有限差分法。然后介绍了半导体激光器的相关基础理论和概念,描述了一种激光器的数值仿真方法——行波模型。第三章分析了布拉格光栅频谱特性。首先介绍了无源布拉格光栅的结构并分析其反射谱特性。然后,基于无源布拉格光栅,描述了PT对称布拉格光栅的基本结构,并分析了PT对称布拉格光栅的透射谱和反射谱特性。结果表明,无源布拉格光栅的透射谱和反射谱对称,PT对称布拉格光栅两端的透射谱相同,但两端的反射谱不同,特别是当布拉格光栅的实部折射率调制等于虚部折射率调制时,两端透射率均为1,但反射谱一端消失。第四章提出了一种PT-BRW激光器的设计方案。该结构中心为低折射率腔,上下两侧的PT对称布拉格光栅关于中心低折射率腔对称排布,激光器的有源层位于上下两侧的PT对称布拉格光栅内,其中的PN结通过隧穿结串联。这种结构的特点是不仅能够利用PT对称布拉格光栅进行选模,即保证器件的横向单模特性,而且分散布局的有源层提高了光场限制因子,从而提高了模式增益。由于该结构的模式增益较普通的半导体激光器高,所以器件的腔长较传统的半导体激光器可以大大缩短,而腔长的缩短不仅减小了阈值电流,而且提高了器件的调制速率。PT对称布拉格光栅的选模机制对PT相(折射率实部调制和虚部调制的大小关系)不敏感。电注入会引起介质的折射率发生微小改变,数值仿真结果表明,由于该结构具有较大的边模抑制比(side mode suppression ratio,SMSR),因此即便在高注入情况下,器件仍能保持较好的横向和纵向的单模特性。在横向上,由于模式的场强分布自中心低折射率腔向上下两侧的PT对称布拉格光栅逐渐减小,因此在外侧的远端区域电注入效率较中心地带低。为此提出了部分PT对称布拉格光栅的构造,即在靠近中心腔的光栅仍采用PT对称结构,而在外侧远离中心腔的位置采用无源布拉格光栅,这样的设计方案不仅简化了制备工艺,而且在保证有效的选模机制下提高了注入效率。第五章基于PT-B RW结构进行改进,实现了大功率输出。该结构低折射率中心腔可以是不导电的材料(如二氧化硅等),PT对称布拉格光栅位于低折射率中心腔两侧。同样的,由于两侧PT对称布拉格光栅的选模机制,该器件仍然保持了横向单模特性。横向模式的场强分布同样是由中心向两侧逐渐减小,也就是场强最大的地方位于低折射率中心腔内。而在两侧的PT对称布拉格光栅内,有源层和场的交叠较小,所以在一定程度上缓解了热效应,同时因为该结构的注入区位于两侧表面积较大的布拉格光栅区,这也在一定程度上减小了由于注入引起的热效应。因为光学灾变损伤(catastrophic optical damage,COD)阈值决定了激光器的最大输出功率,因此该结构采用的低折射率中心腔可以承受更大的COD阈值。数值仿真结果表明,800μm长的腔长能够实现瓦量级的输出功率,并保持较高的能量转换效率。第六章为结论和展望。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248.4
【图文】：

无源,破缺,损耗系数,波导

波导并通过金属铬引入损耗（图１．３（ａ）），发现在自发破缺点之前，随着损耗系数的逡逑增加系统的总透射率减小，当损耗系数继续增加至自发破缺点附近，系统的总透逡逑射率不再减小反而开始增加，并随着损耗系数的继续增加而增加（图１．３（ｂ））。Ｃ．Ｅ．逡逑Ｒｉｉｔｅｒ等人丨５８］基于ＬｉＮｂ0３基制备出光致增益／损耗耦合波导（图１．４），发现当系统逡逑引入ＰＴ对称条件后，光在波导中的传播与入射波导有关，在自发破缺点以前，光逡逑在波导中以振荡的方式传播，当增益损耗系数达到自发破缺点后，波导中的能量逡逑呈指数增加并最终只集中于增益波导中。逡逑８逡逑

微盘,微环,谐振腔,光学现象

光学实验上关于ＰＴ对称的验证更加激发了研究人员的兴趣，除了在简单合波导系统中实现ＰＴ对称以外，研宄人员还将ＰＴ对称引入到其它“二元”［１５．１６，６１．６２］产生了很多特殊的光学现象。如图（１．５（ａ））所示，增益／损耗双盘（ｍｉｃｒｏｄｉｓｋ）实现的非对称传输［６１．６２］，通过控制两个耦合腔的距离来改９逡逑

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