發(fā)布時(shí)間：2020-06-18 10:33

【摘要】：激光器的發(fā)明極大的推動(dòng)了無(wú)數(shù)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)發(fā)展,不同類型的激光器在各自的應(yīng)用領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。在眾多類型的激光器中,半導(dǎo)體激光器由于其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、能耗低、易于調(diào)制和成本低等諸多優(yōu)點(diǎn),己經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代光電子科學(xué)的核心技術(shù),其應(yīng)用幾乎覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域。半導(dǎo)體激光器的發(fā)展大致經(jīng)歷了同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)和量子阱三個(gè)階段,經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,量子阱半導(dǎo)體激光器在諸多性能方面顯示出極大的優(yōu)越性,如閩值電流、溫度特性、調(diào)制特性、偏振特性等,被譽(yù)為理想的半導(dǎo)體激光器。宇稱-時(shí)間對(duì)稱(parity-time symmetry)的概念起源于量子力學(xué),在量子力學(xué)中認(rèn)為每個(gè)可觀測(cè)物理量的算符必須是厄米算符,或者說(shuō)哈密頓算符的厄米性是系統(tǒng)具有實(shí)的能量本征值的充分不必要條件。后來(lái)發(fā)現(xiàn)非厄米的哈密頓量只要滿足PT對(duì)稱條件,系統(tǒng)也可以具有實(shí)的本征值。滿足PT對(duì)稱的哈密頓量要求勢(shì)能函數(shù)的實(shí)部關(guān)于空間坐標(biāo)成偶函數(shù),虛部關(guān)于空間坐標(biāo)成奇函數(shù)。后來(lái)研究人員發(fā)現(xiàn),光學(xué)中的波動(dòng)方程同量子力學(xué)中的定態(tài)薛定諤方程在形式上相似,因此將PT對(duì)稱的概念引入到光學(xué)領(lǐng)域。PT對(duì)稱在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用要求材料的介電常數(shù)或折射率的實(shí)部在空間位置上偶對(duì)稱,虛部奇對(duì)稱。由此可見(jiàn),若一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)滿足PT對(duì)稱條件,則需要引入增益和損耗。PT對(duì)稱在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用一般可以分為兩類:一類是對(duì)系統(tǒng)折射率的改變垂直于光傳播方向,如耦合波導(dǎo)系統(tǒng):另一類是對(duì)系統(tǒng)折射率的改變平行于光的傳播方向,如PT對(duì)稱的布拉格光柵。將PT對(duì)稱結(jié)構(gòu)應(yīng)用到半導(dǎo)體激光器中,是最近幾年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的研究方向。目前利用PT對(duì)稱實(shí)現(xiàn)單模激射一般有兩種方式:一種是利用PT對(duì)稱的耦合諧振腔實(shí)現(xiàn)單模激射;另一種利用PT對(duì)稱布拉格光柵實(shí)現(xiàn)單模激射。不論哪種方式,都是利用了PT對(duì)稱結(jié)構(gòu)的選模機(jī)制。本文基于PT對(duì)稱的概念,提出了兩種PT對(duì)稱布拉格反射波導(dǎo)(Bragg reflection waveguide,BRW)激光器,數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明PT-BRW激光器表現(xiàn)出很多優(yōu)異的特性。本論文分為六章,其具體內(nèi)容安排如下:第一章是綜述。首先介紹了研究背景,包括激光器和PT對(duì)稱的發(fā)展現(xiàn)狀。然后詳細(xì)介紹了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史和進(jìn)展,闡述了PT對(duì)稱在量子力學(xué)系統(tǒng)中的定義以及光學(xué)系統(tǒng)中是如何引入PT對(duì)稱概念的。最后介紹了半導(dǎo)體激光器與PT對(duì)稱概念的結(jié)合,即現(xiàn)階段PT對(duì)稱半導(dǎo)體激光器的研究進(jìn)展。第二章是理論基礎(chǔ)。電磁場(chǎng)基本理論是本論文工作的基礎(chǔ)。首先描述了麥克斯韋方程組及電磁場(chǎng)的邊界條件,給出了電磁場(chǎng)的洛倫茲互易定理,簡(jiǎn)單闡述了一種電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的方法——時(shí)域有限差分法。然后介紹了半導(dǎo)體激光器的相關(guān)基礎(chǔ)理論和概念,描述了一種激光器的數(shù)值仿真方法——行波模型。第三章分析了布拉格光柵頻譜特性。首先介紹了無(wú)源布拉格光柵的結(jié)構(gòu)并分析其反射譜特性。然后,基于無(wú)源布拉格光柵,描述了PT對(duì)稱布拉格光柵的基本結(jié)構(gòu),并分析了PT對(duì)稱布拉格光柵的透射譜和反射譜特性。結(jié)果表明,無(wú)源布拉格光柵的透射譜和反射譜對(duì)稱,PT對(duì)稱布拉格光柵兩端的透射譜相同,但兩端的反射譜不同,特別是當(dāng)布拉格光柵的實(shí)部折射率調(diào)制等于虛部折射率調(diào)制時(shí),兩端透射率均為1,但反射譜一端消失。第四章提出了一種PT-BRW激光器的設(shè)計(jì)方案。該結(jié)構(gòu)中心為低折射率腔,上下兩側(cè)的PT對(duì)稱布拉格光柵關(guān)于中心低折射率腔對(duì)稱排布,激光器的有源層位于上下兩側(cè)的PT對(duì)稱布拉格光柵內(nèi),其中的PN結(jié)通過(guò)隧穿結(jié)串聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是不僅能夠利用PT對(duì)稱布拉格光柵進(jìn)行選模,即保證器件的橫向單模特性,而且分散布局的有源層提高了光場(chǎng)限制因子,從而提高了模式增益。由于該結(jié)構(gòu)的模式增益較普通的半導(dǎo)體激光器高,所以器件的腔長(zhǎng)較傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器可以大大縮短,而腔長(zhǎng)的縮短不僅減小了閾值電流,而且提高了器件的調(diào)制速率。PT對(duì)稱布拉格光柵的選模機(jī)制對(duì)PT相(折射率實(shí)部調(diào)制和虛部調(diào)制的大小關(guān)系)不敏感。電注入會(huì)引起介質(zhì)的折射率發(fā)生微小改變,數(shù)值仿真結(jié)果表明,由于該結(jié)構(gòu)具有較大的邊模抑制比(side mode suppression ratio,SMSR),因此即便在高注入情況下,器件仍能保持較好的橫向和縱向的單模特性。在橫向上,由于模式的場(chǎng)強(qiáng)分布自中心低折射率腔向上下兩側(cè)的PT對(duì)稱布拉格光柵逐漸減小,因此在外側(cè)的遠(yuǎn)端區(qū)域電注入效率較中心地帶低。為此提出了部分PT對(duì)稱布拉格光柵的構(gòu)造,即在靠近中心腔的光柵仍采用PT對(duì)稱結(jié)構(gòu),而在外側(cè)遠(yuǎn)離中心腔的位置采用無(wú)源布拉格光柵,這樣的設(shè)計(jì)方案不僅簡(jiǎn)化了制備工藝,而且在保證有效的選模機(jī)制下提高了注入效率。第五章基于PT-B RW結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了大功率輸出。該結(jié)構(gòu)低折射率中心腔可以是不導(dǎo)電的材料(如二氧化硅等),PT對(duì)稱布拉格光柵位于低折射率中心腔兩側(cè)。同樣的,由于兩側(cè)PT對(duì)稱布拉格光柵的選模機(jī)制,該器件仍然保持了橫向單模特性。橫向模式的場(chǎng)強(qiáng)分布同樣是由中心向兩側(cè)逐漸減小,也就是場(chǎng)強(qiáng)最大的地方位于低折射率中心腔內(nèi)。而在兩側(cè)的PT對(duì)稱布拉格光柵內(nèi),有源層和場(chǎng)的交疊較小,所以在一定程度上緩解了熱效應(yīng),同時(shí)因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的注入?yún)^(qū)位于兩側(cè)表面積較大的布拉格光柵區(qū),這也在一定程度上減小了由于注入引起的熱效應(yīng)。因?yàn)楣鈱W(xué)災(zāi)變損傷(catastrophic optical damage,COD)閾值決定了激光器的最大輸出功率,因此該結(jié)構(gòu)采用的低折射率中心腔可以承受更大的COD閾值。數(shù)值仿真結(jié)果表明,800μm長(zhǎng)的腔長(zhǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)瓦量級(jí)的輸出功率,并保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率。第六章為結(jié)論和展望。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN248.4
【圖文】：

波導(dǎo)并通過(guò)金屬鉻引入損耗（圖１．３（ａ）），發(fā)現(xiàn)在自發(fā)破缺點(diǎn)之前，隨著損耗系數(shù)的逡逑增加系統(tǒng)的總透射率減小，當(dāng)損耗系數(shù)繼續(xù)增加至自發(fā)破缺點(diǎn)附近，系統(tǒng)的總透逡逑射率不再減小反而開(kāi)始增加，并隨著損耗系數(shù)的繼續(xù)增加而增加（圖１．３（ｂ））。Ｃ．Ｅ．逡逑Ｒｉｉｔｅｒ等人丨５８］基于ＬｉＮｂ0３基制備出光致增益／損耗耦合波導(dǎo)（圖１．４），發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)逡逑引入ＰＴ對(duì)稱條件后，光在波導(dǎo)中的傳播與入射波導(dǎo)有關(guān)，在自發(fā)破缺點(diǎn)以前，光逡逑在波導(dǎo)中以振蕩的方式傳播，當(dāng)增益損耗系數(shù)達(dá)到自發(fā)破缺點(diǎn)后，波導(dǎo)中的能量逡逑呈指數(shù)增加并最終只集中于增益波導(dǎo)中。逡逑８逡逑

光學(xué)實(shí)驗(yàn)上關(guān)于ＰＴ對(duì)稱的驗(yàn)證更加激發(fā)了研究人員的興趣，除了在簡(jiǎn)單合波導(dǎo)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)ＰＴ對(duì)稱以外，研宄人員還將ＰＴ對(duì)稱引入到其它“二元”［１５．１６，６１．６２］產(chǎn)生了很多特殊的光學(xué)現(xiàn)象。如圖（１．５（ａ））所示，增益／損耗雙盤（ｍｉｃｒｏｄｉｓｋ）實(shí)現(xiàn)的非對(duì)稱傳輸［６１．６２］，通過(guò)控制兩個(gè)耦合腔的距離來(lái)改９逡逑

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本文編號(hào)：2719111