بخشی از مقاله
چکیده –
روش هاي عددي بر اساس معادلات آهنگ ارائه شده و با استفاده از روش رانگ- کوتاي مرتبه چهار محاسبه شده اند، براي مطالعه دینامیک حامل در دو تراز انرژي حالت پایه و حالت برانگیخته یک سیستم لیزر نقطه کوانتومی InAs/InP مورد استفاده قرار گرفته است.
مدل واهلش آبشاري ارائه شده شامل دو تراز متفاوت در درون نقطه کوانتومی می باشد. مقایسه بین این دو تراز منجر به یک درك کیفی از منشاء لیزردهی در لیزر نقطه کوانتومی InAs/InP می شود. همچنین براي پی بردن به دینامیک لیزر نقطه کوانتومی، نتایج عددي در تغییرات جمعیت حامل ها و فوتون ها ارائه و بررسی شده اند.
مقدمه
هنگامیکه مشخص شد که نور بهترین پاسخ عملیاتی را در آهنگ ترافیکی بالا براي براي انتقال دوربرد دارد، توسعه آن به شبکه هاي metropolitan در خانه ها به عنوان یک گزینه باقی می ماند. به عنوان یک نتیجه، لیزرهاي نیمه رساناي با ابعاد کم، مانند لیزر نقطه کوانتومی بسیار امیدوار کننده هستند. در واقع، ساختارهاي لیزرهاي نقطه کوانتومی در دهه اخیر توجه زیادي را به خود جلب کرده اند، چراکه آنها خواص بسیار جالب و مفیدي از خود نشان می دهند که به عنوان نمونه می توان از جریان آستانه پائین [1]، حساسیت دمایی پائین، رفتار چیرپ پائین و مقاومت فیدبک کم [2] نام برد.
به عنوان یک نتیجه که مدیون لیزرهاي نقطه کوانتومی هستیم، می توان گام هاي بسیاري به سمت کاهش هزینه برداشته شود؛ که به عنوان مثال می توان از کاهش مقاومت دمایی لیزر که منجر به حذف خنک کننده می شود، نام برد. بسیاري از تحقیقات گزارش شده در ارتباط با InGaAs با زیر لایه GaAs هستند. لازم است متذکر شویم که این لیزر تابش بالاتر از 1/35 میکرومتر ندارد که براي انتقال هاي اپتیکی دوربرد مناسب نمی باشد. براي دستیابی به استاندارد انتقال دوربرد، لیزر نقطه کوانتومی InAs بر روي زیر لایه InP با طول موج 1/55 میکرومتر توسعه داده شده است
-2 مدل عددي
مدل هاي عددي بر اساس معادلات آهنگ براي مطالعه دینامیک حامل در دو تراز از سیستم نقطه کوانتومی InAs/InP مورد استفاده قرار گرفته اند. براي سادگی یک منبع حامل را براي هر دوي لایه تر کننده - WL - و ناحیه سد در نظر می گیریم. همچنین فرض می کنیم که یک آرایه از نقطه هاي کوانتومی داریم و همه نقطه ها هم اندازه هستند، که بر این اساس پهن شدگی ناهمگن در نظر گرفته نمی شود؛ نقطه هاي کوانتومی همواره خنثی در نظر گرفته می شوند. در نهایت از اتلاف حامل ها در ناحیه سد هم چشم پوشی می شود.
-1-2 لیزردهی دو حالته
شکل 1 شماتیکی از مدل واهلش آبشاري را نمایش می دهد
ابتدا حامل با آهنگ I به داخل لایه تر کننده - WL - می رود. سپس برخی از جفت هاي الکترون-حفره با زمان
گیراندازي ESWL به تراز برانگیخته ES می روند، و برخی دیگر با آهنگ ESspon به طور خود به خودي بازترکیب
میشوند. آنگاه در تراز حالت برانگیخته، حامل ها می توانند با آهنگ به تراز پایه واهلش کنند، یا به تراز لایه تر کننده باز گردند، و یا در شرایط مناسب حامل ها از تریق تراز پایه و برانگیخته بازترکیب القایی شده و منجر به لیزردهی می شوند.
شکل :1 شماتیک مدل واهلش حامل به صورت آبشاري.
در این مدل ما فرض می کنیم که در آهنگ هاي تزریقی پائین فرایند واهلش به کمک فونون انجام می شود. در نتیجه زمان هاي واهلش و گیراندازي با کمک روابط زیر محاسبه می شوند.
که در آن AW - AE - و CW - CE - به ترتیب ضرایب واهلش به با اثر اوژه و به کمک فونون هستند؛ NW تعداد حامل در لایه ترکننده می باشد.
-2-2 معادلات آهنگ
براي شکل 1 ، پنج معادله آهنگ وجود دارد که سه تا از آنها تغییرات تعداد حامل ها در ترازهاي انرژي الکترونی را توصیف می کنند و دوتاي دیگر تعداد فوتون ها در کاواك را نشان می دهند.
زمان واهلش حامل از تراز ES به تراز GS افزایش می یابد و منجر به پر شدن تراز ES می شود و لیزردهی از آنجا نیز شروع می شود. بنابراین در جریان هاي تزریقی کم نزدیک به آستانه - - I>ITh,GS لیزر دهی فقط از تراز Gs صورت می گیرد و در جریان هاي تزریقی بیشتر - - I>ITh,ES لیزردهی از هر دو تراز GS و ES صورت می گیرد.
شکل : 2 نمودار تغییرات چگالی الکترون هاي تراز پایه - NGS - و تغییرات چگالی الکترون هاي تراز برانگیخته - NES - و تغییرات توان خروجی بر حسب چگالی جریان تزریقی را نشان می دهد.
که در آن NWL,ES,GS جمعیت در لایه تر کننده، حالت برانگیخته و حالت پایه هستند و NB تعداد نقطه هاي کوانتومی می باشد. SES,GS به ترتیب جمعیت فوتون ها در کاواك با انرژي تشدید حالت برانگیخته و حالت پایه هستند. vg ، ، I ، e ، p و sp به ترتیب سرعت گروه، فاکتور محدودیت اپتیکی، جریان تزریقی، بار الکتریکی ، طول عمر فوتون در کاواك و فاکتور تابش خود به خودي می باشد. aGS و aES ضرایب بهره به ترتیب براي حالت پایه و برانگیخته هستند.
-3-2 نتایج شبیه سازي و بررسی آنها
معادلات آهنگی که در روابط - 3 - تا - 7 - آمده اند به روش عددي از طریق رانگ-کوتاي مرتبه چهار محاسبه شده اند. در شکل 2 در جریان هاي نزدیک به آستانه - - I>ITh,GS فقط حالت پایه - GS - لیزر دهی می کند و با افزایش جریان تزریقی - - I>ITh,ES لیزردهی از حالت برانگیخته - ES - نیز شروع می شود. چون در ابتدا بیشتر حامل ها به داخل حالت پایه نقطه هاي کوانتومی تزریق می شوند، و از طریق آنها لیزردهی آغاز می شود
شکل: 3 تغییرات چگالی فوتون بر حسب جریان تزریقی.
شکل 3 نشان می دهد که از I>ITh,GS چگالی فوتون حاصل از GS بیشتر می شود و لیزر دهی از GS افزایش می یابد و در I=ITh,ES لیزر دهی GS به اشباع می رسد و در نتیجه زمان واهلش حامل از ES به GS بزرگتر می شود و درنتیجه چگالی فوتون حاصل از ES شروع می شود؛ و افزایش می یابد و لیزر دهی از ES نیز آغاز می شود و در I>ITh,ES هر دو تراز GS و ES لیزر دهی می کنند.
از شکل 4 مشاهده می شود که با افزایش زمان گیراندازي حامل از لایه تر کننده به تراز برانگیخته و زمان واهلش از تراز برانگیخته به تراز پایه، جریان آستانه لیزر دهی از حالت پایه افزایش و از حالت برانگیخته کاهش پیدا می کند
