Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη ημιαγωγικών δομών καθέτου κοιλότητας και διαχωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος της παρούσα εργασίας (Κεφ.1- Κεφ.5) πραγματοποιείται η μελέτη επιβράδυνσης του φωτός μέσω ημιαγωγικών οπτικών ενισχυτών κάθετης κοιλότητας επιφάνειας κβαντικών τελειών (QD-VCSOAs). Αρχικά, στο θεωρητικό μέρος ξεκινάμε με την περιγραφή του αργού φωτός. Στο δεύτερο κεφάλιο λοιπόν αναφέρεται ο ορισμός του αργού φωτός καθώς και μηχανισμοί επιβράδυνσης του. Ακόμη, στο ίδιο κεφάλαιο, αναφέρονται κοινές διεργασίες που οδηγούν σε δημιουργία αργού φωτός, καθώς και τα όρια του μέσω των γραμμών οπτικής καθυστέρησης. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται το μοντέλο QD-VCSOA. Γίνεται αναφορά στις κβαντικές τελείες ως ενεργό υλικό, περιγράφεται ο τρόπος διαμόρφωσης του QD-VCSOA και περιγράφεται το μοντέλο εξισώσεων ρυθμού που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη μας. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφερόμαστε στο μοντέλο QD-VCSOA για αργό φως. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται ανάλυση του μαθηματικού μοντέλου καθώς και των δομικών του χαρακτηριστικών. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παραθέτουμε τα αποτελέσματα από το πρώτο μέρος της εργασίας που αφορά την επιβράδυνση φωτός μέσω QD-VCSOA. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας (Κεφ.6- Κεφ.10) πραγματοποιείται μελέτη της δυναμικής της πόλωση σε QD spin-VCSELs δηλαδή σε ημιαγωγικά σπιν-λέιζερ καθέτου κοιλότητας επιφανιακής εκπομπής κβαντικών τελειών. Η μελέτη μας πραγματοποιείται πάνω στο δεδομένο πως εισάγουμε μια επιπλέον κατάσταση στο σύστημα, τη διεγερμένη κατάσταση. Στο έβδομο κεφάλαιο ξεκινάμε με την περιγραφή του θεωρητικού υποβάθρου για τα QD-VCSELs. Συγκεκριμένα, γίνεται αναφορά στα κβαντικά περιορισμένα μέσα απολαβής, στη δομή ενός VCSEL καθώς και στη συμπεριφορά πόλωσης μιας τέτοιας δομής. Στη συνέχεια, στο ίδιο κεφάλαιο αναφερόμαστε στη θεωρία των spin-VCSELs, όπως για παράδειγκμα στην έγχυση σπιν, στην οπτική άντληση κ.τ.λ. Περνώντας στο όγδοο κεφάλαιο πραγματοποιείται η εισαγωγή του μαθηματικού μοντέλου. Αρχίζουμε με την περιγραφή των εξισώσεων ρυθμού τόσο για τα πεδία όσο και για τους φορείς, όταν το σπιν αγνοείται. Στη συνέχεια περιγράφονται οι εξισώσεις ρυθμού τοσο για τα πεδία όσο και για τους φορείς όταν το σπιν συμπεριλαμβάνεται. Να σημειώσουμε πως και στις δύο περιπτώσεις αναφερόμαστε για εξισώσεις ρυθμού τροποποιημένες, αφού έχουμε
xi
εισάγει μια επιπλέον ενεργειακή κατάσταση, τη διεγερμένη. Στο ένατο κεφάλαιο αναφερόμαστε στους τρόπους με τους οποίους πραγματοποιήθηκε η ανάλυση της δυναμικής της συσκευής μας, δηλαδή τη μέθοσο μεγίστου εκθέτη Lyapunov (Largest Lyapunov Exponent-LLE) και τη θεωρία διακλαδώσεων (Bifurcation Theory). Τέλος, στο δέκατο κεφάλαιο παραθέτουμε τα αποτελέσματα της μελέτης μας για τη δυναμική σε QD spin-VCSEL στο οποίο έχει εισαχθεί η διεγερμένη κατάσταση.
(EL)
The present master thesis discusses the study of vertical cavity semiconductor structures and is divided in two separate parts. In the first part of this thesis (Chapter 1-5) we study the deceleration of light using Quantum Dot Vertical Cavity Semiconductor Oprical Amplifiers (QD-VCSOAs). Firsty, our starting point is to describe the theoretical background of slow light. Hence, in chapter 2, we make a reference to the definition of slow light, as well as some deceleration mechanisms. Moreover, in the same chapter, we present common processes that can lead to slow light and its limits using the optical delay lines. In chapter 3, we describe the QD_VCSOA model. We make reference to Quantum Dots as active media, we present the configuration of thr QD_VCSOA and we elaborate the rate equation model employed in our study. In chapter 4, we refer to the QD_VCSOA model for slow light. In particular, we elaborate the mathematical model, as well as the structural characteristics of our device. Finally, in chapter 5, we cite the results of our study of slowing light in QD-VCSOAs and this way the first part of the master thesis is brought to a close. In the second part of the thesis (Chapter 6-10) we realize a study on polarization dynamics in QD spin-VCSELs (Vertical-Cavity Surface-emitting Lasers). Our study is based on the aspect that we introduce an extra energy level in the QD, the excited state. In chapter 7, our starting point is once more the description of the theoretical background of QD-VCSELs. Specifically, we make a reference on the quantum confined gain media, the structure of the VCSEL, as well as the polarization behavior of such a structure. Additionally, in the same chapter, we refer to the theory of spin-VCSELs; i.e the spin injection, the optical pumping e.t.c. Continuing to chapter 8, the introduction of the mathematical model is realized. Firstly, we describe the rate equations both for the fields and for the carriers in the case that spin is ignored. Afterwards, the rate equations both for the fields and the carriers are described, this time in the case that spin is accounted. We have to note that in both cases we refer to modified rate equations, as we have introduced an additional energy level in our study, the excited state. In chapter 9, we mention the methods used to analyze the dynamics of our device, namely the Largest Lyapunov Exponent (LLE) method and the Bifurcation theory. Finally, in chapter 10, we cite the results of our study on the dynamics of QD spin-VCSELs when excited state is introduced.
(EL)
Πανεπιστήμιο Πατρών
