共振声子太赫兹量子级联激光器研究

针对四阱有源区、一阱注入区及三阱有源设计,采用蒙特卡洛模拟方法研究了共振声子太赫兹量子级联激光器的性能差异。采用傅里叶变换光谱仪及远红外探测器测量了四阱共振声子太赫兹量子级联激光器的低温电光特性。详细讨论了提高太赫兹量子级联激光器发射功率的方案。     

共振声子辅助的太赫兹量子级联激光器中杂质散射的蒙特卡洛模拟

通过蒙特卡洛方法研究了基于共振声子散射的太赫兹量子级联激光器中杂质散射对激光器性能的影响.使用单子带静态屏蔽模型来处理电子与杂质的散射过程.发现电子与杂质的散射为电子在有源区中的注入和抽取过程提供了另外一个通道.这一过程可以影响电子在不同子带的占据数以及器件的电流.所以,在考虑基于共振声子散射的太赫兹量子级联激光器中的电子输运过程时,需要包含电子与杂质的散射过程.     

太赫兹量子级联激光器

太赫兹技术近年来发展迅速,应用越来越广泛,是当前的热门研究领域。太赫兹量子级联激光器是产生太赫兹辐射的重要器件,对太赫兹量子级联激光器的发展,以及有源区和波导层的设计等进行了详细讨论。     

单模太赫兹量子级联激光器

为了获得窄线宽太赫兹光源,制作了基于表面金属光栅的单模太赫兹量子级联激光器。通过优化光栅结构,获得了具有较强耦合效率和较低损耗的光栅结构参数。波导结构采用半绝缘表面等离子体波导以便能获得较高的光输出功率。激光器单模激射波长为95μm。10 K时,器件最高单模输出功率达到了43 m W,单模抑制比为18 d B。单模器件工作温度超过70 K,在70 K时,仍然有5 m W的单模输出功率。这种输出性能良好的激光器有望作为太赫兹接收机的本振源。     

太赫兹量子级联激光器研究进展

量子级联激光器(QCL)是一种基于多量子阱子带间跃迁的单极性半导体激光器,激射频率位于中远红外以及太赫兹(THz)波段。在1～5 THz激射频率范围内,THz QCL是最有效的电泵浦THz辐射源,具有结构紧凑、易集成、输出功率高和转换效率高等优点。本文首先对THz QCL的有源区结构、波导结构以及材料体系进行了简介,然后从有源区方面对极限激射频率、高工作温度、大输出功率等高性能THz QCL进行了梳理,接着从波导结构方面对一维光栅、二维光子结构、超表面结构等THz QCL光子工程研究进展进行了综述。另外对主动稳频THz光频梳、被动稳频THz光频梳、THz双光梳等THz QCL光频梳方面的最新研究成果进行了介绍。     

高输出功率太赫兹量子级联激光器与温度特性

半导体太赫兹量子级联激光器(THz QCL)是一种相干性好线宽窄的太赫兹辐射源,有潜力获得高的输出功率.采用基于非平衡格林函数(NEGF)方法的计算工具设计、生长、制备了基于砷化镓系材料的THz QCL.在10 K温度下,峰值功率达到270 mW,平均功率为2. 4 mW,单位面积的输出功率与已报道的最高值相当.采用NEGF方法对器件的温度变化特性做了详细的分析.     

高输出功率锥形波导太赫兹量子级联激光器

制作了基于锥形波导结构的高输出功率的太赫兹(THz)量子级联激光器。激光器采用单面金属波导结构,并采用锥形波导形状提高光输出功率,且保证了良好的光斑远场发散角。激光器水平方向远场光斑发散角为18.4?,器件输出中心波长为93 μm(3.23 THz),器件最高输出功率达到了185 mW,最高工作温度为95 K。80 K时,器件的最高脉冲输出功率能达到65 mW。基于如此高的输出功率,制作了液氮杜瓦封装的小型便携式太赫兹激光源。     

太赫兹Si/SiGe量子级联激光器波导模拟

波导层结构设计是制备太赫兹(THz)量子级联激光器的关键问题之一.本文基于德鲁得(Drude)模型,利用时域有限差分(FDTD)法,对Si/SiGe量子级联激光器的波导层进行优化设计,从理论上对传统的递变折射率波导、单面金属波导、双面金属波导以及金属/金属硅化物波导横磁模(TM模)的模式损耗和光场限制因子进行了对比分析.结果表明,金属/金属硅化物波导不但可以减小波导损耗,而且有很高的光学限制因子,同时其工艺也比双面金属波导容易实现,为Si/SiGe太赫兹量子级联激光器波导层的设计提供了一定的理论指导.     

太赫兹量子级联激光器有源区有限元模拟

采用有限元分析法解决了太赫兹量子级联激光器(THz QCL)有源区模拟问题。由于InP基差频THz QCL有源区为千层纳米结构,无法拆分实验探索,因此模拟分析显得尤为必要。首先列出有源区量子结构的薛定谔方程,而后采用Galerkin有限元法改写薛定谔方程,再根据连续性和边界条件,得到本征值矩阵方程,最后采用Matlab写出运算程序求解本征值矩阵方程,求出波函数。针对不同有源区量子结构,设定材料、组分、厚度和周期数及外加偏压等参数,即可得到波函数模方、能级、频率和波长等模拟结果。选取InP基差频THz QCL结构进行验证,结果表明此模型切实可行,其拓展应用也可以解决GaAs THz QCL模拟问题。     

光泵调制掺杂阶梯量子阱THz激光器瞬态动力学的Monte Carlo模拟

采用系综Monte Carlo（EMC）方法首次对光泵量子阱THz激光器的载流子瞬态动力学进行了分析。提出的器件原型为三能级调制掺杂GaAs/GaxAl(1-x)As系列非对称阶梯量子阱,激射频率为6.1THz。模拟中包括了电子-电子、电子-光学声子和电子-声学声子等散射机制,采用调制掺杂以得到较高电子密度可以忽略电子-电离杂质散射。已报道的研究工作都是在量子阱中掺杂,而对于这种器件原型能否得到电子布居反转,报道的结果也是相互矛盾。器件原型在温度为77K,光泵强度达到一定值时可以得到电子布居反转,所得到的研究结果对相关的实验研究具有一定的指导意义。     

海洋上行激光通信的蒙特卡罗模拟

将潜艇作为高斯分布激光源,通过蒙特卡罗方法数值模拟,研究了海洋上行激光通信中潜艇深度和风速对接收光子数目,空间分布及相对能量径向分布的影响。模拟结果显示,在相同风速条件下,随着潜艇深度的增加,接收光子数急剧下降,并且只在潜艇深度较浅时,接收平面上的光子分布才接近高斯分布。潜艇深度一定时,风速对接收光子数目以及接收光子的空间分布影响不大。风速一定时,对于相同的相对能量,潜艇深度越低,对应的区域半径越小,而相同潜艇深度时,风速对接收平面处光子相对能量径向分布的影响并无明显规律。     

上行激光脉冲时域展宽的数值模拟

基于蒙特卡罗方法,模拟了海洋上行激光脉冲接收光子数目和光子能量的时间分布受水下激光源深度和海面风速的影响情况。结果表明,海面风速一定时,随着激光源深度的增加,接收光子数目和接收光子能量的峰值时间延迟增加;峰值高度和峰值宽度呈增加趋势,且出现多个次峰值。激光源深度一定时,对于不同的海面风速,接收光子数目和接收光子能量的峰值时间,峰值高度和峰值宽度都非常接近,表明风速对激光脉冲的时间扩展效应不起主导作用。     

3孔预准直后铬原子束横向位置分布仿真

为了研究52Cr原子以外其它同位素对铬原子束横向位置分布的影响,采用蒙特卡罗方法对3孔预准直狭缝条件下的1维激光冷却进行了理论分析。由分析可知,在区分52Cr原子和其它同位素条件下,原子束横向位置分布的基底会有所增加,每一部分原子束的特征值也有明显的变化,中心部分原子束中心最大值有9.5%的降低,半峰全宽有2.9%的增加;两侧每一部分原子束的中心最大值有25%的增加,半峰全宽略有增宽。结果表明,其它同位素的区分与否对中心部分原子束的中心最大值和半峰全宽影响很小。     

无序激光器激光出射的空间分布

讨论一种散射,导出相应的分布函数。分析增益区几何形状,运用蒙特卡罗法模拟光子在无序介质中的随机行走,得到激光出射的空间分布。结果表明：在界面法线方向,激光强度最强,随角度增大强度逐渐减弱,并且光强关于法线旋转对称。激光出射的空间分布与无序介质中光子平均自由程有关,据此可通过测量激光出射的空间分布来反推光子平均自由程。出射的激光光子绝大多数（一般95%以上）都是在离界面3个平均自由程距离内散射出来的。     

蒙特卡洛仿真的水下激光通信信道特性

针对海洋激光通信信道复杂多变的问题,利用理论分析和蒙特卡洛模拟方法详细研究了水下光通信链路的信道特性。采用波长为532 nm的蓝绿激光,分析了典型海水中的信道脉冲响应,研究了接收光强与海水类型、衰减长度、发散角、波束宽度、接收视角及孔径等重要参数的关系,并通过蒙特卡洛仿真实验进行验证。理论分析与仿真结果表明：清澈海域中,传输距离40 m时,可认为无码间干扰信道,接收端不需要复杂的信号处理算法;但在海港浑浊海域,时延扩展随着接收视角和发散角的增大而增大,从而降低信道的传输效率。当衰减长度小于等于漫射长度时,接收光强随接收孔径的增大而减小;但当衰减长度大于漫射长度时,接收光强随着接收视角的增大呈现先增后恒的趋势。因此,研究结果将对建立准确的水下无线光通信信道模型具有重要的参考价值。     

强THz场下GaAs和InSb中瞬态谷间散射和碰撞电离

运用系宗蒙特卡罗法计算了强THz场作用下, n型掺杂的GaAs和InSb中随时间变化的散射机制以及载流子非线性动力学演变, 获取了电子散射至卫星谷并弛豫回原能谷的时间信息, 并追踪描绘了载流子瞬态增加的过程, 结果同时显示了强场作用下谷间散射是GaAs中的主要散射机制, 而碰撞电离则是InSb中的关键因素.此外进一步讨论了这两种机制对于相关物理量: 平均动能、平均速度、材料的电导率的影响, 结果说明这两种机制导致了非线性效应并在两种材料中起到相反的作用, InSb中碰撞电离的响应时间比GaAs中谷间散射的响应时间更长.该研究结果在THz调制领域有一定的指导意义.     

无序介质的非相干背散射

讨论两种散射,导出相应的分布函数,运用蒙特卡罗法模拟光子在无序介质中的随机行走过程,得到非相干背散射空间分布及反射率。计算结果表明：1、散射不同,非相干背散射空间分布和反射率不同,非相干背散射反射率随光入射角增大而增大;2、非相干背散射反射率随无序介质吸收系数增大而减小,通过测量非相干背散射反射率可得吸收系数,进一步可得每次散射光子被微粒吸收的概率;3、非相干背散射反射率随光子平均自由程增大而减小,通过测量非相干背散射反射率可得平均自由程,这比检测相干背散射来得到平均自由程要容易。最后,讨论了背散射对无序激光器的影响。