有源光子带隙中量子点材料特性及全光开关的研究

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近年来,光通讯技术的迅猛发展,通讯速率的大幅度提高,对网间交换节点中的高速光开关的需求越来越迫切。而各种物理机制下的全光开关由于其快速的响应速率及良好的光学特性,越来越受到广泛的关注。在本论文中,我们提出了一种量子点材料为有源区的一维光子晶体结构偏振光开关。这种开关由于量子点材料的特性,使室温下的激子效应明显,同时采用非共振激发下的光学斯塔克效应为驱动光开关的非线性物理机制,避免了载流子的累积效应并实现了泵浦光脉冲时间范围内的开关响应。量子点层间周期满足入射光波长的布拉格条件,并且量子点中激子共振频率与布拉格频率相等时,这种结构显现出一维光子晶体的特性。由泵浦光引起的量子点激子频率的微小变动,就会引起此光子晶体的禁带发生较大塌陷,而且这一塌陷在泵浦光撤离后能够快速恢复,具有ps量级的恢复时间。通过计算量子点材料的能级结构,分别讨论了单量子点及量子点群的光学特性;利用传输矩阵法建立了光开关的数学模型,研究了这种光开关的性能参数,并与相同周期结构的布拉格间隔量子阱型全光开关做了对比。从理论计算看出,这种光开关室温下的泵浦光功率较大减小,对比度明显增强,插入损耗有所减小,显示了极大的优越性。最后我们阐述了基于量子点半导体光放大器及光子晶体中马赫-则德干涉仪结构的全光开关的物理概念,以及这种光开关的独特优势。希望我们的理论研究及计算结果对后来的实用光开关的设计及理论建模有参考意义。
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