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Nov 26, 2023

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Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12778 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In letzter Zeit sind rein optische Modulatoren möglicherweise der vielversprechendste Kandidat für die Erzielung einer Modulation mit hoher Bitrate in rein optischen Hochgeschwindigkeitskommunikationstechnologien und Signalverarbeitung. In dieser Studie wird ein rein optischer Zweikanalmodulator basierend auf einer lösungsverarbeiteten Quantenpunktstruktur für zwei Größen von Quantenpunkten vorgestellt, um bei zwei Wellenlängen von MIR-Spektren (3 µm und 5 µm) zu arbeiten. Um eine numerische und theoretische Analyse durchzuführen und das optische Verhalten des vorgeschlagenen rein optischen Modulators zu bewerten, wurden die gekoppelten Geschwindigkeits- und Ausbreitungsgleichungen unter Berücksichtigung homogener und inhomogener Verbreiterungseffekte gelöst. Die Modulationstiefe bei der 50-GHz-Frequenz und 3 mW Sondenleistung wird erreicht, etwa 94 % für Kanal 1 mit der Wellenlänge von 559 nm bei einer Pumpleistungsdichte von 300 Wcm−2 und etwa 83,5 % für Kanal 2 mit der Wellenlänge von 619 nm bei einer Pumpleistungsdichte von 500 Wcm−2. Der eingeführte volloptische Zweikanalmodulator kann während des Modulationsprozesses gleichzeitig bei zwei Wellenlängen arbeiten, wobei Informationen über beide Signale des Steuerlichts übertragen werden könnten. Dieser Ansatz kann das praktische Gerät als kontrastreichen und schnellen zweikanaligen volloptischen Modulator mit einer hohen Modulationstiefe in zahlreichen Anwendungen wie Wärmebildgebung in Nachtsichtkameras, Wellenlängen-Demultiplexierung, Signalverarbeitung, frei- Weltraumkommunikation.

Seit 1993, als das Internet für die Öffentlichkeit auf der ganzen Welt zugänglich wurde, ist der ständig steigende Bedarf an der Übertragung großer Datenmengen zu spüren. Das Glasfasernetz mit natürlichem Übertragungsmedium verfügt über eine große Bandbreite, so dass Standard-Singlemode-Fasern eine Bandbreite von bis zu 25 THz haben, was eine sehr hohe Bitrate erfordert. Heutzutage arbeiten Glasfasernetze weltweit mit einer Bitrate von 40 Gbit/s, und die neueste Technologie geht immer in Richtung höherer Bitraten und hoher Geschwindigkeiten1,2. Daher sind optische Hochgeschwindigkeitskommunikationstechnologien und Signalverarbeitung hauptsächlich auf Geräte angewiesen, die als optische Modulatoren bezeichnet werden. Tatsächlich spielen Modulatoren im Vergleich zu anderen Komponenten eine wesentliche Rolle in der optischen Kommunikation. Mit Hilfe dieser Komponenten werden Informationen über kilometerlange Strecken auf optischen Strahlen übertragen und dann über optische Fasern zum Zentrum der Telekommunikations- und Datenaustauschnetzwerke weitergeleitet3,4. In den letzten Jahren haben optische Modulatoren aufgrund ihrer großen Bandbreite und geringen Verluste eine wichtige Rolle in optoelektronischen und photonischen Geräten gespielt und eine enorme Entwicklung in der optischen Informationsverarbeitung, optischen Verbindungen, gepulsten Lasertechnik und Umweltsensorik erreicht5,6, 7,8,9.

Volloptische Modulatoren (AOMs) sind möglicherweise die vielversprechendsten Kandidaten für eine Modulation mit hoher Bitrate, bei der Licht durch Licht moduliert wird110,11,12,13 und bieten einzigartige Vorteile bei der rein optischen Signalverarbeitung im Vergleich zur elektrooptischen Modulation oder akusto-optische Modulation14,15. In jüngster Zeit dürfte die rein optische Modulation schnelle photonische Netzwerke ermöglichen, da der Umwandlungsprozess zwischen Licht und Elektrizität beim herkömmlichen optischen Schalten entfällt4,10. Die AOMs wurden umfassend auf ihre große Bandbreite, schnelle Reaktion und kompakte Größe untersucht, in denen das Lichtsignal im photonischen Bereich moduliert werden kann, ohne dass externe thermische, elektronische oder andere Effekte ausgeübt werden5,8,9. Der Fortschritt von AOM zielt nicht nur darauf ab, die Leistungsgeschwindigkeit zu erhöhen, sondern auch auf die Bereitstellung neuartiger Anwendungen, wie z. B. Breitband-Freiraumkommunikation, Anti-Fluktuations-Atmosphärenbildgebung und ultraschnelle Flugzeiterkennung, basierend auf den aktuellen MIR-Erkennungstechnologien16 ,17.

Für die aktive Lichtsteuerung gibt es zahlreiche interessante Anwendungen durch den Einsatz von Halbleiter-Quantenpunkten (QDs)4,10,18. In jüngster Zeit wurden Studien zu AOMs im Telekommunikationswellenlängenbereich gründlich entwickelt und wir konnten auf diesem Gebiet bemerkenswerte Fortschritte beobachten. Zu diesem Zweck wurde eine experimentelle Demonstration von AOM basierend auf der effizienten Wechselwirkung zwischen dem Kontrolllicht bei einer Wellenlänge von 515 nm und dem Signallicht bei 1426 nm erreicht, indem diese in sich gemeinsam ausbreitende Oberflächenplasmonpolaritonen (SPPs) umgewandelt wurden, die über a interagieren dünne Schicht aus CdSe-QDs. Die optische Modulation bei niedrigen Leistungsdichten (∼ 100 Wcm-2) und einer Modulationsfrequenz um 25 MHz wurde aufgrund der hohen SPP-Feldeingrenzung und des hohen QD-Absorptionsquerschnitts beobachtet13. Zur Förderung der Modulationstiefe (MD) und der Modulationsfrequenz in diesem Wellenlängenbereich wurde hypothetisch auch über ein neuartiges Verfahren berichtet, um ein AOM auf Basis von CdSe-QDs-dotiertem Glas zu entwerfen, in dem das starke (560 Wcm-2) Pumplicht bei der Wellenlänge vorhanden ist von 460 nm wurde verwendet, um das Signallicht bei 1522 nm mit einem MD von 96 % und einer Modulationsfrequenz von 70 GHz4 zu modulieren. Dank der einzigartigen optischen Eigenschaften von 2D-Materialien bei der Entwicklung von Lichtkontroll-Lichtoperationen kann experimentell ein mit Graphen ummanteltes Mikrofaser-AOM mit einem MD von 38 % und einer Modulationsfrequenz von 200 MHz erreicht werden, wobei das Signallicht eine Wellenlänge von 1550 nm hatte gesteuert durch ein Licht bei 1064 nm19. Darüber hinaus wurde ein AOM unter Verwendung einer räumlichen Kreuzphasenmodulationsmethode auf Basis von MXene entwickelt, bei dem ein starkes Kontrolllicht (∼ 40 Wcm−2) bei einer Wellenlänge von 671 nm genutzt wurde, um ein anderes schwaches Signallicht bei 532 nm20 zu modulieren.

Bisher stand der Bereich der Telekommunikationswellenlängen im Mittelpunkt der meisten Errungenschaften und Studien der Forscher auf dem Gebiet der optischen Siliziummodulatoren. Der Wellenlängenbereich des mittleren Infrarots (MIR) bis des fernen Infrarots (FIR) hat trotz seines großen Potenzials und der großen Nachfrage auf dem Markt weniger Aufmerksamkeit erregt16,21. Die wichtigsten MIR-Anwendungen, darunter Freiraumkommunikation, Sicherheitsmaßnahmen und Wärmebildgebung, nutzen die hohe Transmission der Erdatmosphäre im Wellenlängenbereich zwischen 3,5 μm und 5 μm. Die längere Wellenlänge gewährleistet eine geringere Streuung im Vergleich zum nahen Infrarot (NIR) und sichtbaren Licht und garantiert keine aktiven Schwingungsübergänge von H2O- und CO2-Molekülen, sodass sie mit vernachlässigbaren klimatischen Auswirkungen aus der Ferne erfasst und nachgewiesen werden können16,22. In dieser Richtung wurde ein 50-MHz-AOM demonstriert, der aus Germanium-auf-Silizium-Wellenleitern im MIR-Wellenlängenbereich (2–3 μm) mit einer MD von 60 % besteht23. Darüber hinaus wurde durch die Verwendung einer optischen Membran aus Silizium theoretisch ein AOM vorgestellt, bei dem die MD durch die Pumpfluenz von 3,8 mJ/cm2 auf 80 % gefördert wird und im MIR-Bereich zwischen 4 μm und 6 μm arbeitet16. Neu wurde experimentell ein Zweikanal-AOM aus Niobkarbid (Nb2C) entwickelt, das durch einen Nb2CPVA-Film unterstützt wird und auf dem thermooptischen Effekt basiert. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass es dem Nb2C-AOM gelungen ist, die optischen Daten vom Kontrolllicht bei den Wellenlängen 980 nm und 793 nm an das Signallicht bei zwei Telekommunikationswellenlängen von 1,5 μm bzw. 2,0 μm zu übertragen. Der MD dieses Systems beträgt 23,3 % und die höchste Modulationsfrequenz beträgt 5 kHz, was eine niedrige Geschwindigkeit sowie einen niedrigen MD24 ermöglicht.

Lösungsverarbeitete Materialien wie kolloidale Quantenpunkte (CQDs) bieten eine höhere Absorption, Verarbeitung bei Raumtemperatur, kostengünstige Herstellung und eine einfache großflächige Herstellung auf starren oder flexiblen Substraten25,26,27,28. Unter Berücksichtigung des lösungsverarbeiteten CQD wurde in diesem Artikel ein neuartiges Design für Zweikanal-AOMs mit hoher Geschwindigkeit und hohem Kontrast vorgeschlagen, um die gleichzeitige Steuerung von zwei schwachen Signallichtern im MIR-Spektrumbereich durch zwei starke sichtbare Kontrolllichter zu erreichen. In den quantenbasierten Systemen können die optischen Absorptionsspektren der QDs weitgehend durch den Quantengrößeneffekt beherrscht werden, um eine einstellbare Absorption zu erreichen . Daher werden im eingeführten Zweikanal-AOM zwei QD-Größen angepasst, um die beiden Wellenlängen des sichtbaren Lichts als Pumpsignale zu absorbieren bzw. zwei Wellenlängen des MIR-Spektrums als Sondensignale zu modulieren. Einer der vielversprechendsten Aspekte dieses Zweikanalmodulators ist die Möglichkeit, während des Modulationsprozesses gleichzeitig bei zwei Wellenlängen zu arbeiten.

Last but not least kann der Zweikanal-AOM bei hohen Frequenzen bis zu 50 GHz betrieben werden, bietet eine hohe MD von > 80 % und eine weitaus bessere Leistung als in zuvor veröffentlichten Studien. Daher kann dieser Modulator in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich Wärmebildgebung in Nachtsichtkameras, Wellenlängen-Demultiplexing (WDM), Signalverarbeitung usw. Darüber hinaus könnte der vorgeschlagene AOM für mehr Größen von QDs entwickelt werden, um eine Mehrkanalmodulation zu erreichen.

In dieser Forschung wurde ein Zweikanal-AOM mit hoher Geschwindigkeit und hohem Kontrast vorgeschlagen, der zwei verschiedene Gruppen von QDs nutzt, die durch die Lösungsprozesstechnologie synthetisiert werden. Das Schema des vorgeschlagenen Zweikanal-AOM ist in Abb. 1A dargestellt, in dem Pump- und Sondensignale über zwei verschiedene Kanäle angelegt werden. Unter allen Kriterien für die Entwicklung eines Modulators ist die Auswahl von Nanomaterialien als Absorber von entscheidender Bedeutung.

Das Schema des vorgeschlagenen Zweikanal-AOM. (A) Schematische Darstellung eines Arrays aus zwei Größen von QDs mit Kern/Schale-CdSe/ZnS-Struktur. (B) Das Energiebanddiagramm der vorgeschlagenen Struktur einschließlich der Trägerabsorption, des Rekombinationsprozesses und des Fluoreszenzresonanzenergietransfers (FRET) in zwei Größen von QDs.

Um eine Zweikanalmodulation zu realisieren, wird daher eine Kern/Schale-Struktur mit einer Anordnung von zwei unterschiedlich großen CdSe-QDs, umgeben von einer ZnS-Schale als Absorber für sichtbares Licht, genutzt, wobei die Radien von R1 und R2 zufällig und unregelmäßig angeordnet sind und dem Kanal entsprechen -1 (grüne QDs) bzw. Kanal-2 (rote QDs).

Trägerübergänge zwischen Grundzuständen des Leitungsbandes und des Valenzbandes spielen eine Schlüsselrolle im Modulationsprozess4. Als Informationssignale dienen zwei Laserstrahlen, darunter die modulierten Pumpsignale mit den Wellenlängen 559 nm (grün) und 619 nm (rot), sowie zwei Dauerstrich-Laserstrahlen (CW) inklusive der Sondensignale mit den Wellenlängen von 3 μm und 5 μm (MIR-Spektrum) werden gleichzeitig angewendet, die für die QD-Radien von R1 = 2 nm bzw. R2 = 2,8 nm eingestellt sind.

Der Absorptions- und Rekombinationsprozess unter Berücksichtigung von Relaxationszeitkonstanten ist in Abb. 1B dargestellt. Wie in dieser Abbildung dargestellt, umfasst das Energiebanddiagramm den Grundzustand des Leitungsbandes (GSc), den angeregten Zustand des Leitungsbandes (ESc) und den Grundzustand des Valenzbandes (GSv) sowie den angeregten Zustand von Das Valenzband (ESv) entspricht den kleinen grünen QDs (Kanal 1) und den großen roten QDs (Kanal 2) zusammen mit der Ladungsträger- und Photonendynamik, die die Leistung des Zweikanal-AOM beschreibt. Jedes Sondensignal wird als Ergebnis des Intersubbandübergangs von GSc zu ESc innerhalb der zugehörigen QD-Gruppen absorbiert, vorausgesetzt, dass die Träger durch die Pumpsignale aufgrund der Interbandabsorption zwischen GSv und GSc innerhalb der entsprechenden QD-Gruppen angeregt wurden. Außerdem sind die Zeitkonstanten im Zusammenhang mit dem Relaxationsprozess der Träger in jeder QD-Gruppe in Abb. 1B als τegc (Elektronenrelaxationszeit vom ESc zum GSc), τgev (Elektronenrelaxationszeit vom GSv zum ESv), τgr angegeben (Elektronenrekombinationszeit vom GSc zum GSv), τer (Elektronenrekombinationszeit vom ESc zum ESv), die Zeitkonstanten im Zusammenhang mit dem FRET-Mechanismus werden als τdown-trans-g(e) (Elektronenübergangszeit vom GSc) dargestellt (ESc) von Kanal-1 zum GSc (ESc) von Kanal-2) und τup-trans-g(e) (Elektronenübergangszeit vom GSc (ESc) von Kanal-2 zum GSc (ESc) von Kanal- 1).

In den QD-basierten Systemen beträgt die Trägerrekombinationslebensdauer etwa Nanosekunden, was ein Hindernis für die Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsgeräten darstellt. Es wurde bestätigt, dass die Lochrelaxationszeit im Gegensatz zur Elektronenrelaxationszeit, die vom Lösungsmittel abhängt, in dem sie gezüchtet werden, unabhängig von der Oberflächenbehandlung des Nanokristalls ist30. Darüber hinaus steigen aufgrund der Vergrößerung des Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses durch Verringerung der QD-Größe die Relaxationsraten31,32, was zu einem schnellen Einfangen von Ladungsträgern in Oberflächenzuständen führt. Obwohl der Raum zwischen den Energieniveaus durch die Verringerung der QD-Größe größer wird, nimmt die Lebensdauer der Elektronenrekombination ab32. Daher wird die Elektronenrekombinationszeit von Fallenzuständen bei der Berechnung von τgr und τer berücksichtigt, wobei diese Werte von einer Nanosekunde auf eine Pikosekunde verringert werden, um ein hochfrequentes Zweikanal-AOM4,30,33 zu erhalten.

Bezüglich der Umgebungsparameter des Systems beträgt die effektive Fläche der einfallenden Lichtquelle 200 μm × 200 μm und die Temperatur 300 K. Der Laserstrahl trifft typischerweise auf die Seitenfläche des Geräts, wo er die Länge von L passiert . Das Licht, das die Modulatoroberfläche berührt, ist monochromatisch.

Dieser Abschnitt enthält vier Unterabschnitte. Erstens wurde für die Modalanalyse von Zweikanal-AOM die 3D-Schrödinger-Gleichung gelöst, um Eigenenergien und Wellenfunktionen zu erhalten. Daher kann das Energiebanddiagramm der simulierten Struktur erstellt werden, um den Absorptions- und Rekombinationsprozess zu modellieren. Zweitens wird die homogene und inhomogene Verbreiterung, die sich aus intrinsischen Effekten wie Druck oder Temperatur und der Ungleichmäßigkeit der QD-Größen als Ergebnis der Lösungsprozessmethode ergibt, auf Intersubband- und Interband-Absorptionskoeffizienten angewendet. Drittens findet der Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FERT) aufgrund der Verwendung von zwei unterschiedlich großen Quantenpunkten im Zweikanal-AOM zwischen zwei QDs statt. Daher sind diese Übergänge in den gekoppelten Geschwindigkeitsgleichungen enthalten. Viertens werden zur Analyse der Leistung von Zweikanal-AOM und zur Charakterisierung der wesentlichen Faktoren des Modulators die gekoppelten Geschwindigkeits- und Ausbreitungsgleichungen durch die Methode der endlichen Differenzzeitdomäne (FDTD) gelöst.

Abhängig von der Näherung der effektiven Masse wurden Eigenenergien und die entsprechenden Wellenfunktionen von GSc, ESc, GSv und ESv durch Lösen der 3D-Schrödinger-Gleichung mithilfe der auf der Finite-Elemente-Methode basierenden Software unter Verwendung der in Tabelle 1 genannten Parameter erhalten. Für Bei der Erweiterung der simulierten Struktur auf das praktisch entworfene Gerät wird die periodische Randbedingung angewendet.

Das Energiebanddiagramm des Systems ist in Abb. 2A dargestellt. Die grüne und rote Linie entsprechen jeweils der Eigenenergie der grünen bzw. roten QD-Gruppen. Wie Abb. 2A zeigt, beträgt der Unterschied zwischen GSv und GSc in definierten QDs etwa 2,2 eV für Kanal 1 mit dem Radius R1 und 2 eV für Kanal 2 mit dem Radius R2, geeignet abgestimmt auf die Interbandabsorption des Lichtstrahls bei den grünen bzw. roten Wellenlängen. Außerdem beträgt der Unterschied zwischen GSc und ESc 0,4 eV für Kanal 1 und 0,25 eV für Kanal 2, was für die Intersubbandabsorption von Wellenlängen von 3 μm bzw. 5 μm geeignet ist. Die 3D-berechneten Wellenfunktionen gemäß GSc jeder QD-Gruppe sind in Abb. 2B, C dargestellt. Darüber hinaus wird der Querschnitt des 3D-Diagramms in der xy-Ebene angegeben und die Wellenfunktion von GSc und ESc des Hauptmodus für Kanal 1 und Kanal 2 in Abb. 2B, C dargestellt.

Die Modalanalyse von Zweikanal-AOM. (A) Bandstruktur des CdSe/ZnS-Kern/Schale-Zweikanal-AOM, die darauf hinweist, dass der Unterschied zwischen den Grundzuständen der Valenz- und Leitungsbänder in definierten QDs etwa 2,2 eV für Kanal 1 und 2 eV für Kanal 2 beträgt. Außerdem Der Unterschied zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand der leitfähigen Bänder beträgt 0,4 eV für Kanal 1 und 0,25 eV für Kanal 2. (B) Wellenfunktionen von CdSe-QDs, simuliert durch Lösen der 3D-Schrödinger-Gleichung in FEM-Software. Es wird ein Querschnitt der 3D-Kern/Schale-Struktur in der x-y-Ebene angegeben und die Wellenfunktion von GSc s (links) und ESc s (rechts) des Hauptmodus für Kanal 1 und (C) für Kanal 2 dargestellt.

Für einen Modulator umfassen die Bewertungskriterien MD, Modulationsfrequenz, Herstellungskosten, Schaltenergie, Gerätegröße, Herstellungsschwierigkeiten, Gerätekompatibilität mit elektronischer oder photonischer Technologie usw.4. In diesem Abschnitt werden die Auswirkungen der homogenen Verbreiterung (HB) und der inhomogenen Verbreiterung (IHB) auf die MD der vorgeschlagenen Struktur ausführlich erläutert. Darüber hinaus wird die MD als Funktion der Pumpleistung, der Sondenleistung und der Pumpfrequenz durch Geschwindigkeitsgleichungen berechnet und die Ergebnisse werden im Abschnitt „Simulationsergebnisse“ dargestellt.

Aufgrund der Lösungsverfahrensmethode, die eine kostengünstige Herstellung, eine höhere Absorption und ein einfaches chemisches System mit kontrollierbaren Versuchsbedingungen bietet, ist das Erreichen der genauen Größe von QDs aufgrund einer vernachlässigbaren Einschränkung der Synthesebedingungen eingeschränkt34,35,36,37. Daher kann die Größe jeder QD-Gruppe in Bezug auf die gewünschten Wellenlängen vom zentralen Wert des Radius abweichen, was zu der als IHB bezeichneten Verteilung der Energieniveaus führt. Unter Berücksichtigung dieser Auswirkungen der Ungleichmäßigkeit der QD-Größe auf die Absorptionsspektren des MD wird der IHB der Energieniveaus durch die Gaußsche Funktion modelliert, bei der das QD-Ensemble in 2M + 1 Gruppen identischer Punkte mit einem Energieintervall von ΔE= unterteilt ist 1 meV38,39,40,41.

Hier ist \(E_{0,i}^{p}\) die Interband- oder Intersubband-Übergangsenergie der wahrscheinlichsten Größe von QDs (M + 1-te QD-Gruppe), n ist der Index, der sich auf die Anzahl der aktiven bezieht Modi ist der Index von i gleich 1 für Kanal 1 und 2 für Kanal 2, und ξ0 ist die QD-Abdeckung, bei der das Vollwellen-Halbmaximum (FWHM) gleich 34,38 ist. Andererseits führen intrinsische Effekte wie Druck oder Temperatur auf alle QDs zur HB von Energieniveaus, die alle Gruppen homogen beeinflussen. Eine der herausragendsten Eigenschaften von Halbleitern ist die Entwicklung der HB der Exzitonenlumineszenz in Abhängigkeit von der Temperatur, da sie direkt mit den Wechselwirkungen zwischen Exzitonen (Träger-Träger), der Phononen-Träger-Streuung und den Gitterschwingungsmoden zusammenhängt. Es ist bekannt, dass eine solche Wechselwirkung zu einer temperaturabhängigen Linienbreite führt. Der HB wird durch eine Lorentzsche Funktion mit \(\Gamma_{HB}\) als FWHM modelliert, die bei Raumtemperatur als 20 meV angenommen wird38,42.

Unter Berücksichtigung der erhaltenen Verbreiterungen werden im Folgenden die linearen Interband- und Intersubband-Absorptionskoeffizienten berechnet. Der Interband-Absorptionskoeffizient, der sich aus der angelegten Pumpleistung ergibt, führt zu den Übergängen von GSv zu GSc und wird erreicht durch43,

In ähnlicher Weise führt der Intersubband-Absorptionskoeffizient, der sich aus der angelegten Sondenleistung ergibt, zu den Übergängen vom Grundzustand im leitenden Band (GSc) zum angeregten Zustand im leitenden Band (ESc) und wird durch erhalten44,

Dabei ist e die Elementarladung, c die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum, ε0 die Permittivität im freien Raum, ħ die reduzierte Plancksche Konstante, \(\varepsilon_{QD}\) die Dielektrizitätskonstante von CdSe-QDs, ε das Dielektrikum Konstante von ZnS und \(V_{QD,i}\) ist das Volumen des zugehörigen einzelnen QD. Die Terme \(| < \Psi_{g,i}^{v} |\widehat{e}.\widehat{r}|\Psi_{g,i}^{c} > |\) und \(| < \Psi_{g,i}^{c} |\widehat{e}.\widehat{r}|\Psi_{e,i}^{c} > |\) sind die Interband- bzw. Intersubband-Übergangsdipolmomente in welches \(\Psi_{g(e)}^{v(c)}\) in Abb. 2 dargestellt ist. Die Polarisation des einfallenden Lichts ist auf 45 Grad eingestellt, bei dem das maximale Intersubband-Dipolmoment des CdSe-QD erhalten wird .

Der Fluoreszenz- (oder Förster-)Resonanzenergietransfer (FRET) ist ein strahlungsloser Energieübertragungsprozess von einem fluoreszierenden Donor zu einem energieärmeren Akzeptor durch Wechselwirkungen von Donor- und Akzeptor-Dipolmomenten45. Dieser Mechanismus wird mit besonderer Aufmerksamkeit in vielen Anwendungen bei Halbleiter-Quantenpunkten (QDs) untersucht. Die Grundlagen von FRET innerhalb einer nominell homogenen QD-Population sowie der Energietransfer zwischen zwei verschiedenen Farben von QDs werden diskutiert46. Im vorgeschlagenen Zweikanal-AOM wird dieser Übergangsprozess aufgrund der Verwendung von zwei unterschiedlich großen QDs als eine Übertragungsrate betrachtet, die durch erhalten wird :

Dabei ist \(V_{eff}\) das effektive Volumen von QDs zweier Größen, \(n_{r}\) der Brechungsindex von QDs und \(E_{12}^{l} = E_{1} ^{l} - E_{2}^{l}\). Die Zeitkonstanten von Übergängen zwischen zwei QD-Größen werden durch \(\tau_{up(down)\_trans}^{l} = 1/W_{12,n}^{l}\) berechnet und in gekoppelte Geschwindigkeitsgleichungen einbezogen .

Die Leistung der meisten optoelektronischen Geräte wurde normalerweise durch Lösen der gekoppelten Geschwindigkeitsgleichung analysiert. Zu diesem Zweck wurden die Eigenschaften des vorgeschlagenen Zweikanal-AOM unter Verwendung der entwickelten gekoppelten Geschwindigkeitsgleichungen zusammen mit der Ausbreitungsgleichung für die Pump- und Sondenstrahlen berechnet. Es ist gut zu erwähnen, dass die CW-Sondensignale und die Gaußsche Impulsfolge der Pumpsignale bei z = 0 angelegt werden und sich entlang der z-Richtung ausbreiten. Die Ausgangssignale werden bei z = L berechnet. Daher werden die entwickelte Geschwindigkeitsgleichung und die Ausbreitungsgleichungen für den Zweikanal-AOM wie folgt ausgedrückt:

wobei \(n_{{g_{n,i} }}^{c}\), \(n_{{e_{n,i} }}^{c}\), \(n_{{g_{n, i} }}^{v}\) und \(n_{{e_{n,i} }}^{v}\) sind die Anzahl der Elektronen in GSc, ESc, GSv bzw. ESv. Zusätzlich sind \(P_{m,i}^{pump}\) und \(P_{m,i}^{probe}\) die optische Leistung des Pumpsignals bzw. des CW-Sondensignals. Die entsprechenden Trägerbesetzungswahrscheinlichkeiten werden als \(f_{{g_{ni} }}^{c}\), \(f_{{e_{ni} }}^{c}\), \(f_{{g_ {ni} }}^{v}\) bzw. \(f_{{e_{ni} }}^{v}\). Außerdem bezieht sich die Anzahl der Elektronen auf ihre entsprechenden Besetzungswahrscheinlichkeiten als \(n_{{g_{n,i} }}^{c(v)} (z,t) = f_{{g_{n,i} }} ^{c(v)} (z,t)N_{{G_{i} }}^{c(v)}\), \(n_{{e_{n,i} }}^{c(v) } (z,t) = f_{{e_{n,i} }}^{c(v)} (z,t)N_{{E_{i} }}^{c(v)}\). Alle Zeitkonstanten werden im Abschnitt „Der vorgeschlagene Zweikanal-AOM“ ausführlich vorgestellt. Außerdem werden die Zeitkonstanten des Elektronenaustrittsprozesses in der Leitung und den Valenzbändern erhalten als

wobei \(\Delta E_{{_{eg} }}^{c(v)}\) der Energieabstand zwischen ESc(v) und GSc(v)47,48,49 ist. Darüber hinaus sind \(D_{g}^{c(v)}\) und \(D_{e}^{c(v)}\) die Elektronenentartung der Grund- und angeregten Zustände in der Leitung und der Valenz Band, das jeweils durch \(D_{g}^{c} = 2\), \(D_{e}^{c} = 6\), \(D_{g}^{v} = 2\) bestimmt wird ) und \(D_{e}^{v} = 6\)50. Die Gesamtzahl der Elektronen jedes Zustands, GSc, ESc, GSv und ESv, wird mit \(N_{{G_{i} }}^{c(v)} = N_{QD,i} V_{d} demonstriert. D_{g}^{c(v)}\), \(N_{{E_{i} }}^{c(v)} = N_{QD,i} V_{d} D_{e}^{c (v)}\), wobei Vd das Volumen des aktiven Bereichs und NQD,i die entsprechende QD-Dichte für Kanal 1 bzw. 2 ist.

Der Zweikanal-AOM wurde durch die Lösung der verbesserten Geschwindigkeits- und Ausbreitungsgleichungen charakterisiert. (7–14). Daher wird der aktive Bereich der Struktur in z-Richtung in 100 Teile unterteilt und jeder Teil wird vollständig im Zeitbereich analysiert. Die erforderlichen Parameter und Zeitkonstanten sind in Tabelle 2 angegeben. Anschließend wird die Dynamik der Trägerdichten sowie die optische Leistung der Pump- und Sondensignale für jede Region berechnet. Dieser Vorgang wird bis zum Ende der letzten Region fortgesetzt. Darüber hinaus kann der gesamte Interband- und Intraband-Absorptionskoeffizient wie folgt ermittelt werden:

Die CW-Eingangssondenleistung für Kanal 1 und Kanal 2 beträgt 3 mW, wobei beide durch zwei Pumpsignale moduliert werden, deren Eingangsamplitude 120 mW bzw. 200 mW für Kanal 1 bzw. Kanal 2 beträgt . Bei der Frequenz von 50 GHz wird eine Eingangs-Gauß-Pulsfolge mit einer Pulsbreite von 100 fs angelegt. Mit dem ersten Impuls der Pumpe, der an den Modulator angelegt wird, nimmt die Anzahl der Elektronen im GSv-Niveau ab. Im Gegensatz dazu nimmt die Anzahl der Elektronen auf GSc-Ebene aufgrund der Interbandabsorption zu. Die Wellenlänge von 3 μm als Sondensignal wird gleichzeitig an den Kanal 1 angelegt, und währenddessen wird die Wellenlänge des 5 μm-Sondensignals an den Kanal 2 angelegt, die alle in der Intersubband-Absorption ab der GSc-Ebene durchgeführt werden zum ESc.

Das gesamte Interband- und Intersubband-Absorptionsspektrum wird unter Verwendung der Gleichungen erhalten. (16,17) und wurden in Abb. 3A bei t = 11 ps für Kanal 1 und Kanal 2 demonstriert, bevor der Pumpimpuls bei t = 12 ps angelegt wurde, was durch gestrichelte dunkelgrüne und dunkelrote Linien angezeigt ist ( Interband-Spektrum) und gestrichelte hellgrüne und hellrote Linien (Intersubband-Spektrum) für Kanal 1 bzw. Kanal 2. Es zeigt sich offensichtlich, dass die gesamte Intersubbandabsorption für beide Kanäle vernachlässigbar ist, da im GSc aufgrund des fehlenden Pumpsignals keine Träger vorhanden sind. Darüber hinaus wurde das gesamte Interband- und Intersubband-Absorptionsspektrum bei t = 12 ps (bei Anwendung der Gaußschen Pumpe mit einer Frequenz von 50 GHz) in Abb. 3A durch durchgezogene dunkelgrüne und dunkelrote Linien (Interbandspektrum) und durchgezogene hellgrüne und helle Linien dargestellt rote Linien (Intersubbandspektrum) für Kanal 1 bzw. Kanal 2. Die Anwendung des Pumpsignals führt zu einer Erhöhung des gesamten Intersubband-Absorptionskoeffizienten. Darüber hinaus wurde die Dynamik der gesamten Interband- und Intersubbandabsorption für Kanal 1 und Kanal 2 in Abb. 3B bzw. C dargestellt. Schließlich ist die ausgangsmodulierte Sondenleistung nach Anlegen der Pumpimpulsfolge bei der Frequenz von 50 GHz in Abb. 3D dargestellt, wobei die Eingangs-CW-Sondenleistung 3 mW für Kanal 1 und Kanal 2 beträgt.

Die Leistung von Zweikanal-AOM. (A) Das gesamte Interband- und Intersubband-Absorptionskoeffizientenspektrum für Kanal 1 und Kanal 2 vor und nach dem Anlegen eines Pumpimpulses, (B) und (C) Dynamik des gesamten Interband- und Intersubband-Absorptionskoeffizienten für Kanal 1 und Kanal 2 bzw. (D) Die ausgangsmodulierte Sondenleistung, bei der die Eingangs-CW-Sondenleistung 3 mW für Kanal 1 und Kanal 2 beträgt, durch Anlegen einer Pumpimpulsfolge mit einer Frequenz von 50 GHz.

Einer der wesentlichsten Faktoren für die Eigenschaften eines Modulators ist die Modulationstiefe, die als Änderung der Amplitude der Sondensignale bei Modulationsbetrieb definiert ist. Wenn das Pumpsignal an den Modulator angelegt wird, beginnt gleichzeitig das angelegte Sondensignal zu absorbieren, und gerade dann wird die Sondenleistung absorbiert, das Ausgangssignal wechselt in den „AUS“-Zustand. Wenn die Pumpe ausgeschaltet ist, wird die Leistung der Sonde aufgrund der Verlangsamung des Interband-Absorptionsprozesses nicht vollständig absorbiert und die Ausgangssonde wird auf „EIN“ geschaltet. Die Amplitude der Sondenleistung (Trägerwelle) ändert sich also, wenn sich das Informationssignal (Pumpleistung) ändert, und die größte Änderung der Amplitude wird im Modulationsprozess als MD angegeben. Der MD wird aus der Differenz zwischen der Ausgangsleistung im „EIN-Zustand“ und der Ausgangsleistung im „AUS-Zustand“ berechnet, die sich wie folgt ergibt: 51,52,

Die MD gegenüber der Pumpleistungsdichte bei der Frequenz von 50 GHz und der Sondenleistung von 3 mW für Kanal 1 (durchgezogene grüne Linie) und Kanal 2 (durchgezogene rote Linie) wurden für verschiedene FWHM-Werte von gezeigt das IHB, in Abb. 4A–C. Es wird beobachtet, dass durch die Erhöhung der Pumpleistung die MD zunahm, da die Anzahl der Träger am GSc zunahm. Allerdings wird der MD gesättigt sein, wenn die Pumpleistung größere Werte erreicht. Mit anderen Worten: Da der GSc-Pegel vollständig gefüllt ist, wird MD nach dieser Erhöhung nicht von der Pumpleistung beeinflusst. Es ist auch zu beobachten, dass mit zunehmendem \(\Gamma_{IHB}\) (IHB-Effekt) der MD-Wert abnimmt. Durch Erhöhen von \(\Gamma_{IHB}\), was einer Verringerung der Genauigkeit des Herstellungsprozesses durch die Lösungsprozessmethode gleichkommt, ist die Leistung beider Kanäle gleichzeitig akzeptabel und es kann ein MD von über 60 % erreicht werden. Je größer die radiale Verteilung relativ zum zentralen Radius der QDs ist, desto niedriger ist die MD basierend auf den in Abb. 4A – C gezeigten Ergebnissen. Schließlich werden gemäß Abb. 4B für eine optimale Modulation die Pumpleistungsdichten auf 300 Wcm-2 und 500 Wcm-2 eingestellt und \(\Gamma_{IHB}\) wird als 15 meV und 10 meV für Kanal-1 und Kanal angesehen -2 bzw.

Die Abhängigkeit von MD von der Pump- und Sondenleistung. (A) Die MD als Funktion der Eingangspumpleistungsdichte bei der Frequenz von 50 GHz und der Sondenleistung von 3 mW für Kanal 1 und Kanal 2. Es wird angenommen, dass die FWHM von IHB ΓIHB1 = 10 meV, ΓIHB2 = 5 meV, (B) ΓIHB1 = 15 meV, ΓIHB2 = 10 meV und (C) ΓIHB1 = 20 meV, ΓIHB2 = 15 meV für Kanal-1 und Kanal- 2 bzw. (D) Die MD als Funktion der Eingangssondenleistungswerte bei den festen Pumpleistungsdichten von 300 Wcm-2 und 500 Wcm-2 für Kanal 1 bzw. Kanal 2 und einer Frequenz von 50 GHz für Kanal 1 und Kanal-2. Es wird angenommen, dass die FWHM von IHB ΓIHB1 = 10 meV, ΓIHB2 = 5 meV, (E) ΓIHB1 = 15 meV, ΓIHB2 = 10 meV und (F) ΓIHB1 = 20 meV, ΓIHB2 = 15 meV für Kanal-1 und Kanal- 2 bzw.

Abbildung 4D–F zeigt MD als Funktion der unterschiedlichen Eingangssondenleistung bei der Frequenz von 50 GHz und bei der Pumpleistungsdichte von 300 Wcm-2 und 500 Wcm-2 für Kanal 1 bzw. Kanal 2. Diese Abbildung zeigt, dass durch Erhöhen der Leistung des Eingangstastkopfes der MD erhöht werden kann. Wie in der Abbildung gezeigt, nimmt die MD jedoch ab, wenn die Sondenleistung von der Schwellenleistung weiter ansteigt. Dies liegt daran, dass mit zunehmender Sondenleistung mehr Träger im Intersubband absorbiert werden und bis der ESc seinen Sättigungswert erreicht (nicht vollständig gefüllt ist), erhöht dieses Verfahren MD. Aber nach der Sättigung des ESc wird der Prozess der Intersubbandabsorption reduziert, sodass durch die Erhöhung der Sondenleistung nicht nur die Absorption nicht ansteigt, sondern im Gegenteil das Sondensignal ohne Absorption an den Ausgang übertragen wird, was sich verringert der MD. Wie Abb. 4D–F zeigt, ist die MD entsprechend der Sondenleistung für verschiedene \(\Gamma_{IHB}\) s aufgetragen, was darauf hinweist, dass die MD mit zunehmendem \(\Gamma_{IHB}\) abnimmt. Schließlich wird gemäß Abb. 4E für eine optimale Modulation die Sondenleistung für beide Kanäle auf 3 mW eingestellt und \(\Gamma_{IHB}\) wird als 15 meV bzw. 10 meV für Kanal 1 bzw. Kanal 2 betrachtet.

Letztendlich sollte darauf geachtet werden, dass eine Verringerung der Genauigkeit der Herstellungsverfahren zu einer Reduzierung der Herstellungskosten führt. Für einen Kompromiss zwischen hoher MD und kostengünstiger Herstellung gelten also die Werte von 3 mW für die Sondenleistung beider Kanäle, 300 Wcm−2 und 500 Wcm−2 für Pumpleistungsdichten mit 15 meV und 10 meV für \(\ Gamma_{IHB}\) werden jeweils für Kanal 1 und Kanal 2 ausgewählt.

In Abb. 5A–C sind die ausgangsmodulierte Sondenleistung und MD bei verschiedenen Pumpimpulsfrequenzen für Kanal 1 in der linken Spalte und für Kanal 2 in der rechten Spalte aufgetragen. Es wird darauf hingewiesen, dass durch Erhöhen der Modulationsfrequenz MD und der Dynamikbereich zwischen PON und POFF im Sondenleistungssignal abnimmt.

Die Abhängigkeit von MD von der Frequenz der angelegten Pumpleistung. (A) Die ausgangsmodulierte Sondenleistung bei verschiedenen Frequenzen, was darauf hinweist, dass durch Erhöhen der Modulationsfrequenz MD und der Dynamikbereich zwischen PON und POFF im Sondenleistungssignal abnimmt. (B) Die MD als Funktion der Pumpleistungsfrequenz bei den Pumpleistungsdichten von 300 Wcm-2 und 500 Wcm-2 für Kanal-1 bzw. (C) für Kanal-2 und einer Sondenleistung von 3 mW für beide Kanäle -1 und Kanal-2.

Wie in Abb. 5A gezeigt, sinken in Kanal 1 die Träger des leitfähigen Bandes aufgrund des FRET-Prozesses ab, so dass die Sondenleistung nicht vollständig absorbiert werden kann und die Ausgangssondenleistung nicht perfekt in den „AUS-Zustand“ wechselt. Daher hat das Ausgangssondensignal eine größere Amplitude als sein Minimalwert im „AUS-Zustand“. Umgekehrt steigen in Kanal 2 Träger des leitfähigen Bandes aufgrund des FRET-Prozesses auf, sodass die Sondenleistung nicht vollständig durchgelassen werden kann und die Ausgangssondenleistung nicht perfekt in den „EIN-Zustand“ wechselt, da das System nicht genügend Zeit hat, seine volle Leistung zu erreichen Wiederherstellungszeit. Infolgedessen weist das ausgegebene Sondensignal eine kleinere Amplitude als sein Maximalwert im „EIN-Zustand“ auf.

Es ist zu beachten, dass durch die Erhöhung der Leistungsdichte der Eingangspumpe ein nichtlineares Phänomen, die Zweiphotonenabsorption, auftritt, das die Sondenabsorption durch die Pumpe verhindert. Daher werden QDs entweder für das eingehende Pump- oder Sondensignal transparent und es wird keine Sondenleistung mehr absorbiert. Dadurch wird die Modulatorleistung, die praktisch auf Interband- und Intrabandabsorption beruht, völlig gestört. Die maximale Leistungsdichte des vorgeschlagenen Geräts ist auf 600 Wcm−2 13 begrenzt.

In diesem Artikel wurde ein neuartiges Modell zum Entwurf eines Zweikanal-AOM basierend auf einer lösungsverarbeiteten CdSe/ZnS-QD-Struktur vorgestellt. Aufgrund des Quantengrößeneffekts in den quantenbasierten Geräten kann ein abstimmbares Absorptionsspektrum erreicht werden, daher ist dieses AOM für zwei Größen von QDs modelliert, um zwei Wellenlängen von MIR-Spektren (3 µm und 5 µm) zu modulieren. Das vorgeschlagene Zweikanal-AOM wurde im Rahmen der gekoppelten Geschwindigkeits- und Ausbreitungsgleichungen unter Berücksichtigung homogener und inhomogener Verbreiterungen modelliert. Es wird gezeigt, dass die MD für das vorgeschlagene AOM ungefähr bei 94 % bzw. 83,5 % für Kanal 1 und Kanal 2 erreicht werden kann, wenn die Pumpleistungsdichte 300 Wcm-2 bzw. 500 Wcm-2 bei der 50-GHz-Frequenz beträgt werden an Kanal 1 und Kanal 2 angelegt und die Eingangssondenleistung beträgt 3 mW für beide Kanäle. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die MD mit zunehmendem IHB abnimmt. Daher ist es wichtig, den IHB-Effekt durch die Synthese von QDs mit höherer Genauigkeit und Auflösung so weit wie möglich zu reduzieren.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Hannaneh Dortaj, Mohammad Faraji und Samiye Matloub

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SM konzipierte unter Berücksichtigung des Lösungsprozesses das Konzept eines rein optischen Zweikanalmodulators und entwickelte eine theoretische Modellierung der vorgeschlagenen Struktur. HD und MF führten die Simulationen durch. Alle Autoren haben das Manuskript verfasst.

Korrespondenz mit Samiye Matloub.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 30. März 2022

Angenommen: 20. Juli 2022

Veröffentlicht: 27. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17084-4

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