عنوان

تزویج همدوس دو لیزر نیمه‌هادی نقطه کوانتومی

Number

پ۲۶۹۲۵

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

تزویج همدوس دو لیزر نیمه‌هادی نقطه کوانتومی

First Statement of Responsibility

ندا اسدیان

Name of Publisher, Distributor, etc.

مهندسی برق و کامپیوتر

Date of Publication, Distribution, etc.

۱۴۰۰

Specific Material Designation and Extent of Item

۱۰۱ص.

Accompanying Material

سی دی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

مهندسی الکترونیک گرایش افزاره های میکرو و نانو

Date of degree

۱۴۰۰/۱۱/۲۷

Text of Note

لیزرهای نیمه هادی به عنوان یک عنصر حذف نشدنی در بستر مدارات مجتمع نوری، کاربردهای گسترده¬ای در حوزه¬ اپتیک و مخابرات نوری دارند. در میان انواع مختلف لیزرهای نیمه هادی لیزر نقطه کوانتومی بدلیل دارا بودن ویژگی¬های جالب توجهی همچون چگالی جریان آستانه¬ کم، حساسیت دمایی پایین و پهنای باند مدولاسیون بالا پاسخ بهینه¬ای به التزامات مدارات مجتمع نوری می¬دهند. هرچند این گزینه¬ فوق مناسب از منظر تئوری در عمل به جهت ایده¬آل نبودن شرایط رشد نقاط کوانتومی روند پیش بینی شده را با محدودیت¬هایی همراه می¬کند. شرایط غیر ایده¬آل ساخت و تاثیرات دمایی به صورت پهن شدگی¬های غیر همگن و همگن در طیف تابش خروجی نقاط کوانتومی بروز پیدا کرده و باعث عدم تطابق تئوری و واقعیت می¬شوند. دستیابی به توان تابشی بالا و امکان کنترل طیف تابش خروجی لیزر نقطه کوانتومی ضمن در نظر گرفتن اثر پهن شدگی¬های غیر همگن و همگن طیف در کنار مشخصات منحصرا قابل توجه لیزر نقطه کوانتومی در نتیجه¬ محصورشدگی سه بعدی حامل در آن یکی از موضوعات چالش برانگیز برای مطالعه در حوزه¬ لیزرهای نیمه هادی است.در بسیاری از کاربردهای مرتبط با مخابرات نوری تمایل زیادی به استفاده از لیزرهای تک فرکانس وجود دارد. از طرفی لیزرهای تک فرکانس بدلیل عدم وجود رقابت بین مدهای تشدیدی دارای نویز کمتری هستند. همچنین می¬دانیم هرچه طیف فرکانسی در خروجی پهن تر باشد بهره کمتری داریم. بنابراین برقراری امکان تشدید لیزر نقطه کوانتومی تنها در یک فرکانس طولی افزون بر ویژگی¬های مثبت ذکر شده این نوع لیزر را کاندیدای مناسبی برای استفاده در طیف گسترده¬ای از کاربردهای نوری می¬کند. اگرچه روش¬های متعددی که به منظور انتخاب یک طول موج خاص برای تشدید و تنظیم کردن لیزر برای تابش تک رنگ در طول موج انتخابی وجود دارد، اما اغلب این روش¬ها در عمل پروسه¬ ساخت پیچیده¬ای را طلب می¬کنند. تزویج همدوس بین المان¬های لیزری نیمه هادی یکی از روش¬های جالب توجه به ‌منظور افزایش توان تابش در خروجی و نیز بهبود مشخصات دینامیکی المان¬های لیزری کوپل شده، جانشین مناسبی برای دیگر روش¬های کنترل طیف تابش در خروجی است. قفل فاز بین دو یا چند المان لیزری به هم ‌فرکانس عمل کردن المان¬های تزویج شده با حفظ اختلاف فاز ثابت بین تابش خروجی آن¬ها می¬انجامد. تزویج همدوس نوعی قفل فاز کردن است که در نتیجه آن دو لیزر تنها در یک فرکانس مشترک عمل می¬کنند.در رساله حاضر از تزویج همدوس به عنوان یک روش اپتیکی مستقل از کنترل الکتریکی جریان بایاس به منظور تک فرکانس نمودن طیف تابش خروجی لیزر نقطه کوانتومی استفاده شده است. با بهره گیری از معادلات نرخ و تئوری مد تزویج شده، ابتدا آستانه¬ برقراری تزویج همدوس بین دو المان لیزری نقطه کوانتومی از طریق شبیه سازی¬های عددی استخراج شده و ارتباط این کمیت با پارامترهای هندسی لیزر و نیز پهن شدگی همگن مدهای تشدیدی مورد بررسی قرار گرفته است. طبق نتایج بدست آمده در مطالعه حاضر، اگر دو المان لیزری نقطه کوانتومی با یک اختلاف طول جزئی در مقایسه با طول کاواک لیزرها در یک فاصله بحرانی از هم قرار بگیرند تزویج همدوس برقرار می¬شود. نتایج شبیه سازی¬ها همچنین حاکی از ارتباط مستقیم طول کاواک لیزر و نیز فاکتور پهن شدگی همگن با قدرت تزویج بحرانی است. در ادامه ساختار تحت مطالعه از نقطه نظر تقارن پاد پاریته-زمان مورد بررسی قرار گرفته است. نشان داده¬ایم که ضریب تزویج بحرانی از منظر تقارن پاد پاریته-زمان یک نقطه استثنایی است. از طریق استخراج هامیلتونی سیستم و ویژه فرکانس¬های متناظر با ابرمدهای طولی، نمودارهای بهره/تلفات برای زوج ابرمدها رسم شده است. محاسبه طیف تابش خروجی لیزرها بعد از برقراری تزویج در ضریب تزویج بحرانی، پیش بینی¬های صورت گرفته مبتنی بر نمودارهای بهره/تلفات در خصوص زنده ماندن تنها یکی از زوج ابرمدهای حاصل از تزویج بین مدهای طولی مشترک بین دو المان و در نتیجه برقراری تزویج همدوس بدلیل تک فرکانس عمل کردن لیزرها را کاملا تایید می¬کند.

Text of Note

Coupled semiconductor lasers have received increasing interest for signal processing applications and appeared to be the favored approach to generate high-power optical radiation. Coherent coupling between two laterally-coupled quantum dot semiconductor lasers based on longitudinal modes in weak coupling regime has been investigated in this research. Considering the effect of both homogeneous and inhomogeneous broadenings, the spectral behavior of lasing modes in the coupled lasers depends on the coupling coefficient and the frequency detuning between the lasers. For cavity lengths with a minute difference and a specific homogeneous broadening value, full phase-locking along with single-mode operation can be guaranteed provided that the coupling coefficient reaches a critical value. This result can be generalized for various cavity lengths and homogeneous broadening values covering almost all practical temperatures in the intermediate homogeneous broadening regime. Intermediate homogeneous broadening values correspond to sufficiently low temperatures at which the lasing spectrum for each individual QD laser shows a broad-band emission in the absence of coupling. Therefore, the effect of coherent coupling on the emission spectrum can clearly be studied. It has also been shown that at constant cavity lengths and for relatively high temperatures onset of full phase-locking occurs at lower values of the coupling strengths. On the other hand, at a constant temperature, the longer the cavity lengths are the higher the critical coupling strengths get. From a more practical point of view, coherent coupling based on longitudinal modes has been examined in case of differential bias condition which proves that the coherent coupling of optical output signals can be electronically controlled. This property is an important outcome for a practical demonstration of coupled quantum dot semiconductor lasers.A system of two mutually coupled quantum dot lasers, each with corresponding longitudinal modes, has been studied in this thesis. Using multimode rate equation model, we demonstrate how this model in conjunction with coupled-mode theory lead to a set of effective Hamiltonians with characteristics inarguably akin to those Hamiltonians associated to the conventional PT-symmetric systems. A fixed frequency detuning has been introduced by a minute difference in cavity lengths in the current system and the strength of optical coupling plays a decisive role in the emergence of the exceptional points at which the so-called non-conventional PT-symmetry breaks. It has also been shown that the predictions about amplification or attenuation of supermodes associated to the longitudinal modes based on effective Hamiltonians, happen to be supported by the multimode rate equation model, yet in the presence of weak coupling. Eventually, the overall output spectrum is potent to be manipulated and in particular exhibit a single longitudinal mode behavior in the vicinity of the exceptional point through the interplay between the frequency detuning and the coupling coefficient. Owing to the inhomogeneous broadening of the optical spectrum, a considerable rise in the number of photons for the single amplified supermode is witnessed within time having the attenuated modes out of the picture via proper mode selection in the present non-conventional PT-symmetric system.

Variant Title

Coherent Coupling of Two Semiconductor Quantum-Dot Lasers

Entry Element

‏اسدیان،

Part of Name Other than Entry Element

‏‏ندا

Relator Code

تهيه کننده

Entry Element

‏یدی پور،

Entry Element

‏حامـد

Entry Element

‏شیخی،

Part of Name Other than Entry Element

‏‏رضا

Part of Name Other than Entry Element

باغبان،

Part of Name Other than Entry Element

محمدمحسن

Dates

استاد راهنما

Dates

استاد راهنما

Dates

استاد مشاور

Entry Element

‏تبریز