Nonlinear and Nonequilibrium Dynamics of Quantum-Dot Optoelectronic Devices

این پایان‌نامه دینامیک منحصربه‌فرد دستگاه‌های اپتوالکترونیکی مبتنی بر نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا را روشن می‌کند. فرآیندهای پراکندگی پیچیده درگیر در پر کردن حالت‌های نقطه کوانتومی فعال نوری و وجود شرایط غیرتعادلی حامل بار به عنوان منابعی برای رفتار دینامیکی متمایز دستگاه‌های مبتنی بر نقطه کوانتومی شناسایی می‌شوند. مدل‌های نظری جامع، که امکان توصیف دقیق چنین دستگاه‌هایی را فراهم می‌کند، ارائه شده و برای مشاهدات تجربی اخیر اعمال می‌شود. حساسیت کم لیزرهای نقطه کوانتومی به اغتشاشات نوری مستقیماً به دینامیک حامل بار منحصر به فرد و جفت شدن دامنه-فاز آنها نسبت داده می شود، که مشخص می شود با رویکردهای معمولی به طور دقیق توصیف نمی شود. پتانسیل تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی کوانتومی برای کاربردهای جدید مانند تقویت همزمان چند حالته، تبدیل طول موج فوق‌العاده، و شکل‌دهی پالس منسجم بررسی شده‌است. مکانیسم‌های پراکندگی و ساختار الکترونیکی منحصربه‌فرد نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا، چنین دستگاه‌هایی را به عنوان کاندیدهای اصلی برای اجرای نسل بعدی برنامه‌های اپتوالکترونیکی می‌سازد، که می‌تواند شبکه‌های مخابراتی نوری را به طور قابل‌توجهی ساده‌سازی کند و طرح‌های جدید انتقال داده را با سرعت بالا باز کند. /p>

This thesis sheds light on the unique dynamics of optoelectronic devices based on semiconductor quantum-dots. The complex scattering processes involved in filling the optically active quantum-dot states and the presence of charge-carrier nonequilibrium conditions are identified as sources for the distinct dynamical behavior of quantum-dot based devices. Comprehensive theoretical models, which allow for an accurate description of such devices, are presented and applied to recent experimental observations. The low sensitivity of quantum-dot lasers to optical perturbations is directly attributed to their unique charge-carrier dynamics and amplitude-phase-coupling, which is found not to be accurately described by conventional approaches. The potential of quantum-dot semiconductor optical amplifiers for novel applications such as simultaneous multi-state amplification, ultra-wide wavelength conversion, and coherent pulse shaping is investigated. The scattering mechanisms and the unique electronic structure of semiconductor quantum-dots are found to make such devices prime candidates for the implementation of next-generation optoelectronic applications, which could significantly simplify optical telecommunication networks and open up novel high-speed data transmission schemes.