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Nov 26, 2023

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Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12778 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

最近、全光変調器は、高速全光通信技術および信号処理において高ビットレート変調を実現するための最も有望な候補となる可能性があります。 この研究では、溶液処理された量子ドット構造に基づく 2 チャネル全光変調器が導入され、2 つのサイズの量子ドットが 2 つの波長の MIR スペクトル (3 μm と 5 μm) で動作します。 数値的および理論的解析を実行し、提案された全光変調器の光学的挙動を評価するために、均一および不均一な広がり効果を考慮して結合速度および伝播方程式が解かれました。 50 GHzの周波数および3 mWのプローブパワーでの変調深度は、300 Wcm-2のポンプパワー密度で波長559 nmのチャネル1で約94%、同様に波長559 nmのチャネル2で約83.5%に達します。 500 Wcm-2 ポンプパワー密度で 619 nm。 導入された 2 チャネル全光変調器は、変調プロセス中に 2 つの波長で同時に動作でき、制御光からの両方の信号を通じて情報を送信できます。 このアプローチは、暗視カメラの熱画像、波長逆多重化、信号処理、フリー宇宙コミュニケーション。

インターネットが世界中で一般に利用可能になった 1993 年以来、膨大な量のデータを送信する需要が高まり続けています。 自然の伝送媒体を使用する光ファイバー ネットワークは広い帯域幅を利用できるため、標準のシングルモード ファイバーの帯域幅は最大 25 THz であり、非常に高いビット レートが必要です。 現在、世界中の光ファイバー ネットワークは 40 Gbps のビット レートで動作しており、最先端のテクノロジーは常にビット レートと高速性の向上に向けて進んでいます 1、2。 したがって、高速光通信技術と信号処理は主に光変調器と呼ばれるデバイスに依存しています。 実際、変調器は他のコンポーネントと比較して光通信において重要な役割を果たします。 これらのコンポーネントを利用して、情報は何マイルも移動した後に光ビームで送信され、その後光ファイバーによって通信およびデータ共有ネットワークの中心に伝送されます3、4。 過去数年にわたって、光変調器はその広い帯域幅と低損失によりオプトエレクトロニクスおよびフォトニックデバイスにおいて重要な役割を果たし、光情報処理、光相互接続、パルスレーザーエンジニアリング、および環境センシングにおいて多大な発展を遂げました5,6。 7、8、9。

全光変調器（AOM）は、高ビットレート変調を実現するための最も有望な候補である可能性があり、光は光によって変調され110、11、12、13、電気光学変調と比較して全光信号処理において独自の利点を持っています。または音響光学変調14、15。 最近、全光変調により、従来の光スイッチングにおける光と電気の間の変換プロセスが不要になるため、高速フォトニックネットワークが可能になる可能性があります4,10。 AOM は、その広帯域幅、高速応答、コンパクトなサイズで広く検査されており、外部の熱、電子、その他の影響を及ぼさずに光信号をフォトニック領域で変調できます 5、8、9。 AOM の進歩は、性能速度の向上だけでなく、現在の MIR 検出技術に基づいたブロードバンド自由空間通信、変動のない大気イメージング、超高速飛行時間検出などの新しいアプリケーションの提供も目標としています16。 、17．

光を能動的に制御するために、半導体量子ドット (QD) を適用することにより、数多くの興味深い応用がなされてきました 4、10、18。 最近、通信波長における AOM に関する研究が徹底的に開発され、この分野で顕著な進歩が見られました。 この目的を達成するために、波長 515 nm の制御光と 1426 nm の信号光の間の効率的な相互作用に基づく AOM の実験的実証が、これらを共伝播する表面プラズモン ポラリトン (SPP) に変換することによって達成されました。 CdSe QDの薄層。 高い SPP 電界閉じ込めと高い QD 吸収断面積により、低パワー密度 (約 100 Wcm-2) および約 25 MHz の変調周波数での光変調が観察されました 13。 この波長範囲で変調深度（MD）と変調周波数を促進するために、CdSe-QDsドープガラスに基づくAOMを設計する新しい手順も仮説的に報告されており、その波長で強力な（560Wcm−2）ポンプ光が使用されます。 460 nmの波長を使用して、96%のMDおよび70 GHzの変調周波数で1522 nmの信号光を変調しました4。 光制御光操作の開発における 2D 材料のユニークな光学特性のおかげで、波長 1550 nm の信号光が照射された場合、MD が 38%、変調周波数が 200 MHz のグラフェン被覆マイクロファイバー AOM を実験的に実現できます。 1064 nm の光で制御されます19。 さらに、MXene に基づく空間相互位相変調法を使用する AOM が設計されており、波長 671 nm の強力な制御光（〜 40 Wcm−2）を利用して、532 nm の別の弱い信号光を変調します20。

これまでのところ、シリコン光変調器の分野におけるほとんどの成果と研究者の研究は、通信波長の範囲に焦点を当ててきました。 中赤外 (MIR) から遠赤外 (FIR) の波長領域は、その大きな可能性と市場での大きな勧誘にもかかわらず、あまり注目されていません 16,21。 自由空間通信、セキュリティ対策、熱画像などの MIR の最も著名な用途は、3.5 μm ～ 5 μm の波長範囲における地球大気の高い透過率を利用しています。 波長が長いため、近赤外 (NIR) や可視光に比べて散乱が少なくなり、H2O や CO2 分子の活発な振動遷移が保証されないため、気候条件による影響を無視してリモートで感知および検出できるようになります 16,22。 この方向では、MIR波長範囲（2〜3μm）で60％のMDを備えたシリコン導波路上のゲルマニウムからなる50MHzのAOMが実証されました23。 さらに、シリコン製の光学膜を使用することにより、3.8 mJ/cm2 のポンプフルエンスを使用して MD が 80% に向上し、4 μm から 6 μm の範囲の MIR で動作する AOM が理論的に提示されています16。 新たに、熱光学効果に基づくNb2CPVA膜によって支援された炭化ニオブ(Nb2C)2チャネルAOMが実験的に設計された。 研究成果では、Nb2C AOMが波長980 nmと793 nmの制御光から2つの通信波長1.5 μmと2.0 μmの信号光までの光データをそれぞれ送信することに成功したことが示されています。 このシステムの MD は 23.3% で、最高変調周波数は 5 KHz であり、低速かつ低い MD24 を提供します。

コロイド量子ドット（CQD）のような溶液処理された材料は、より高い吸収、室温処理、低コストの製造、およびリジッドまたはフレキシブル基板上での大面積製造の容易さをもたらします25、26、27、28。 溶液処理されたCQDを考慮して、この論文では、2つの強い制御可視光によって同時にMIRスペクトル領域で2つの弱い信号光を制御することを達成する、高速かつ高コントラストの2チャネルAOMの新しい設計が提案されました。 量子ベースのシステムでは、量子サイズ効果によって QD の光吸収スペクトルを幅広く制御して、調整可能な吸収を実現できます 25,29。 そこで、導入した2チャンネルAOMでは、2つのサイズのQDを調整して可視光の2波長をポンプ信号として吸収し、MIRスペクトルの2波長をそれぞれプローブ信号として変調します。 この 2 チャネル変調器の最も有望な側面の 1 つは、変調プロセス中に 2 つの波長で同時に実行できることです。

最後に重要なことですが、2 チャネル AOM は最大 50 GHz の高周波で動作でき、80% を超える高い MD を提供し、以前に報告された研究よりもはるかに優れたパフォーマンスを発揮します。 したがって、この変調器は、暗視カメラの熱画像処理、波長逆多重化（WDM）、信号処理などを含む多くのアプリケーションで利用できます。さらに、提案されているAOMは、マルチチャネル変調を実現するために、より多くのサイズのQD向けに開発される可能性があります。

本研究では、溶液プロセス技術により合成された2つの異なる量子ドット群を利用した、高速かつ高コントラストの2チャンネルAOMを提案しました。 提案された 2 チャネル AOM の概略図を図 1A に示します。ここでは、ポンプ信号とプローブ信号が 2 つの異なるチャネルを介して適用されます。 変調器を設計するためのすべての基準の中で、吸収体としてナノマテリアルを選択することが重要です。

提案された 2 チャネル AOM の概略図。 (A) 2 つのサイズの QD コア/シェル CdSe/ZnS 構造のアレイの概略図。 (B) キャリア吸収、再結合プロセス、および 2 つのサイズの QD への蛍光共鳴エネルギー移動 (FRET) を含む、提案された構造のエネルギー バンド図。

したがって、2チャネル変調を実現するには、可視光吸収体としてZnSシェルで囲まれた2つの異なるサイズのCdSe QDのアレイを含むコア/シェル構造を利用し、半径R1とR2をランダムかつ不規則に配置し、チャネルに対応させます。それぞれ -1 (緑の QD) とチャネル 2 (赤の QD)。

伝導帯と価電子帯の基底状態間のキャリア遷移は、変調プロセスにおいて重要な役割を果たします4。 559 nm (緑) と 619 nm (赤) の波長を持つ変調されたポンプ信号を含む 2 つのレーザー ビームが情報信号として適用され、また、これらの波長のプローブ信号を含む 2 つの連続波 (CW) レーザー ビームが情報信号として適用されます。それぞれ R1 = 2 nm と R2 = 2.8 nm の QD 半径に設定された 3 μm と 5 μm (MIR スペクトル) を同時に適用します。

緩和時定数を考慮した吸収と再結合のプロセスを図 1B に示します。 この図に示すように、エネルギー バンド図には、伝導帯の基底状態 (GSc)、伝導帯の励起状態 (ESc)、価電子帯の基底状態 (GSv)、および価電子帯の励起状態が含まれています。価電子帯 (ESv) は、2 チャネル AOM の性能を表すキャリアと光子のダイナミクスとともに、小さな緑色の QD (チャネル 1) と大きな赤色の QD (チャネル 2) に対応します。 各プローブ信号は、関連する QD グループ内の GSc から ESc へのサブバンド間遷移の結果として吸収されます。 ただし、対応する QD グループ内の GSv と GSc 間のバンド間吸収によりキャリアがポンプ信号によって励起されていた場合に限ります。 また、各QDグループのキャリアの緩和過程に関係する時定数を、図1Bにτegc（EScからGScまでの電子緩和時間）、τgev（GSvからESvまでの電子緩和時間）、τgrとして示します。 (GSc から GSv への電子再結合時間)、τer (ESc から ESv への電子再結合時間)、FRET メカニズムに関連する時定数は、τdown-trans-g(e) (GSc からの電子遷移時間) として示されます。チャネル 1 の (ESc) からチャネル 2 の GSc (ESc) まで) および τup-trans-g(e) (チャネル 2 の GSc (ESc) からチャネル 2 の GSc (ESc) までの電子遷移時間1)。

QDベースのシステムでは、キャリアの再結合寿命はナノ秒程度であり、これが高速デバイスの実現の障害となっています。 成長する溶媒に依存する電子緩和時間とは異なり、正孔緩和時間はナノ結晶の表面処理に依存しないことが確認されています30。 さらに、QD サイズの縮小による表面対体積比の増加により、緩和率が上昇し 31,32 、表面状態での高速なキャリア捕獲につながります。 QD サイズを小さくすることでエネルギー準位間の間隔が広くなったとしても、電子の再結合寿命は減少します 32。 したがって、τgr と τer の計算では、トラップ状態の電子の再結合時間を考慮し、これらの値をナノ秒からピコ秒​​に減少させて、高周波 2 チャネル AOM を求めます4,30,33。

システムの環境パラメータに関しては、入射光源の有効面積は 200 μm × 200 μm、温度は 300 K です。通常、レーザービームは、長さ L を通過するデバイスの側面に入射します。 . 変調器の表面に当たる光は単色です。

このセクションには 4 つのサブセクションが含まれています。 まず、2 チャネル AOM のモーダル解析では、3D シュレーディンガー方程式が解かれ、固有エネルギーと波動関数が得られます。 したがって、シミュレーションされた構造のエネルギーバンド図を作成して、吸収と再結合のプロセスをモデル化できます。 第二に、圧力や温度などの固有効果から生じる均一および不均一な広がりと、溶液プロセス法の結果としての QD サイズの不均一性が、サブバンド間およびバンド間の吸収係数に適用されます。 第三に、2 チャネル AOM で 2 つの異なるサイズの量子ドットを使用することによる蛍光共鳴エネルギー移動 (FERT) が 2 つの QD 間で発生します。 したがって、これらの遷移は結合速度方程式に含まれます。 第 4 に、2 チャネル AOM の性能を解析し、変調器の重要な要素を特徴付けるために、結合速度と伝播方程式を有限差分時間領域 (FDTD) 法によって解きます。

有効質量近似に応じて、GSc、ESc、GSv、および ESv の固有エネルギーと対応する波動関数は、表 1 で参照されるパラメーターを使用し、有限要素法に基づくソフトウェアを利用して 3D シュレディンガー方程式を解くことによって取得されます。シミュレーションされた構造を実際に設計されたデバイスに拡張すると、周期境界条件が適用されます。

システムのエネルギーバンド図を図 2A に示します。 緑と赤の線は、それぞれ緑と赤の QD グループの固有エネルギーに対応します。 図2Aが示すように、定義されたQDのGSvとGScの差は、半径R1のチャネル1では約2.2eV、半径R2のチャネル2では約2eVであり、光ビームのバンド間吸収に合わせて適切に調整されています。それぞれ緑と赤の波長で。 また、GSc と ESc の差は、チャネル 1 では 0.4 eV、チャネル 2 では 0.25 eV であり、それぞれ 3 μm と 5 μm の波長のサブバンド間吸収に適しています。 各QDグループのGScに従って3D計算された波動関数を図2B、Cに示します。 さらに、xy 平面での 3D プロットの断面が指定され、メイン モードの GSc と ESc の波動関数が図 2B、C のチャネル 1 とチャネル 2 に対して示されています。

2チャンネルAOMのモーダル解析。 (A) CdSe/ZnS コア/シェル 2 チャネル AOM のバンド構造。これは、定義された QD の価電子帯と伝導帯の基底状態の差が、チャネル 1 で約 2.2 eV、チャネル 2 で約 2 eV であることを示しています。 、伝導性バンドの基底状態と励起状態の差は、チャネル 1 で 0.4 eV、チャネル 2 で 0.25 eV です。 (B) FEM ソフトウェアで 3D シュレディンガー方程式を解くことによってシミュレートされた CdSe QD の波動関数。 x-y 平面での 3D コア/シェル構造の断面が指定され、メイン モードの GSc s (左) と ESc s (右) の波動関数がチャネル 1 について、(C) がチャネル 2 について示されています。

変調器の場合、評価基準には、MD、変調周波数、製造コスト、スイッチングエネルギー、デバイスサイズ、製造難易度、電子技術または光技術とのデバイス互換性などが含まれます4。 このセクションでは、提案された構造の MD に対する均一ブロードニング (HB) と不均一ブロードニング (IHB) の影響について詳細に説明します。 さらに、ポンプ パワー、プローブ パワー、およびポンプ周波数の関数としての MD がレート方程式を通じて計算され、その結果がシミュレーション結果のセクションに示されています。

溶液プロセス法は、低コストの製造、より高い吸収、および制御可能な実験条件を備えた単純な化学システムを提供するため、合成条件の無視できるほどの制限により、量子ドットの正確なサイズを達成することは制限されています34、35、36、37。 したがって、所望の波長に関連する各 QD グループのサイズは、半径の中心値から逸脱する可能性があり、その結果、IHB と呼ばれるエネルギー レベルの分布が生じます。 MD の吸収スペクトルに対する QD サイズの不均一性の影響を考慮して、エネルギー レベルの IHB は、QD アンサンブルがエネルギー間隔 ΔE= の同一ドットの 2M + 1 グループに分割されるガウス関数によってモデル化されます。 1meV38,39,40,41。

ここで、\(E_{0,i}^{p}\) は、最も可能性の高いサイズの QD (M + 1 番目の QD グループ) のバンド間またはサブバンド間遷移エネルギー、n はアクティブな QD の数に関連するインデックスです。モードでは、i のインデックスはチャネル 1 では 1、チャネル 2 では 2 に等しく、ξ0 は全波半値 (FWHM) が 34,38 に等しい QD カバレッジです。 一方、すべての量子ドットに対する圧力や温度などの固有の効果は、すべてのグループに均一に影響を与えるエネルギー準位の HB につながります。 半導体における最も顕著な特性の 1 つは、励起子発光の HB の温度変化です。これは、励起子間の相互作用 (キャリア間)、フォノンキャリア散乱、格子振動モードに直接関連しているためです。 このような相互作用が線幅の温度依存性をもたらすことはよく知られています。 HB は、室温で 20 meV とみなされる FWHM として \(\Gamma_{HB}\) を使用するローレンツ関数によってモデル化されます 38,42。

広がりが得られることを考慮して、線形バンド間およびサブバンド間吸収係数は以下で計算されます。 適用されたポンプパワーから生じるバンド間吸収係数は、GSv から GSc への遷移を引き起こし、これは次のように達成されます 43。

同様に、印加されたプローブ電力から生じるサブバンド間吸収係数は、伝導帯 (GSc) の基底状態から伝導帯 (ESc) の励起状態への遷移につながり、44 によって得られます。

ここで、e は素電荷、c は自由空間の光速度、ε0 は自由空間の誘電率、ħ は換算プランク定数、\(\varepsilon_{QD}\) は CdSe QD の誘電率、ε は誘電率です。 ZnS の定数、\(V_{QD,i}\) は関連する単一 QD の体積です。 \(| < \Psi_{g,i}^{v} |\widehat{e}.\widehat{r}|\Psi_{g,i}^{c} > |\) および \(| < \Psi_{g,i}^{c} |\widehat{e}.\widehat{r}|\Psi_{e,i}^{c} > |\) は、それぞれ、次のバンド間およびサブバンド間の遷移双極子モーメントです。 \(\Psi_{g(e)}^{v(c)}\) を図 2 に示します。入射光の偏光は、CdSe QD の最大サブバンド間双極子モーメントが得られる 45 度に設定されています。 。

蛍光 (またはフェルスター) 共鳴エネルギー移動 (FRET) は、ドナーとアクセプターの双極子モーメントの相互作用を介して、蛍光ドナーから低エネルギーのアクセプターへの非放射エネルギー移動プロセスです。 このメカニズムは、半導体量子ドット (QD) の多くのアプリケーションにおいて特に注目して研究されています。 名目上均質な量子ドット集団内の FRET の基礎と、2 つの異なる色の量子ドット間のエネルギー移動について議論されています 46。 提案された 2 チャネル AOM では、2 つの異なるサイズの QD を使用するため、この遷移プロセスは、 :

ここで、\(V_{eff}\) は 2 つのサイズの QD の実効体積、\(n_{r}\) は QD の屈折率、\(E_{12}^{l} = E_{1} ^{l} - E_{2}^{l}\)。 2 つのサイズの QD 間の遷移の時定数は \(\tau_{up(down)\_trans}^{l} = 1/W_{12,n}^{l}\) によって計算され、結合速度方程式に含まれます。 。

ほとんどの光電子デバイスの性能は、通常、結合速度方程式を解くことによって解析されてきました。 この目的を達成するために、提案された 2 チャネル AOM の特性は、ポンプ ビームとプローブ ビームの伝播方程式とともに、開発された結合速度方程式を利用して計算されました。 CW プローブ信号とポンプ信号のガウス パルス列が z = 0 で印加され、z 方向に沿って伝播されることを言及しておくと良いでしょう。 出力信号は z = L で計算されます。したがって、2 チャネル AOM の展開された速度方程式と伝播方程式は次のように表されます。

ここで \(n_{{g_{n,i} }}^{c}\)、\(n_{{e_{n,i} }}^{c}\)、\(n_{{g_{n, i} }}^{v}\) と \(n_{{e_{n,i} }}^{v}\) は、それぞれ GSc、ESc、GSv、ESv の電子の数です。 さらに、\(P_{m,i}^{pump}\) と \(P_{m,i}^{probe}\) は、それぞれポンプ信号と CW プローブ信号の光パワーです。 対応するキャリア占有確率は \(f_{{g_{ni} }}^{c}\)、\(f_{{e_{ni} }}^{c}\)、\(f_{{g_それぞれ {ni} }}^{v}\) と \(f_{{e_{ni} }}^{v}\) です。 また、電子の数は、\(n_{{g_{n,i} }}^{c(v)} (z,t) = f_{{g_{n,i} }} として、対応する占有確率に関連付けられます。 ^{c(v)} (z,t)N_{{G_{i} }}^{c(v)}\), \(n_{{e_{n,i} }}^{c(v) } (z,t) = f_{{e_{n,i} }}^{c(v)} (z,t)N_{{E_{i} }}^{c(v)}\)。 すべての時定数は、「提案された 2 チャネル AOM」セクションで詳しく紹介されています。 さらに、伝導帯および価電子帯における電子脱出プロセスの時定数は次のように得られます。

ここで \(\Delta E_{{_{eg} }}^{c(v)}\) は ESc(v) と GSc(v) の間のエネルギー間隔です47,48,49。 さらに、\(D_{g}^{c(v)}\) と \(D_{e}^{c(v)}\) は、伝導と価電子における基底状態と励起状態の電子縮退です。バンドはそれぞれ \(D_{g}^{c} = 2\)、\(D_{e}^{c} = 6\)、\(D_{g}^{v} = 2\ によって決まります) )、および \(D_{e}^{v} = 6\)50。 各状態 GSc、ESc、GSv、ESv の電子の総数は \(N_{{G_{i} }}^{c(v)} = N_{QD,i} V_{d} で示されます。 D_{g}^{c(v)}\), \(N_{{E_{i} }}^{c(v)} = N_{QD,i} V_{d} D_{e}^{c (v)}\)、ここで、Vd は活性領域の体積、NQD,i はそれぞれチャネル 1 と 2 に対応する QD 密度です。

2 チャネル AOM は、改善されたレートと伝播方程式を解くことによって特徴付けられます。 (7-14)。 したがって、構造の活性領域はz方向に100の部分に分割され、各部分は時間領域で完全に解析されます。 必要なパラメータと時定数を表 2 に示します。その後、キャリア密度のダイナミクスと、各領域のポンプおよびプローブ信号の光パワーが計算されます。 このプロセスは、最後の領域の終わりまで続きます。 さらに、合計のバンド間およびバンド内吸収係数は次のように取得できます。

チャネル 1 とチャネル 2 の両方の CW 入力プローブ電力は 3 mW に等しく、両方とも 2 つのポンプ信号によって変調されます。入力振幅はチャネル 1 とチャネル 2 でそれぞれ 120 mW と 200 mW です。 。 パルス幅 100 fs の入力ガウス パルス列が 50 GHz の周波数で適用されます。 ポンプの最初のパルスが変調器に印加されると、GSv レベルの電子の数が減少します。 対照的に、GSc 準位の電子の数はバンド間吸収により増加します。 プローブ信号として波長 3 μm をチャネル 1 に同時に印加し、同時にプローブ信号の波長 5 μm をチャネル 2 に印加し、いずれも GSc レベルからのサブバンド間吸収が行われます。 EScに。

全バンド間およびサブバンド間の吸収スペクトルは、式 (1) および 2) を使用して取得されます。 (16,17)、図 3A では、t = 12 ps でポンプ パルスを印加する前の、チャネル 1 およびチャネル 2 の t = 11 ps で実証されており、濃い緑色と濃い赤色の破線で示されています (チャネル 1 とチャネル 2 については、それぞれバンド間スペクトル）と、薄緑色と薄赤色の破線（サブバンド間スペクトル）が表示されます。 ポンプ信号が存在しない結果として GSc にキャリアが不足しているため、サブバンド間の総吸収は両方のチャネルで無視できることが明らかに示されています。 さらに、t = 12 ps（周波数50 GHzのガウスポンプを適用した場合）での全バンド間およびサブバンド間吸収スペクトルが、図3Aに濃い緑色の実線と濃い赤色の実線（バンド間スペクトル）および薄緑色の実線と明るい実線で示されています。それぞれチャンネル 1 とチャンネル 2 の赤い線 (サブバンド間スペクトル)。 ポンプ信号を適用すると、総サブバンド間吸収係数が増加します。 さらに、チャネル 1 とチャネル 2 の合計バンド間吸収とサブバンド間吸収のダイナミクスをそれぞれ図 3B、C に示します。 最後に、図 3D では、50 GHz の周波数でポンプ パルス列を適用した後の出力変調プローブ電力が示されています。入力 CW プローブ電力は、チャネル 1 とチャネル 2 の両方で 3mW です。

2チャンネルAOMのパフォーマンス。 (A) ポンプパルスを適用する前後のチャネル 1 とチャネル 2 の合計バンド間およびサブバンド間吸収係数スペクトル、(B) および (C) チャネル 1 とチャネル 2 の合計バンド間およびサブバンド間吸収係数のダイナミクス、それぞれ、(D) 周波数 50 GHz のポンプ パルス列を適用することにより、入力 CW プローブ電力がチャネル 1 およびチャネル 2 で 3 mW である出力変調プローブ電力。

変調器の特性における最も重要な要素の 1 つは変調の深さです。変調の深さは、変調が操作されたときのプローブ信号の振幅の変化として定義されます。 ポンプ信号が変調器に印加されると、同時に印加されたプローブ信号が吸収され始め、その直後にプローブ電力が吸収され、出力信号は「オフ」状態になります。 ポンプがオフになると、バンド間吸収プロセスが遅くなるため、プローブの電力は完全には吸収されず、出力プローブは「オン」になります。 そのため、情報信号（ポンプパワー）が変化するとプローブパワー（搬送波）の振幅も変化し、その振幅の最も大きな変化が変調処理のMDとして指定されます。 MD は、「オン状態」の出力電力と「オフ状態」の出力電力の差によって計算され、51、52 ​​として得られます。

周波数 50 GHz での MD とポンプ パワー密度の関係、およびチャネル 1 (緑の実線) とチャネル 2 (赤の実線) の両方のプローブ パワー 3 mW が、さまざまな FWHM 値に対して示されています。図 4A ～ C の IHB。 ポンプパワーを高めることにより、GSc でのキャリア数が増加し、MD が増加したことが観察されます。 ただし、ポンプパワーがより大きな値になると、MDは飽和します。 言い換えれば、GSc レベルが完全に満たされているため、この増加後の MD はポンプパワーの影響を受けません。 \(\Gamma_{IHB}\) が増加すると (IHB 効果)、MD 値が減少することも観察されます。 ただし、\(\Gamma_{IHB}\) を増加すると、溶液プロセス法による製造プロセスの精度が低下するのと同等になり、両方のチャネルのパフォーマンスを同時に許容でき、60% を超える MD を達成できます。 図4A〜Cに示す得られた結果に基づくと、QDの中心半径に対する半径方向の分布が大きいほど、MDは低くなります。 最後に、図4Bによれば、最適な変調のために、ポンプパワー密度は300 Wcm−2と500 Wcm−2に設定され、\(\Gamma_{IHB}\)はチャネル1とチャネルに対して15 meVと10 meVとみなされます。それぞれ -2。

ポンプとプローブの電力に対する MD の依存性。 (A) チャネル 1 とチャネル 2 の両方について、50 GHz の周波数および 3 mW のプローブ電力での入力ポンプ電力密度の関数としての MD。 IHB の FWHM は、チャネル 1 およびチャネル - について、ΓIHB1 = 10 meV、ΓIHB2 = 5 meV、(B) ΓIHB1 = 15 meV、ΓIHB2 = 10 meV、および (C) ΓIHB1 = 20 meV、ΓIHB2 = 15 meV と仮定されます。それぞれ2。 (D) チャネル 1 とチャネル 2 のそれぞれ 300 Wcm-2 と 500 Wcm-2 の固定ポンプ パワー密度、およびチャネル 1 とチャネル 2 の両方の周波数 50 GHz における入力プローブ パワー値の関数としての MDチャンネル2。 IHB の FWHM は、チャネル 1 およびチャネル - について、ΓIHB1 = 10 meV、ΓIHB2 = 5 meV、(E) ΓIHB1 = 15 meV、ΓIHB2 = 10 meV、および (F) ΓIHB1 = 20 meV、ΓIHB2 = 15 meV と仮定されます。それぞれ2。

図 4D–F は、周波数 50 GHz、チャネル 1 とチャネル 2 のそれぞれ 300 Wcm-2 と 500 Wcm-2 のポンプ電力密度における、異なる入力プローブ電力の関数として MD を示しています。 この図は、入力プローブの電力を増加させることによって MD を増加できることを示しています。 しかし、図に示すように、閾値パワーからプローブパワーをさらに増加させると、MDは減少します。 これは、プローブパワーが増加すると、より多くのキャリアがサブバンド間で吸収され、ESc がその飽和値に達する (完全に満たされない) まで、この手順により MD が増加するためです。 しかし、EScの飽和後はサブバンド間吸収の過程が減少するため、プローブパワーを増加させると吸収が増加しないだけでなく、逆にプローブ信号が吸収されずに出力に伝達され、これが減少します。 MD。 図 4D–F に示すように、MD はさまざまな \(\Gamma_{IHB}\) のプローブ出力に従ってプロットされており、 \(\Gamma_{IHB}\) が増加するにつれて MD が減少することがわかります。 最後に、最適な変調のための図 4E によれば、プローブ電力は両方のチャネルで 3 mW に設定され、\(\Gamma_{IHB}\) はチャネル 1 とチャネル 2 でそれぞれ 15 meV と 10 meV とみなされます。

結局のところ、製造手順の精度を下げることが製造コストの削減につながるという事実に注意を払う必要があります。 したがって、高 MD と低コスト製造の間のトレードオフとして、\(\ の場合、両方のチャネルのプローブ電力の値は 3 mW、ポンプ電力密度の値は 300 Wcm−2 と 500 Wcm−2、15 meV と 10 meV になります) Gamma_{IHB}\) は、それぞれチャネル 1 とチャネル 2 に選択されます。

図 5A ～ C では、異なるポンプ パルス周波数での出力変調プローブ パワーと MD が、左の列にチャネル 1 について、右の列にチャネル 2 についてプロットされています。 変調周波数を増加させると、プローブ電力信号の MD および PON と POFF の間のダイナミック レンジが減少することが示されています。

適用されるポンプ電力の周波数に対する MD の依存性。 (A) さまざまな周波数での出力変調プローブ電力。これは、変調周波数を増加させると、プローブ電力信号の MD および PON と POFF の間のダイナミック レンジが減少することを示しています。 (B) チャネル 1 についてはそれぞれ 300 Wcm-2 と 500 Wcm-2、(C) チャネル 2 については 500 Wcm-2 のポンプ電力密度、および両方のチャネルのプローブ電力が 3 mW の場合のポンプ電力周波数の関数としての MD -1 とチャンネル -2。

図5Aに示すように、チャネル1ではFRETプロセスにより伝導帯のキャリアが下降するため、プローブ電力が完全に吸収されず、出力プローブ電力は完全に「オフ状態」になりません。 したがって、出力プローブ信号は、「オフ状態」の最小値よりも大きな振幅を持ちます。 逆に、チャネル 2 では、FRET プロセスにより伝導帯のキャリアが上昇するため、システムがフルに到達するのに十分な時間がないため、プローブ電力が完全に通過できず、出力プローブ電力が完全に「オン状態」になりません。回復時間。 その結果、出力プローブ信号の振幅は「オン状態」の最大値よりも小さくなります。

入力ポンプパワー密度を増加させると、非線形現象である二光子吸収が発生し、ポンプによるプローブの吸収が防止されることに注意してください。 したがって、QD は入力ポンプ信号またはプローブ信号に対して透明になり、プローブの電力が吸収されなくなります。 その結果、実質的に帯域間および帯域内吸収に基づく変調器の性能が完全に破壊されてしまいます。 提案されたデバイスに適用される最大電力密度は 600 Wcm-2 に制限されています 13。

この論文では、溶液処理された CdSe/ZnS QD 構造に基づいて 2 チャネル AOM を設計するための新しいモデルが紹介されました。 量子ベースのデバイスの量子サイズ効果により、調整可能な吸収スペクトルを実現できるため、この AOM は 2 つのサイズの QD に対してモデル化され、MIR スペクトルの 2 つの波長 (3 μm と 5 μm) を変調します。 提案された 2 チャネル AOM は、均一および不均一な広がりを考慮して、結合速度および伝播方程式のフレームワークでモデル化されています。 提案された AOM の MD は、50 GHz の周波数で 300 Wcm-2 と 500 Wcm-2 のポンプパワー密度の場合、チャネル 1 とチャネル 2 でそれぞれ約 94% と 83.5% で得られることが示されています。はチャンネル 1 とチャンネル 2 に適用され、入力プローブ電力は両方のチャンネルで 3 mW です。 シミュレーション結果は、IHB を増加させると MD が減少することを示しているため、より高い精度と分解能で QD を合成することにより、IHB 効果を可能な限り低減することが重要です。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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ハンナネ・ドルタージ、モハマド・ファラジ、サミエ・マトローブ

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SM は、解決プロセスを考慮して 2 チャネル全光変調器の概念を考案し、提案された構造の理論モデリングを開発しました。 HD と MF でシミュレーションを実行しました。 著者全員が原稿を書きました。

サミエ・マトローブへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Dortaj, H.、Faraji, M.、Matloub, S. 溶液処理された CdSe/ZnS 量子ドットに基づく、高速かつ高コントラストの 2 チャネル全光変調器。 Sci Rep 12、12778 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-17084-4

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受領日: 2022 年 3 月 30 日

受理日: 2022 年 7 月 20 日

公開日: 2022 年 7 月 27 日

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