Δυναμική της πόλωσης σε ημιαγωγικά λέϊζερ κβαντικών τελειών καθέτου εκπομπής και εφαρμογές

• Κύριος συγγραφέας: Γεωργίου, Παναγιώτης
• Άλλοι συγγραφείς: Georgiou, Panagiotis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Μέγιστος εκθέτης Lyapunov; Θεωρία διακλαδώσεων; Μη-γραμμικά δυναμικά συστήματα; QD spin VCSELs

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε υπολογιστικά η δυναμική της πόλωσης του εκπεμπόμενου ηλεκτρικού πεδίου από καθέτου εκπομπής σπιν δομές κβαντικών τελειών (QD spin-VCSEL), όπου η διαμόρφωση και ο έλεγχος του σπιν των εγχεόμενων φορέων επιτυγχάνεται μέσω οπτικής άντλησης. Η καινοτομία ως προς την μελέτη αποτέλεσε η εισαγωγή ενός διεγερμένου ενεργειακού επιπέδου στο ενεργό μέσο της συσκευής το οποίο αποτελείται από κβαντικές τελείες, δηλαδή εκπομπή ακτινοβολίας δυο διαφορετικών μηκών κύματος. Η μαθηματική περιγραφή της εισαγωγής του σπιν στους φορείς αλλά και της σύζευξης μεταξύ αριστερόστροφης και δεξιόστροφης πόλωσης του φωτός έγινε με βάση του μοντέλο Spin-Flip. Δεδομένου ότι τα ημιαγωγικά laser εμφανίζουν μη γραμμικότητες ως προς την δυναμική τους, για την περιγραφή τέτοιων φαινομένων εισήχθη στην μαθηματική ανάλυση του μοντέλου ο μέγιστος εκθέτης Lyapunov (LLE), ένα μαθηματικό εργαλείο για την ανάλυση χαοτικών φαινομένων που σε αντίθεση με άλλες τεχνικές που χρησιμοποιούνται ευρέως από την επιστημονική κοινότητα παρέχει την δυνατότητα της ποσοτικοποίησης του χάους. Η έρευνα διαχωρίζεται σε δυο μέρη, στο πρώτο μέρος μελετήθηκε η δυναμική μιας μεμονωμένης συσκευής, ενώ στο δεύτερο η αλληλεπίδραση δυο πανομοιότυπων QD spin VCSEL μέσω οπτικής έγχυσης. Αρχικά, στο πρώτο μέρος μελετήθηκε η επίπτωση που έχει ο υπολογιστικός χρόνος ολοκλήρωσης στην σταθεροποίηση της τιμής του LLE. Εν συνεχεία η ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε με την βοήθεια του LLE την ύπαρξη συμμετρίας ως προς τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της δυναμικής αλλά διαφοροποίηση στα ποσοτικά χαρακτηριστικά της δυναμικής των δυο μηκών κύματος, με τις δυο χαρακτηριστικές εκπομπές να εμφανίζουν διαφορετική χαοτικότητα. Στο δεύτερο μέρος, η μελέτη της αλληλεπίδραση δυο συσκευών μέση οπτικής έγχυσης σε αρχικό στάδιο έδειξε ότι τέτοιου είδους συσκευές είναι ικανές να επιτύχουν injection locking. Επιπρόσθετα, η υπολογιστική επίλυση των εξισώσεων έδειξε την δυνατότητα των QD spin-VCSEL δύο μηκών κύματος να επιτυγχάνουν την εναλλαγή πόλωσης (polarization switching) και εναλλαγή μήκους κύματος (wavelength switching) με την ταυτόχρονη εμφάνιση spikes στις χρονοσειρές (timeseries). Τα προαναφερθέντα αποτελούν σημαντικά φαινόμενα στον τομέα των Νευρομορφικών Φωτονικών (Neuromorphic Photonics).