一、单量子点微腔激光器的理论研究（论文文献综述）
祝莉娜[1]（2021）在《1.3微米波段硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点微环激光器及其集成结构的设计优化研究》文中研究指明随着通信技术和微电子工艺的发展,高吞吐量系统不断增长的需求成为现代数据中心和数据行业的一大难题。以硅光子技术为基础的硅基光互连具有低成本、低功耗且与标准互补金属氧化物半导体工艺兼容的优点,是实现高吞吐量系统的最有前途的方法之一。近年来,实现硅基片内光互连的关键是发展低功耗、低阈值的微型激光器,1.3微米波段的硅基InAs/GaAs量子点激光器凭借工作寿命长、效率高以及阈值电流低等优点成为研究的热点。在硅基激光器片上集成的方式中,硅基单片集成相比于混合集成方式具有较低的封装成本,并且能够与硅光子工艺同步缩小线宽,有利于实现高集成度、可靠的光互连系统。此外,硅基光电集成的规模化发展对激光器的体积以及功耗也提出了非常高的要求。回音壁模式微腔激光器如微盘、微环激光器等利用弯曲边界上的全内反射效应实现了对光的强限制,有利于实现低阈值、小体积、高集成度的片上集成光源,具有非常广阔的应用前景。然而,完整回音壁模式微腔激光器中存在多个模式,不容易实现单模激射,并且微腔边界的圆对称性和全内反射效应限制了激光的定向输出,不能满足光电子信息领域对半导体激光器的输出光功率的要求。基于上述研究背景,本论文开展了1.3微米波段硅基单片集成III-V族量子点微环激光器及其集成结构的设计和优化研究,具体工作及研究成果如下:（1）提出了一种连接III-V族径向波导的1.3微米波长直接外延硅基微环激光器结构。通过在微环腔边缘连接一个III-V族径向波导,打破了圆形微腔中光发射的各向同性,提高了微腔激光器的单向发射性,并且微环内壁的引入对腔内一系列谐振模式有较好的抑制作用。基于三维时域有限差分法分析了微环激光器的光学模式,并且优化了激光器的材料结构和器件结构,得出当微环腔外半径为3.5 μm,微环宽度为1.0 μm,材料包层厚度为1.5 μm,器件刻蚀深度为3.735 μm以及波导宽度为0.5 μm时,微环激光器能够在1302.43 nm波长处实现品质因子高达20093.6的单模激射,并且微环激光器与III-V族波导之间的光耦合效率约为47.8%。（2）提出了一种与锥形硅波导径向耦合的多波长硅基微环激光器阵列结构。多个微环激光器以相同的边缘间隔按一字排列,硅波导与激光器有源层对准且与微腔之间有一定的耦合间距。在固定微环宽度为1.0 μm的情况下,利用三维时域有限差分法研究了微环半径对模式波长的影响,得到当微环外半径为2.7～3.9 μm时,模式波长范围为1289.29～1307.28 nm,波长间隔均约为3 nm。此外,还对锥形硅波导的宽度、厚度进行了数值优化,得到当锥形硅波导输入和输出端口的宽度分别为1.0 μm和0.3 μm,波导厚度为0.435 μm,锥长为25 μm,耦合间距为0.1 μm时,外半径为3.5 μm、微环宽度为1.0 μm的微环激光器与锥形硅波导之间可实现约20%的光耦合效率。（3）提出了一种基于切角微环激光器与锥形硅波导的硅基片上集成方案。采用三维时域有限差分法对微腔的切口宽度进行了数值优化,得出对于外半径为3.5 μm,微环宽度为1.0 μm的微环激光器来说,当切口宽度为2.0 μm时,激光器能在1308.86 nm波长处实现品质因子高达1.9×105的单模激射,并且激光器沿切口方向具有较好的单向发射性,平面内的远场发散角约30°。此外,还研究了切角微环腔与锥形硅波导之间的耦合间距对光耦合效率的影响,得出当锥形波导输入端口为2.0 μm,锥长为25 μm,波导厚度为0.435 μm,耦合间距为0.1 μm时,光耦合效率为11.3%,同时在截面尺寸为435×300 nm的波导输出端口能够观察到基模。
罗娜娜[2]（2021）在《微腔耦合半导体量子点单光子源理论研究》文中进行了进一步梳理高品质、高效率的单光子源是实现量子信息通信技术的核心部件。半导体量子点有着“人造原子”的别称,具有高量子效率、高亮度、易于集成等优点从而成为制备单光子源的理想固态系统。受腔量子电动力学的影响,与腔耦合的半导体量子点单光子源的各项性能更是得到大幅度提升。本文以制备高效率的微腔耦合量子点单光子源为目标,计算分析了量子点能级结构,讨论了量子点的跃迁机制并基于腔量子电动力学得到了高效率半导体量子点单光子源的最优结果。本课题的主要研究内容如下:1、采用有效质量近似,基于薛定谔方程对AlxGa1-xAs/GaAs柱形量子点进行能级和跃迁分析。根据波函数在边界条件连续最终得到纵向和径向的电子和空穴本征能量的表达式。结果表明,量子点尺寸越小,周围AlxGa1-xAs材料铝组分越大,量子点能级越分立。本论文还提出可以用不同的钝化材料替换径向上的AlxGa1-xAs,利用钝化材料的良好绝缘性来消除柱形量子点的表面散射,从理论上计算了不同钝化材料对量子点能级的影响,并得到了无限深势阱下GaAs量子点横向尺寸小于7.35 nm。最后讨论了量子点中载流子在分立能级上跃迁发光的机制。这对制备高质量的量子点单光子源提供了理论指导。2、基于腔量子电动力学,考虑纯消相过程和腔内外损耗比,计算了任意失谐单模腔耦合的量子点单光子源的效率。结果表明:在失谐系统中存在一个最佳的内外腔损耗比以使单光子源的效率最大化;在适当的内外腔损耗比范围内,纯消相可以提高器件的效率。进一步研究了效率与温度的关系,发现通过适当的设计,高温下的效率可以高于低温下的效率。这对制备高效单光子源提供了重要的理论依据。
李儒颂[3]（2021）在《1.3μm高速光子晶体面发射激光器与拓扑面发射激光器研究》文中研究指明随着智慧城市、5G网络、人工智能、云计算和大数据中心等新一代信息技术的快速发展,网络数据流量在近年来呈现出指数增长趋势,促使光互连技术向更高速率、更大容量和更低功耗的方向发展。高速面发射激光器作为该领域关键核心器件,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。垂直腔面发射激光器（VCSELs）由于长波长DBR难以外延生长且具有较大的损耗和串联电阻,因而还难以满足应用需求。而光子晶体面发射激光器（PCSELs）具有大面积单模激射、任意光束整形与偏振调控、片上二维光束控制及波长易于拓展等多种突出功能,因此在实现光纤的两个低损耗传输窗口（1.31μm,1.55μm）更具优势。近年来,受凝聚态中拓扑相和拓扑相变概念的启发,基于拓扑能带论的拓扑光子学正在兴起,其中具有鲁棒性的拓扑腔面发射激光器（TCSELs）不仅拥有高光束质量的优点,而且可以产生携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束。OAM复用技术可极大提高光通信系统的信道容量,是未来通信技术的重要发展方向。本论文基于光子晶体对光子态的调控,结合光子晶体微腔与光子晶体带边激射原理设计出了具有异质光子晶体腔结构,为实现高速PCSELs提供了可行性方案,同时将具有拓扑性质的光子晶体引入面发射激光器中并通过合理的优化设计,以达到高速、大功率、低阈值、窄线宽和提高边模抑制比的目的,具有潜在替代现有VCSELs的优势。主要研究内容和创新成果如下:1.对PCSELs的带边激射原理和阈值增益进行了理论分析,并结合半导体激光器速率方程推导出了PCSELs的光功率公式,同时分析了二维光子拓扑绝缘体的边界态与拓扑相变机理,为研制高速PCSELs与TCSELs提供了理论基础。2.开展了高速双晶格PCSELs的理论研究。设计了增强面内光反馈的PCSELs,其谐振腔是由两种具有不同光子带隙的光子晶体组成的面内异质结构,除了利用光子晶体带边的光反馈外,还利用了两种光子晶体边界的反射,并通过调控其中双晶格光子晶体的两个空气孔间距来提高反向传播光之间的一维耦合系数,从而实现对激射模式的强面内限制。通过三维时域有限差分法（3D-FDTD）证实了我们所提出的异质PCSELs可以在较小的正方形区域内实现1.3μm单模激射,并可能实现大于30 GHz的3d B调制带宽。3.开展了基于Dirac点高速PCSELs的理论研究。通过调控光子晶体参数得到双Dirac锥形色散,设计了增强Dirac点面内反馈的PCSELs,并且由于在Dirac点态密度可以降为零,而自发辐射耦合系数?与态密度成反比,因此利用Dirac点作为带边激射,可有效提高PCSELs调制速率,通过3D-FDTD证实其是以四极模激射,在基于少模的空分复用系统中可能具有潜在的应用。4.开展了基于能带反转光场限制效应的高速拓扑体态面发射激光器的理论研究。拓扑谐振腔是由拓扑态光子晶体（R2=1.05R0）外围完整拼接与其带隙相当的拓扑平庸态光子晶体（R1=0.94R0）构成,在拼接的边界处会产生光场的反射和限制效应,通过3D-FDTD证实其可在较小的正六边形区域内实现1.3μm低发散角单模激射。此外,该拓扑体态面发射激光器由于能带反转引起的反射只发生在靠近布里渊区中心附近的一个很小的波矢范围,因此限制了能够获得有效反馈的模式数目,这种模式选择机制与带边模式PCSELs完全不同,更有利于实现单模面发射,在高速光通信领域中的应用将更具有优势。5.开展了高速Dirac涡旋腔面发射激光器的理论研究。通过对正常蜂窝光子晶体超胞应用广义的Kekulé调制和收缩操作,然后将它们完整拼接得到异质Dirac涡旋腔（具有鲁棒的中间带隙模）,同时适当调控腔中子晶格的尺寸,使得带间模收敛于Dirac点频率并处于外围光子晶体的禁带中,以达到增强带间模面内光反馈的目的,从而有利于实现高速调制。研究结果表明,以该异质Dirac涡旋腔的带间模作为带边激射,可在较小的区域内实现1.3μm单模矢量光束输出,这为发展具有优异性能的新型高速拓扑PCSELs提供了可能。
杨苑青[4]（2021）在《1.55 μm波段硅基Ⅲ-Ⅴ族方形微腔量子点激光器》文中提出随着微电子器件的尺寸日益逼近物理极限,电互连带来的延时以及功耗问题制约着集成电路的发展。因此,人们利用光子代替电子作为信息载体,完成信息的高效传输,也就是光互连。将一些光子学器件集成到微电子电路芯片上,有助于实现硅基光电子集成。在硅衬底上直接外延生长Ⅲ-Ⅴ族材料是实现硅基光源的最有前景的方法之一。同时,量子点结构可以有效减少材料生长过程中出现的高密度穿透位错,并大幅提高激光器的工作寿命,已成为硅基光电子集成的首选方案之一。此外,在波长为1.31μm和1.55 μm的通信波段,激光器的损耗较低,有利于硅基光电芯片的制备。对于L31μm波段的硅基激光器,前人已做了十分充分的研究,但在1.55μm波段的硅基量子点激光器上仍存在着很大的研究空间。与1.31μm波段相比,硅基光电芯片在1.55μm波段中具有更低的损耗,适用于中/长距离通信中的低损耗传输,并且可以与其他器件兼容以实现大规模硅基片上集成。另外,方形微腔激光器中的模式光场均匀地分布在腔内,对侧壁粗糙度的依赖性较小,适合与其他器件耦合。近些年来对于1.55μm波段方形微腔激光器的研究工作多集中在InP衬底上。但InP晶片尺寸小、脆性大,并且价格昂贵,难以应用于大规模光电集成系统中。因此,对1.55 μm波段硅基Ⅲ-Ⅴ族方形微腔量子点激光器的研究是十分有必要的。基于以上背景,我们开展了对1.55μm波段硅基InAs/InGaAs量子点方形微腔激光器及其集成结构的设计和优化研究,主要的成果如下:（1）对带输出波导结构的硅基InAs/InGaAs方形微腔量子点激光器结构进行设计与优化。通过在方形微腔激光器的一边中点处连接输出波导,实现了激光器的定向单模输出。同时,我们设计了一种新的硅基激光器材料结构使激射波长扩展至1.55 μm波段。此结构是在硅衬底上直接外延生长InGaAs成核层,不需要生长InP过渡层就可以制备1.55 μm波段硅基激光器,降低了工艺复杂度,有利于硅基光电集成。另外,我们对方形微腔激光器的结构参数和光学模式特性进行了分析,详细研究了微腔边长、输出波导宽度、包层厚度和刻蚀深度对方形微腔品质因子的影响。结果表明,当方形微腔激光器的边长为16μm,波导宽度为1.0μm,包层厚度为1.7μm,刻蚀深度为3.95μm时,方形微腔激光器能够在1546.70nm波长处实现品质因子高达3051.64的单模激射。（2）提出了一种基于切角方形微腔激光器与双锥型波导的片上集成结构。将切角方形微腔激光器与锥形Ⅲ-Ⅴ族波导连接,锥形Ⅲ-Ⅴ族波导进一步与锥形硅波导垂直耦合,实现切角方形微腔激光器的定向输出。此结构可以通过选区生长工艺在SOI（Silicon-on-Insular）衬底上进行材料的制备。结果表明,当方形微腔激光器的切角宽度为3.5μm,锥形Ⅲ-Ⅴ族波导的长度为20μm,锥形硅波导的锥尖宽度和高度分别为0.2 μm和0.7 μm时,激光器能在1564.71 nm波长处实现激射,对应的品质因子为1621.05。切角方形微腔激光器与锥形Ⅲ-Ⅴ族波导之间的光耦合效率为53.5%。
丁星[5]（2020）在《基于微腔中量子点的高亮度高品质单光子源》文中指出自组装半导体量子点是一种人造的纳米颗粒,可以形成具有单原子特性的分立能级结构,又被称为“人造原子”。由于其依托完备且迅猛发展的半导体微纳加工技术,容易实现大规模化,被认为有希望为量子信息技术及光学量子计算提供理想的单光子源。自组装半导体量子点也是目前所有物理系统中品质最好、效率最高的单光子源。为了能够真正用于可扩展、实用化的量子信息技术,单光子源需要同时满足三个核心性能指标:高单光子性、高光子全同性和高提取效率。前两项单光子性、全同性已在实验上通过脉冲共振荧光激发的方式实现。为了进一步提高提取效率,需要将量子点单光子源耦合进微腔中。为此我们制备了高品质的量子点样品与微柱谐振腔,在脉冲共振激光激发下,实验上观察到的单光子性为99.1%,光子全同性为98.5%,单光子提取效率为66%,这是首次量子点单光子源同时满足三个核心指标。这样的单光子源可在将来应用于大规模多光子干涉,推动光学量子计算领域的发展。在光学量子计算方面,我们将微腔中的高品质高亮度单光子源运用到了玻色采样量子计算模型中。玻色采样被认为是光学量子计算系统中最有希望实现超越经典计算机计算能力的模型之一。为此我们研究了两种不同技术路线,一是基于可编程的时间编码玻色采样,这是首次利用量子点单光子源进行的玻色采样实验,将采样的光子数提升到了4个光子,采样速率比此前基于参量光源的玻色采样实验快了 100倍以上。另一方面,为了进一步提升采样的光子数与采样速率,我们发展了高速主动式光开关与超低损耗的三维空间编码干涉仪,首次实现了 20光子输入、60×60模式干涉线路的空间编码玻色取样,其采样的输出态维数达到了三百七十万亿,为实现超越经典计算机运算能力的玻色采样打下了坚实的基础。
杨明[6]（2020）在《1.3微米高品质因子硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点正方形微腔激光器结构设计优化研究》文中进行了进一步梳理自1958年集成电路芯片问世以来,受益于现代工业大规模集成电路制造技术的进步,芯片产业实现飞速发展,人类的工作和生活也因此发生质的改变。然而,伴随硅基微电子领域相关技术和产品不断提升的芯片集成密度和不断缩小的器件尺寸,单位芯片上所能集成的晶体管数量日趋增多,芯片的逻辑也日渐复杂,各类微纳器件的尺寸亦接近其物理极限。痛点主要表现在带宽受限和功耗过大两方面,此类问题已成为阻碍高端芯片发展的难题。鉴于此,传统的以电信号作为传输介质的电互连技术面临着物理极限和成本问题带来的困扰。而同样作为信息传输载体的光信号,则具有高带宽、高速率、低功耗和无干扰等电信号不可比拟的优势。因此,用光互连方案代替电互连方案,并依托硅基光电子技术,有望解决芯片发展的瓶颈问题并可在未来继续推动信息技术及产业的发展。硅基光电子技术的研究重点在于将成熟的硅基微电子技术和具备优质光学特性的半导体光学器件相结合以实现大规模硅基光电集成。将二者结合主要有两大优势:第一,硅材料的价格低,且可以利用成熟的CMOS工艺平台。第二,与间接带隙结构的硅材料相比,以GaAs和InP为代表的直接带隙结构Ⅲ-Ⅴ族半导体材料具有优异的发光特性,更适用于发光器件。相比于其他硅基激光器材料技术方案,直接外延硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器材料技术方案更适合硅基光电集成。同时,硅基Ⅲ-Ⅴ族光学微腔激光器具有尺寸小、能耗低、成本低、响应速度快、品质因子高和易激射的特点。因此,此类激光器是实现硅基芯片内部光互连及光子数据传输、存储和计算的理想片上光源。光学微腔的回音壁模式在具有小的模式体积基础之上,兼备高品质因子的优势,可用于制作水平发光的微型激光器。而且,相比于其他形状的微腔,正方形微腔中的光学模式分布均匀,对称性好,更适合用来直连输出波导实现硅基光电集成。另外,目前针对硅基Ⅲ-Ⅴ族正方形微腔激光器的研究更多的集中在材料生长及器件制备等实验方面,在理论层面上系统性探究微腔内部的光学模式特性并对器件结构进行针对性的优化还不够充分。并且,正方形微腔激光器的品质因子也存在很大的优化和提升空间,值得深入研究。由于1.3μm 波段是通信用激光器的主要工作波段之一,因此采用直接外延生长技术方案研究1.3 μm波段硅基Ⅲ-Ⅴ族正方形光学微腔激光器对于硅基光电集成的发展具有非常重要的意义。本论文主要研究了光波导结构输出的电泵浦1.3 μm高品质因子硅基InAs/InGaAs量子点正方形微腔激光器的结构设计和优化,研究重点集中在分析光学模式与材料、器件结构参数的变化关系上。相关研究工作及成果如下:（1）采用三维时域有限差分方法研究了硅基正方形微腔激光器的边长与其品质因子的变化关系。对于边长10 μm-20μm正方形微腔,随着正方形微腔边长的不断增大,从整体来看,品质因子呈先增加后减少的变化趋势。当边长为18 μm时,正方形微腔的品质因子达到最大值4694.8。相比同类研究报道,品质因子提高了约51%。（2）研究了刻蚀深度对硅基正方形微腔激光器光学模式的影响。随着刻蚀深度从2.5 μm增加到5.0 μm,微腔的品质因子呈先增加后趋于稳定的变化趋势。当刻蚀深度为3.5μm时,品质因子达到最大值。之后,继续增加刻蚀的深度,品质因子保持稳定。研究发现,对正方形微腔激光器进行适当深度的刻蚀,器件性能可以得到大幅度提升。当刻蚀的深度超过微腔激光器的下包层区域后,激光器的性能不再改变。因此,优化后正方形微腔激光器的最佳刻蚀深度为3.5 μm。（3）研究了输出波导宽度与微腔品质因子的变化关系。对于边长10 μm-20μm正方形微腔,在边中点位置直连输出波导后,随着波导宽度从1.0μm增加到5.0 μm,微腔的品质因子呈整体下降的趋势。增大波导宽度对大尺寸正方形微腔的影响要远高于小尺寸的微腔,相同波导宽度条件下,大尺寸微腔的品质因子下降的更快。另外,正方形微腔激光器保持单模的工作状态,它的类回音壁模式是一阶横模。在不同边长下,最佳模式分别为TEo,（34,38）、TEo,（39,43）、TEo,（48.52）、TEo,（56.60）、TEo,（64,68）和TEo,（70,74）。当波导宽度超过2.0μm后,光学模式的分布不再均匀。因此,输出波导的位置及宽度需要进行不断的调整,优化后的最佳波导宽度为1.0 μm。
陆金成[7]（2020）在《三端口量子点系统热电输运》文中提出随着社会的高速发展,不可再生能源的消耗的不断增加和能源供应问题的日益加剧,对于追求可再生能源和能量的二次应用已经成为当下的一个紧急任务。未来科技的一个重要挑战是制造具有高能量效率、多功能、少材料耗费的智能设备。热电效应可以将环境中的废弃热量转换成电能,且热电能量转换具有无机械损耗、无噪音、长寿命等优势,是优质的可再生能源来源。近年来,纳米技术和热功转换重新推动了纳米器件的研究,如热电整流器、热晶体管等。量子热电输运有助于我们探测微纳尺度下粒子输运的性质,帮助寻找高热导的材料以开发全新的散热器件。本文首先讨论描述各种介观或者纳米系统中的稳态输运性质和纳米尺度下热-功转换的基本问题,并详细介绍了量子热机和热电器件的理论和实验进展。而在计算模型和方法上,主要利用Landauer-Buttiker公式及平衡和非平衡格林函数理论,研究多自由度介观系统的非平衡统计、输运等,将非平衡统计物理、开放量子系统和量子光学有机融合起来,并与最新的实验进展相互结合。具体内容如下:一、热电合作效应可以提高量子三端口量子热机的能量效率和功率。通过考虑量子点的弹性隧穿,我们研究了三端量子热机的效率和功率,在三端几何结构的推动下,三端量子热机可以同时在两个通道中产生电流的同时,只有一个热电流被利用。这两个通道中的电流可以根据他们的信号以相消或者相干的方式叠加。电流之间的相干叠加提高了热机的效率和功率,我们将这种相干增强称之为合作效应,此种理论在三端口系统的能量获取具有普适性。二、建立了具有两个独立输出电流和一个输入热电流的三端口量子热机的最佳效率和功率理论。首先我们推导出破缺时间反演对称性下具有多个输出电流的三端量子热机的最大效率、功率以及它们之间的权衡关系。利用此公式,我们计算了基于各种物理参数下的量子点三端口热机的最大效率和功率。通过具体的数值计算结果,我们发现采用两个输出电流的装置超越了传统的只有一个输出电流的量子热机,可以大幅度地扩大量子热机的参数范围,进一步提高效率和功率,从而为实现高性能热电器件提供了有效的途径。三、三端量子点电路量子电动力学系统作为热电二极管和晶体管。基于量子点电路量子电动力学系统中的最新突破,从量子光学器件的角度出发,实现了在热电装置领域的应用。使用Keldysh非平衡格林函数方法证明了腔耦合双量子点系统可以作为优良的量子热电二极管和晶体管。基于精确极化子变换的二阶微扰方法,我们发现热电输运性质对电子-光子相互作用的依赖性超出了传统二阶微扰理论的预测。我们证明了放置在有限偏置电压下与超导腔量子电动力学结构集成的量子点系统,由于强光-物质相互作用导致了显着的电整流和Peltier整流效应。由于光子辅助的非弹性输运,我们进一步发现了在线性响应区域内的热晶体管效应,这为量子热电器件开辟了一个前沿领域。四、在量子点电路量子电动力学系统中实现光子增益。利用Keldysh非平衡格林函数方法,我们研究了耦合到量子点系统的非平衡微波光子腔的光子和电子特性,证明了在线性响应区域,双量子点系统可以作为微腔光子的增益媒介,通过对谱函数、传输函数和相位响应的计算,发现电子-声子和电子-电子相互作用可以提高光子增益,并近一步阐明了这种效应是实现光子源量子器件的关键,为实现光子传输和放大提供了具体的方向。最后我们总结了本论文的研究工作,并简要讨论了下一步的工作方向。
章灿然[8]（2020）在《GaN、CsPbBr3微纳结构荧光及激光特性研究》文中研究指明宽禁带半导体材料也被称为第三代半导体材料,其带隙大于或等于2.3 e V,以GaN为代表,触发了人类半导体照明技术革命。半导体钙钛矿是近几年来发展起来的一类具有良好电光学性能的宽禁带半导体光学材料,在太阳能电池、发光二极管（LED）、激光器等方面具有潜在应用。本文着眼于这两种光学材料,从理论和实际应用的角度探索它们的荧光及受激辐射特性,主要内容可分为以下四个方面:（1）基于有限元法（FEM）,使用COMSOL Multiphysics 5.4求解亥姆霍兹方程,得到具有特定形状GaN光学谐振腔中的谐振频率、近场光学模式和相应模式的品质因子（Q factor）。研究了二维六边形GaN光学微腔尖角圆化效应对腔体光学模式及品质因子的影响;模拟了GaN二维非规则体育场形混沌光学微腔中腔体形状由体育场向圆逐渐变化引起的腔内光学模式及品质因子的变化过程。（2）构建了一种GaN二维准半圆形软混沌光学微腔,基于非线性动力学在相空间中构建光学共振回路模型,预测腔中可能出现的光学模式;利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics 5.4模拟微腔中的近场光学模式。使用半导体微纳加工工艺制造了准半圆形GaN光学微腔,微腔激射实验显示在较高泵浦功率下,微腔内由于模式竞争,准回音壁模式在激射光谱中占主导地位,与理论模拟结果符合。（3）研究了CsPbBr3@SiO2量子点和纯CsPbBr3量子点之间的光学性质差异。变温光致发光结果表明:CsPbBr3@SiO2量子点和CsPbBr3量子点具有相似的激子结合能;随着温度从10 K升高至室温,晶格热膨胀和电子-声子耦合效应导致CsPbBr3和CsPbBr3@SiO2量子点的光学带隙和线宽展宽;CsPbBr3和CsPbBr3@SiO2量子点具有相似的热膨胀系数,但CsPbBr3@SiO2量子点中的电子-声子耦合效应更弱。时间分辨光致发光（TRPL）结果表明,两种量子点的光致发光寿命都随温度升高而增加,在110 K以上,CsPbBr3@SiO2量子点的寿命更长。此外,将两种量子点作为绿色荧光材料集成到蓝光二极管芯片上,CsPbBr3@SiO2量子点在空气氛围下比CsPbBr3量子点具有更好的热稳定性。（4）通过化学气相沉积法制备了一种具有较高晶体质量的具有三角形截面的CsPbBr3微米棒。通过变温光致发光实验测量微结构的激子结合能;分析了晶格热膨胀和电子-声子耦合效应对光学带隙的协同调制作用;光致发光线宽展宽归因于电子-声子耦合效应。时间分辨光致发光实验表明:由于激子的热解离作用,CsPbBr3微米棒的寿命随着温度升高而变长。此外,我们探究了这种CsPbBr3微米棒中的激射行为,微米棒在较高的泵浦功率下可以产生单模激射,通过有限元分析其激射模式是由腔体侧边的部分反射和底部的全反射构成的类F-P模式。
高伟超[9]（2020）在《纠缠光子源的制备及其在量子信息中的应用研究》文中研究指明量子信息科学作为一门新兴交叉的前沿科目自其诞生到现在已经得到了长足的发展,其有效的结合量子力学和经典信息科学来实现对信息以超越经典的编码、传送和计算等能力。而其中光子纠缠态不仅作为核心元素为其提供了宝贵的资源,还展示出比之其他系统的独有优势,包括:纠缠光子源的稳定易制备;以光子作为载体编码不易与环境发生相互作用,其具有较强的相干性;光子有良好的适用性,绝大多数的实验操作都可以在室温下完成,光信息处理也是最早被用于量子通信和量子计算的物理实验系统之一。基于此,本文主要阐述了利用线性光学平台在实验上通过参量下转换过程制备了高亮度的纠缠光子对和较为完整介绍了几种常用来优化制备纠缠光子源的实验系统,并利用这些纠缠光子源来完成一些量子信息、量子计算中的研究课题,本文的研究成果如下:1.实验上实现利用避错编码方案完成单光子量子比特的高保真度传输。我们在实验上实现了使用避错编码的方法将单光子量子比特在噪声信道中忠实地传输,此过程既不利用辅助光子也不使用纠缠光子资源。比特编码过程中我们使用路径不对称极化干涉仪将光子的偏振编码转换到时间仓编码,通过解码测量后可以以100%的高保真度实现单光子量子比特的确定性传输。另外,实验结果分析显示时间仓编码的量子比特对集体噪声有良好的免疫能力,这为量子信息科学中的远距离量子态传输和单向量子通信铺平了道路。2.基于单光子系统在实验上模拟研究一般宇称-时间（P-T）对称动力学的动态演化。在现代量子物理学领域,奇偶时间对称性取得的各种理论和实验进展是非常巨大的,并激发了许多新的应用。尽管已经在许多量子系统中探索了奇偶时间对称性,但其在单光子系统中进行量子模拟的演示仍然难以捉摸。在这里,我们在实验上实现了基于单光子系统在量子计算框架中的一般奇偶时间对称两级动力学演化,其中使用辅助量子位对系统进行了扩张,并对具有后选的非厄米特哈密顿量的子系统进行了编码。当仅考虑成功的宇称-时间对称演化子空间时,可以以高保真度观察到单光子状态（qubit）动态演化。由于该方法的成功实现,我们的工作为进一步利用奇偶时间对称哈密顿量的奇异性质进行量子模拟和量子计算提供了一条途径。3.利用微腔-量子点系统的非互易特性实现纠缠纯化和纠缠浓缩最大纠缠态的分发是长距离量子通信中的关键技术。特别是高保真度的纠缠分发依赖于有效的纠缠纯化和纠缠浓缩手段。在本研究中,我们提出一种可行的方法,通过使用回音壁模式微腔和量子点耦合系统,完成A型三能级纠缠量子点的纠缠纯化和纠缠浓缩。利用探测光的输入—输出过程,我们设计了一个奇偶校验门,该奇偶校验门允许对远距离基态纠缠的量子点进行量子非破坏测量。而且,可以从混合纠缠态或部分纠缠态中提取出高保真最大纠缠态集合。所提出的应用方案具有高保真度和可集成化的优点,可以利用当前的实验技术进一步应用于量子中继器和量子网络。4.利用交叉克尔非线性实现无限步二维量子行走。量子行走是经典随机行走的量子模拟,它为量子计算和量子模拟提供了强大的工具。然而到目前为止,基于光子系统的量子行走的实验性实现迄今仅限于一维或小规模的二维演化,这对于一些复杂量子计算任务进一步应用无法满足需求。在此,我们通过利用光子的轨道角动量和由交叉Keer非线性产生的辅助相干态的相位信息,从应用角度上提出了二维无限步可行的应用方案。通过数值模拟表明,合适的参数设置可以确保二维网格中无限步行走的测量成功概率接近100%。
张雷[10]（2020）在《厚壳层Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点光电性质的研究》文中研究说明凭借其优越的光学性质,胶体半导体纳米材料在显示、荧光标记和微腔激光器等领域有着巨大的应用潜力。厚的无机宽禁带壳层（约11个单层）能够有效钝化纳米颗粒表面的缺陷态,使其具有高的荧光量子产率和良好的光稳定性。本论文主要研究了厚壳层核/壳结构量子点的光学增益特性、多激子动力学和电场调控光学性质,探索了其在微腔激光器上的应用。此外,为了深入分析壳层厚度对不同量子受限体系低维纳米材料光学性质的影响,我们还对核/壳结构二维纳米片的光增益特性进行了系统研究。主要研究内容包括:我们采用激光相干烧蚀技术制备了厚壳层CdSe/CdS核/壳量子点分布式反馈激光器,通过单光子和双光子激发均实现了高性能的单模激光发射,激光阈值分别为0.028 m J cm-2和1.03 m J cm-2。研究结果表明,激光相干烧蚀是一种可以直接在量子点薄膜表面制备分布式反馈激光器件的高效方法。我们制备了一个系列壳层厚度可控的纯纤锌矿相CdSe/CdS核/壳量子点,并利用超辐射理论分析了CdSe/CdS量子点中复杂的多激子动力学过程,得到了泵浦强度与量子点中平均激子数之间的关系。当量子点中的平均激子数达到～6之前,与理论计算结果一致。然而,较高的激子态密度会导致多激子的非辐射损耗增加,因此量子点中的平均激子数随着泵浦强度的进一步增加而逐渐趋于饱和。实验结果表明,放大自发辐射测量结果与理论拟合结果相符合,为解释量子受限体系中复杂的快速多激子动力学机制提供了一种新途径。我们系统地研究了纯纤锌矿相CdSe/CdS核/壳量子点群体的量子限制斯塔克（stark）效应。在电场作用下,厚壳层CdSe/CdS量子点（11个CdS单层）的荧光和吸收峰分别红移～2.3 nm和～2.1 nm。通过单个量子点的时间相关荧光强度曲线分析了量子点壳层厚度相关的荧光闪烁行为与量子点群体量子限制斯塔克效应之间的关系。结果表明,由于中等壳层量子点中大量的表面缺陷态和超厚壳层量子点中应力释放诱导的内部激子捕获态等引起的带电态,将会在量子点周围产生随机局域电场,因而导致中等壳层和超厚壳层量子点的电场调控光学特性不如厚壳层CdSe/CdS量子点明显。此外,我们还研究了厚壳层CdSe/CdS量子点在电场下的多激子特性,并对多激子态中的单激子动态弛豫过程进行分析。在以上三维受限厚壳层量子点研究的基础上,我们进一步探索了壳层厚度对二维半导体纳米片光学性质的影响。采用高温热注入法制备了一系列不同壳层厚度的CdSe/CdS核/壳纳米片。高温下生长的高质量CdS壳层能够有效地钝化纳米片表面的缺陷态,极大地提高了纳米片的荧光量子产率和紫外光照稳定性。因此,壳厚为6个CdS单层的厚壳层CdSe/CdS纳米片展现出超低的放大自发辐射阈值(～4.4μJ cm-2)、超长的增益寿命（>800 ps）和巨大的增益带宽（>140 nm）,表明激子俄歇复合得到了有效抑制,从而展现出优异的光增益特性。最后,我们将厚壳层纳米片作为增益介质成功制备出垂直腔面发射微腔激光器,实现了超低阈值(～1.1μJ cm-2)的空间定向单模激光发射。
二、单量子点微腔激光器的理论研究（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、单量子点微腔激光器的理论研究（论文提纲范文）
（1）1.3微米波段硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点微环激光器及其集成结构的设计优化研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 光学微腔的概述 |
| 1.3 回音壁模式微腔激光器及其集成结构的研究进展 |
| 1.3.1 波长13微米直接外延硅基III-V族量子点微腔激光器 |
| 1.3.2 微腔激光器与波导的集成结构 |
| 1.3.3 微腔激光器阵列 |
| 1.4 本论文的主要工作 |
| 参考文献 |
| 第二章 集成光学理论基础和时域有限差分方法 |
| 2.1 回音壁模式微腔的理论基础 |
| 2.1.1 WG型微腔的模式分析 |
| 2.1.2 WG型微腔的特征参数 |
| 2.2 WG型微腔光学模式的频域解析计算 |
| 2.2.1 有效折射率近似 |
| 2.2.2 二维圆形微腔的模式本征方程 |
| 2.3 光波导基础理论 |
| 2.3.1 平板光波导理论 |
| 2.3.2 光波导损耗 |
| 2.4 时域有限差分方法 |
| 2.4.1 三维FDTD方法 |
| 2.4.2 FDTD方法的软件实现 |
| 2.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第三章 波长1.3微米单向发射硅基量子点微环激光器的研究 |
| 3.1 微环激光器光学模式的理论计算 |
| 3.1.1 微环激光器光学模式的数值计算模型 |
| 3.1.2 微环激光器光学模式的解析解与数值计算结果对比 |
| 3.2 波长1.3μm硅基量子点微环激光器结构设计 |
| 3.2.1 微环激光器材料结构设计 |
| 3.2.2 微环激光器器件结构设计 |
| 3.3 波长1.3 μm硅基量子点微环激光器仿真分析 |
| 3.3.1 微环腔宽度优化 |
| 3.3.2 激光器材料包层厚度优化 |
| 3.3.3 器件刻蚀深度优化 |
| 3.3.4 Ⅲ-Ⅴ族波导宽度优化 |
| 3.3.5 连接径向波导的微环激光器的激射判定 |
| 3.4 基于微环腔的单片集成硅基激光器阵列结构设计与优化 |
| 3.4.1 微环激光器阵列结构设计 |
| 3.4.2 微环激光器阵列结构优化 |
| 3.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第四章 基于切角微环激光器与锥形硅波导的硅基片上集成结构的研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 基于切角微环激光器与锥形硅波导的硅基片上集成结构设计 |
| 4.3 切角微环激光器优化 |
| 4.3.1 切口宽度对品质因子和谐振波长的影响 |
| 4.3.2 切口宽度对多模抑制特性的影响 |
| 4.3.3 切口宽度对模式场分布的影响 |
| 4.3.4 切口宽度对单向发射特性的影响 |
| 4.4 锥形硅波导结构优化 |
| 4.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第五章 总结和展望 |
| 5.1 研究总结 |
| 5.2 研究展望 |
| 致谢 |
| 攻读硕士学位期间发表的学术论文 |
| 攻读硕士学位期间申请的发明专利 |
（2）微腔耦合半导体量子点单光子源理论研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 半导体量子光源研究背景 |
| 1.2 研究现状 |
| 1.2.1 单光子源实现系统 |
| 1.2.2 半导体量子点单光子源能级结构研究现状 |
| 1.2.3 半导体量子点单光子源效率研究现状 |
| 1.3 论文主要工作及架构 |
| 第二章 半导体量子光源的理论基础 |
| 2.1 量子点简介 |
| 2.1.1 量子点制备方法 |
| 2.1.1.1 自上而下制备的量子点 |
| 2.1.1.2 自上而下制备的量子点 |
| 2.2 单光子源 |
| 2.2.1 不同光源的性质 |
| 2.2.2 理想单光子源的特性 |
| 2.3 光致发射单光子的产生方式 |
| 2.3.1 非共振光致量子点单光子源发光 |
| 2.3.1.1 带上激发 |
| 2.3.1.2 P-壳层激发 |
| 2.3.2 共振光学激发量子点 |
| 2.4 腔量子电动力学简介 |
| 2.4.1 腔量子电动力学基本原理 |
| 2.4.2 Jaynes-Cummings模型 |
| 2.5 本章小结 |
| 第三章 半导体量子点能级结构和跃迁 |
| 3.1 基本模型及原理 |
| 3.2 半导体量子点能级结构分析与讨论 |
| 3.2.1 量子点纵向能级结构分析与讨论 |
| 3.2.2 量子点径向能级结构分析与讨论 |
| 3.2.2.1 Al_xGa_(1-x)As对量子点径向能级的影响 |
| 3.2.2.2 不同钝化材料对量子点径向能级的影响 |
| 3.2.3 半导体量子点载流子跃迁发光讨论 |
| 3.3 本章小结 |
| 第四章 半导体量子点单光子源效率计算 |
| 4.1 单量子点-腔耦合模型建立 |
| 4.2 半导体量子点单光子源效率 |
| 4.2.1 腔内外损耗比对效率的影响 |
| 4.2.2 温度对效率的影响 |
| 4.3 本章小结 |
| 第五章 总结与展望 |
| 5.1 全文总结 |
| 5.2 后续工作展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读学位期间发表的学术论文目录 |
（3）1.3μm高速光子晶体面发射激光器与拓扑面发射激光器研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景与意义 |
| 1.2 高速半导体激光器及其研究状况概述 |
| 1.2.1 高速垂直腔面发射激光器(VCSELs)概述 |
| 1.2.2 高速分布反馈(DFB)激光器概述 |
| 1.2.3 高速量子级联激光器(QCLs)概述 |
| 1.2.4 高速光子晶体激光器(PCLs)概述 |
| 1.2.5 高速半导体激光器的瓶颈及发展趋势 |
| 1.3 光子晶体面发射激光器(PCSELs)研究进展 |
| 1.3.1 大面积相干1.3μm PCSELs |
| 1.3.2 PCSELs的光束模式控制 |
| 1.3.3 PCSELs的光束控制 |
| 1.3.4 高亮度PCSELs |
| 1.4 拓扑光子学 |
| 1.4.1 从拓扑电子学到拓扑光子学 |
| 1.4.2 拓扑光子晶体激光器研究进展 |
| 1.5 涡旋光束 |
| 1.5.1 涡旋光束的发展历程 |
| 1.5.2 涡旋光束光通信原理及优势 |
| 1.5.3 OAM模式的复用与解复用 |
| 1.5.4 OAM编码通信技术 |
| 1.5.5 拓扑涡旋激光器研究进展 |
| 1.6 本论文选题依据及主要研究内容 |
| 第二章 高速光子晶体面发射激光器的理论基础 |
| 2.1 半导体激光器速率方程理论 |
| 2.1.1 量子阱激光器速率方程模型 |
| 2.1.2 量子级联激光器速率方程模型 |
| 2.1.3 量子点激光器速率方程模型 |
| 2.2 半导体激光器的直接调制原理 |
| 2.3 光子晶体面发射激光器(PCSELs)的理论基础 |
| 2.3.1 PCSELs带边激射原理 |
| 2.3.2 PCSELs阈值增益 |
| 2.3.3 PCSELs输出光功率 |
| 2.3.4 PCSELs输出光功率的提高方法 |
| 2.3.5 PCSELs三维耦合波理论 |
| 2.4 Purcell因子和自发辐射因子 |
| 2.5 本章小结 |
| 第三章 拓扑光子学基础 |
| 3.1 拓扑绝缘体与Dirac方程 |
| 3.1.1 Dirac方程和束缚态的解 |
| 3.1.2 修正的Dirac方程与Z2 拓扑不变量 |
| 3.1.3 拓扑不变量与量子相变 |
| 3.1.4 拓扑保护的边界态解 |
| 3.2 拓扑物理中的经典模型 |
| 3.2.1 Su-Schrieffer-Hegger(SSH)模型 |
| 3.2.2 Haldane模型 |
| 3.2.3 Bernevig-Hughes-Zhang(BHZ)模型 |
| 3.3 光子Dirac锥及其相关物理 |
| 3.3.1 光子晶体中的Dirac锥 |
| 3.3.2 Dirac 光局域模 |
| 3.4 二维光子拓扑绝缘体 |
| 3.4.1 光子拓扑绝缘体中的拓扑不变量 |
| 3.4.2 赝时间反转对称性与赝自旋 |
| 3.4.3 二维拓扑保护边缘态 |
| 3.4.4 拓扑光子晶体的k·P模型 |
| 3.4.5 拓扑光子相变机理 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 1.3μm 高速光子晶体面发射激光器研究 |
| 4.1 双晶格光子晶体谐振腔 |
| 4.1.1 双晶格光子晶体谐振腔的概念 |
| 4.1.2 双晶格光子晶体谐振腔晶格间距的调谐 |
| 4.2 1.3μm高速双晶格光子晶体面发射激光器设计 |
| 4.2.1 异质PCSELs的结构设计 |
| 4.2.2 理论分析 |
| 4.2.3 结论 |
| 4.3 基于Dirac点 1.3μm高速光子晶体面发射激光器的设计 |
| 4.3.1 研究背景 |
| 4.3.2 理论基础 |
| 4.3.3 器件设计 |
| 4.3.4 仿真结果 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 1.3μm 高速拓扑体态面发射激光器研究 |
| 5.1 高速拓扑体态面发射激光器的设计 |
| 5.1.1 二维拓扑光子晶体谐振腔的设计 |
| 5.1.2 仿真结果 |
| 5.2 理论分析 |
| 5.2.1 蜂窝光子晶体的紧束缚模型 |
| 5.2.2 基于赝自旋能带反转分析 |
| 5.2.3 拓扑谐振腔支持的腔模 |
| 5.3 本章小结 |
| 第六章 1.3μm 高速 Dirac 涡旋腔面发射激光器研究 |
| 6.1 矢量光束的理论基础 |
| 6.2 Dirac涡旋腔 |
| 6.2.1 对DFB激光器和VCSELs的拓扑理解 |
| 6.2.2 Jackiw-Rossi零模 |
| 6.2.3 Dirac涡旋腔的参数 |
| 6.2.4 Dirac涡旋腔的性质 |
| 6.3 1.3μm 高速 Dirac 涡旋腔面发射激光器的设计 |
| 6.3.1 异质 Dirac 涡旋腔的设计 |
| 6.3.2 仿真结果 |
| 6.4 本章小结 |
| 第七章 总结与展望 |
| 7.1 本论文主要完成工作 |
| 7.2 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
（4）1.55 μm波段硅基Ⅲ-Ⅴ族方形微腔量子点激光器（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 硅基微腔量子点激光器的研究背景 |
| 1.2 光学微腔的分类 |
| 1.3 回音壁型微腔激光器 |
| 1.4 方形微腔量子点激光器研究进展 |
| 1.4.1 微腔激光器研究进展 |
| 1.4.2 硅基量子点激光器研究进展 |
| 1.5 本论文的研究工作 |
| 参考文献 |
| 第二章 时域有限差分法 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 二维FDTD方法 |
| 2.2.1 Maxwell方程 |
| 2.2.2 二维Yee氏网格与时域有限差分法 |
| 2.3 三维FDTD方法 |
| 2.3.1 Maxwell方程 |
| 2.3.2 三维Yee氏网格与时域有限差分法 |
| 2.4 Courant数值稳定条件 |
| 2.5 完全匹配层边界条件 |
| 2.6 激励源的设置 |
| 2.7 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第三章 方形微腔激光器的理论基础与光波导理论 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 方形微腔激光器的理论基础 |
| 3.2.1 方形微腔激光器的模式本征方程 |
| 3.2.2 方形微腔激光器的品质因子与耦合效率 |
| 3.3 光波导理论基础 |
| 3.3.1 平板波导理论中的射线分析法 |
| 3.3.2 平板波导中的电磁场理论 |
| 3.3.3 矩形光波导理论 |
| 3.3.4 波导的损耗 |
| 3.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第四章 1.55 μm波段硅基方形微腔量子点激光器的设计与优化 |
| 4.1 硅基方形微腔激光器的二维光学模式特性 |
| 4.2 1.55 μm波段硅基方形微腔量子点激光器的设计 |
| 4.2.1 1.55 μm波段硅基方形微腔量子点激光器材料结构的设计 |
| 4.2.2 1.55 μm波段硅基方形微腔量子点激光器器件结构的设计 |
| 4.3 仿真结果分析 |
| 4.3.1 方形微腔边长优化 |
| 4.3.2 波导宽度优化 |
| 4.3.3 材料包层厚度优化 |
| 4.3.4 刻蚀深度优化 |
| 4.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第五章 基于SOI衬底的切角方形微腔激光器与双锥型波导耦合结构的设计 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 切角方形微腔激光器与波导耦合结构的设计 |
| 5.2.1 选区生长工艺 |
| 5.2.2 切角方形微腔激光器与双锥形波导耦合结构的方案设计 |
| 5.3 基于SOI衬底的器件集成方案研究 |
| 5.3.1 方形微腔激光器的切角宽度优化 |
| 5.3.2 锥形硅波导优化 |
| 5.3.3 锥形Ⅲ-Ⅴ族波导优化 |
| 5.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 总结 |
| 6.2 展望 |
| 致谢 |
| 攻读硕士学位期间发表的学术论文 |
| 攻读硕士学位期间申请的发明专利 |
（5）基于微腔中量子点的高亮度高品质单光子源（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 单光子源在量子信息技术方面的应用 |
| 1.2 实现单光子源的多种物理系统 |
| 1.3 论文结构 |
| 第2章 半导体量子点单光子源 |
| 2.1 自组装量子点概述 |
| 2.2 量子点的能级结构与激子态 |
| 2.3 量子点的激发方式 |
| 2.3.1 带上激发 |
| 2.3.2 P壳层近共振激发 |
| 2.3.3 S壳层共振激发 |
| 2.3.4 双色共振激发 |
| 2.4 研究量子点单光子源的实验手段 |
| 2.4.1 低温环境与共聚焦显微系统 |
| 2.4.2 光谱仪,EMCCD及单光子探测器 |
| 2.4.3 量子点荧光寿命及符合事件测量 |
| 2.5 实现理想单光子源的条件 |
| 2.5.1 高量子效率 |
| 2.5.2 确定性产生 |
| 2.5.3 高单光子性 |
| 2.5.4 高光子全同性 |
| 2.5.5 高收集效率 |
| 第3章 基于微腔中量子点的高品质高亮度单光子源 |
| 3.1 光学谐振腔中的原子 |
| 3.2 适用于单光子源的各类微腔 |
| 3.2.1 平面腔 |
| 3.2.2 微柱腔 |
| 3.2.3 靶眼腔 |
| 3.3 不同谐振腔与常用结构的理论求解与数值模拟 |
| 3.3.1 低维结构的TMM数值求解 |
| 3.3.2 高维结构的FDTD数值模拟 |
| 3.4 基于微柱腔的高亮度高品质单光子源实验实现 |
| 3.4.1 引言 |
| 3.4.2 实验方法与结果 |
| 3.5 基于微柱腔的近变换极限单光子源实验实现 |
| 3.5.1 引言 |
| 3.5.2 实验方法与结果 |
| 3.6 基于椭圆微柱腔、靶眼腔的高亮度高品质偏振单光子源实验实现 |
| 3.6.1 引言 |
| 3.6.2 理论方案 |
| 3.6.3 实验方法与结果 |
| 3.7 基于靶眼腔的高亮度高品质纠缠光源实验实现 |
| 3.7.1 引言 |
| 3.7.2 实验方法与结果 |
| 第4章 量子计算与玻色采样 |
| 4.1 玻色采样协议 |
| 4.1.1 积和式计算 |
| 4.2 玻色采样的验证 |
| 4.2.1 行范数估计值 |
| 4.2.2 近似比值检验 |
| 4.2.3 贝叶斯分析 |
| 第5章 玻色采样实验实现 |
| 5.1 时间编码的可编程玻色采样机 |
| 5.1.1 研究背景 |
| 5.1.2 实验方案及过程 |
| 5.1.3 结果与分析 |
| 5.2 20光子输入、60×60模式干涉线路的玻色取样机 |
| 5.2.1 研究背景 |
| 5.2.2 实验方案及过程 |
| 5.2.3 结果与分析 |
| 第6章 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果 |
（6）1.3微米高品质因子硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点正方形微腔激光器结构设计优化研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 光学微腔 |
| 1.3 光学微腔激光器 |
| 1.4 硅基光学微腔激光器的研究进展 |
| 1.5 本论文的主要工作 |
| 第二章 正方形微腔激光器的模式及光波导基础理论 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 正方形微腔的模式特征 |
| 2.2.1 正方形微腔的本征方程 |
| 2.2.2 正方形微腔本征方程的解析求解 |
| 2.3 正方形微腔光学模式的品质因子 |
| 2.4 光波导基础理论 |
| 2.4.1 简单平板光波导理论 |
| 2.4.2 限制结构光波导理论 |
| 2.4.3 常见的光波导损耗 |
| 2.5 本章小结 |
| 第三章 时域有限差分计算方法 |
| 3.1 时域有限差分方法 |
| 3.1.1 二维时域有限差分方法 |
| 3.1.2 三维时域有限差分方法 |
| 3.2 数值稳定条件 |
| 3.3 吸收边界条件 |
| 3.4 激励源的设置 |
| 3.5 频率分析 |
| 3.6 仿真软件的数值计算 |
| 3.7 本章小结 |
| 第四章 波长1.3 μm硅基量子点正方形微腔激光器的设计与优化 |
| 4.1 硅基正方形微腔激光器的光学模式特性 |
| 4.1.1 正方形微腔激光器的光学模式数值计算模型 |
| 4.1.2 正方形微腔激光器的光学模式分布规律 |
| 4.1.3 正方形微腔激光器光学模式的解析解与数值计算结果对比 |
| 4.2 波长1.3 μm光波导输出的硅基正方形微腔激光器的设计 |
| 4.2.1 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的材料结构设计 |
| 4.2.2 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的器件结构设计 |
| 4.3 微腔边长对硅基正方形微腔激光器光电性能的影响 |
| 4.3.1 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的边长优化 |
| 4.3.2 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的光学模式分布 |
| 4.3.3 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的频率分布 |
| 4.3.4 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器与微盘激光器的对比 |
| 4.4 波导宽度对硅基正方形微腔激光器光电性能的影响 |
| 4.4.1 光波导输出硅基正方形微腔激光器的光学模式分布 |
| 4.4.2 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的波导宽度优化 |
| 4.5 刻蚀深度对硅基正方形微腔激光器光电性能的影响 |
| 4.5.1 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的刻蚀深度优化 |
| 4.5.2 不同结构硅基正方形微腔激光器的光电性能对比 |
| 4.6 顶角结构对硅基正方形微腔激光器光电性能的影响 |
| 4.7 本章小结 |
| 第五章 总结和展望 |
| 5.1 研究总结 |
| 5.2 研究展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读硕士学位期间发表的学术论文 |
| 攻读硕士学位期间申请的发明专利 |
（7）三端口量子点系统热电输运（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 纳米尺度下热-功转换的基本问题 |
| 1.1.1 量子点简介 |
| 1.1.2 传统热电材料和量子热电材料之间的比较 |
| 1.1.3 Peltier效应和Seebeck效应 |
| 1.1.4 量子热电输运的实验进展 |
| 1.2 稳态量子热机 |
| 1.2.1 量子热机简介 |
| 1.2.2 线性响应和Onsager互易关系 |
| 1.2.3 热电品质因数 |
| 1.2.4 最大功率处效率 |
| 1.2.5 功率效率之间关系 |
| 1.2.6 破缺时间反演对称性下的系统 |
| 1.3 论文研究内容和章节安排 |
| 本章参考文献 |
| 第二章 计算模型和方法 |
| 2.1 Landauer-Buttiker公式 |
| 2.1.1 单通道输运情况 |
| 2.1.2 多通道输运情况 |
| 2.1.3 电流的计算 |
| 2.2 格林函数理论 |
| 2.2.1 二次量子化 |
| 2.2.2 格林函数 |
| 2.2.3 涨落-耗散定理 |
| 2.2.4 格林函数的微扰展开 |
| 2.3 非平衡格林函数方法计算介观半导体中的输运性质 |
| 2.3.1 介观隧穿结构中的非平衡结构 |
| 2.3.2 哈密顿量 |
| 2.3.3 电流的一般表达式 |
| 2.4 本章小结 |
| 本章参考文献 |
| 第三章 单量子点三端口弹性输运中的热电合作效应 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 量子三端热机的线性响应系数 |
| 3.3 热电合作效应:一种几何解释 |
| 3.4 各种结构下的热电合作效应 |
| 3.5 本章小结 |
| 本章参考文献 |
| 第四章 具有双输出电流的三端口量子热机的最佳效率和功率 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 理论模型和框架 |
| 4.3 破缺时间反演对称性系统的最大效率和功率 |
| 4.4 效率和功率的上边界 |
| 4.5 非相互作用量子点系统的线性响应系数 |
| 4.6 本章小结 |
| 4.7 展望:和实验相结合的可能性 |
| 本章参考文献 |
| 第五章 量子点电路量子电动力学热电二极管和晶体管 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 三端口双量子点量子电动力学模型 |
| 5.3 热电整流效应 |
| 5.4 热三极管效应 |
| 5.5 本章小结 |
| 5.6 附录 |
| 5.6.1 附录A:非微扰量子点格林函数的计算 |
| 5.6.2 附录B:包含量子点-电极耦合输运的非微扰理论:非弹性和弹性输运电流、热流的计算 |
| 本章参考文献 |
| 第六章 量子点电路量子电动力学系统的光子增益 |
| 6.0 引言 |
| 6.1 三端口双量子点量子电动力学模型 |
| 6.2 非微扰杂化量子点格林函数 |
| 6.3 光子透射系数 |
| 6.3.1 光子自能 |
| 6.3.2 相位光谱:透射和相位 |
| 6.4 结果和讨论 |
| 6.4.1 光子增益和相位vs光子频率 |
| 6.4.2 光子增益和相位在重整化光子频率下的变化 |
| 6.4.3 光子耗散的作用 |
| 6.5 本章小结 |
| 6.6 展望:在实验上实现的可能性 |
| 6.7 附录 |
| 6.7.1 附录A:微波腔透射系数的推导---输入输出理论 |
| 6.7.2 附录B:光子自能的推导 |
| 本章参考文献 |
| 结论和展望 |
| 7.1 结论 |
| 7.2 展望 |
| 攻读博士期间发表的论文 |
| 致谢 |
（8）GaN、CsPbBr3微纳结构荧光及激光特性研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 符号说明 |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 半导体发光机理 |
| 1.2.1 发光二极管 |
| 1.2.2 半导体激光器 |
| 1.3 光学微腔简介 |
| 1.3.1 回音壁模式光学微腔 |
| 1.3.2 非对称微腔的发展与研究意义 |
| 1.3.3 非对称微腔分析方法 |
| 1.4 氮化镓基光学微腔与研究意义 |
| 1.5 钙钛矿发光材料简介 |
| 1.5.1 钙钛矿薄膜 |
| 1.5.2 钙钛矿量子点 |
| 1.5.3 钙钛矿微米/纳米结构 |
| 1.6 本课题的主要研究内容及意义 |
| 第2章 二维正六边形与体育场形氮化镓微腔中的边界圆化效应 |
| 2.1 六边形微腔中的圆化效应 |
| 2.1.1 引言 |
| 2.1.2 正六边形微腔圆化效应建模 |
| 2.1.3 正六边形微腔圆化效应有限元分析 |
| 2.2 体育场形微腔中的圆化效应 |
| 2.2.1 引言 |
| 2.2.2 体育场形微腔圆化效应建模 |
| 2.2.3 体育场形微腔圆化效应有限元分析 |
| 2.3 本章小结 |
| 第3章 准半圆形氮化镓光学微腔的激射特性研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 准半圆模型及其Poincare映射 |
| 3.3 波动分析:谐振模式模拟 |
| 3.4 微腔制作流程 |
| 3.5 激射实验 |
| 3.6 本章小结 |
| 第4章 CsPbBr_3@SiO_2量子点的激子光致发光特性及其作为荧光材料在发光二极管中的应用 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 实验部分 |
| 4.2.1 CsPbBr_3和CsPbBr_3@SiO_2钙钛矿量子点的制备方法 |
| 4.2.2 变温PL与TRPL光谱测试方法 |
| 4.3 结果与讨论 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 CsPbBr_3钙钛矿微米棒网状结构的激子光致发光及其激射特性研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 实验部分 |
| 5.3 结果与讨论 |
| 5.4 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 6.1 总结 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的学术会议 |
| 致谢 |
（9）纠缠光子源的制备及其在量子信息中的应用研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 第二章 量子信息基础知识和纠缠光子源的制备技术 |
| 2.1 量子信息基础知识 |
| 2.1.1 量子比特与量子门 |
| 2.1.2 密度算符与信息距离度量 |
| 2.1.3 量子密钥分发协议与不可克隆定理 |
| 2.1.4 基础量子算法简介 |
| 2.2 纠缠光子源的制备技术 |
| 2.2.1 单光子源与纠缠光子源 |
| 2.2.2 自发参量下转换和相位匹配技术 |
| 2.2.3 制备纠缠光子源的优化方法 |
| 2.2.4 纠缠光子源的典型应用——量子隐形传态 |
| 第三章 实验实现单光子避错编码方案 |
| 3.1 几种典型的量子避错编码方案 |
| 3.2 使用无退相干子空间实现避错编码 |
| 3.3 实验装置和测量 |
| 3.4 实验结果与分析 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 使用单光子系统对PT对称动力学的量子模拟 |
| 4.1 一般PT对称哈密顿量 |
| 4.2 PT对称系统在量子计算框架下的理论描述 |
| 4.3 幺正算符U_i的实现 |
| 4.4 实验装置和测量结果 |
| 4.4.1 实验装置 |
| 4.4.2 测量结果 |
| 4.5 本章小结 |
| 第五章 利用纠缠光子源实现量子信息的应用方案 |
| 5.1 基于腔-量子点系统实现纠缠纯化和纠缠浓缩 |
| 5.1.1 腔-量子点系统的非互易性传输 |
| 5.1.2 利用非互易性构建宇称校验门(PCG) |
| 5.1.3 基于非互易性实现纠缠纯化 |
| 5.1.4 基于非互易性实现纠缠浓缩 |
| 5.1.5 纠缠纯化和纠缠浓缩的可行性数值模拟 |
| 5.2 基于交错Kerr非线性实现无限步二维量子行走 |
| 5.2.1 交叉Kerr非线性和光子轨道角动量 |
| 5.2.2 无限步二维量子行走的理论描述 |
| 5.2.3 二维量子行走的数值模拟 |
| 5.2.4 无限步二维量子行走的可行性分析 |
| 5.3 本章小结 |
| 第六章 结论与展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读学位期间发表的学术论文目录 |
（10）厚壳层Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点光电性质的研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 半导体纳米材料的概念 |
| 1.1.1 半导体量子点 |
| 1.1.2 半导体纳米片 |
| 1.2 半导体纳米材料的基本特性 |
| 1.2.1 量子尺寸效应 |
| 1.2.2 表面效应 |
| 1.2.3 库伦阻塞效应 |
| 1.3 半导体纳米材料的制备及应用 |
| 1.3.1 半导体量子点的制备 |
| 1.3.2 厚壳层核/壳结构量子点及其制备 |
| 1.3.3 半导体纳米片的制备 |
| 1.3.4 半导体纳米材料的应用 |
| 1.4 半导体量子点的光增益性质 |
| 1.4.1 俄歇复合对半导体量子点光增益特性的影响 |
| 1.4.2 厚壳层CdSe/CdS核/壳量子点对俄歇复合的抑制 |
| 1.4.3 纯相厚壳层CdSe/CdS核/壳量子点的光增益特性 |
| 1.4.4 半导体量子点的多激子复合动力学过程 |
| 1.5 量子限制斯塔克效应 |
| 1.5.1 量子限制斯塔克效应简介 |
| 1.5.2 半导体量子点电场响应研究进展 |
| 1.6 本论文的主要研究内容 |
| 第二章 厚壳层CdSe/CdS核/壳量子点基于分布式反馈结构的单模激光发射 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 实验部分 |
| 2.2.1 厚壳层CdSe/CdS核/壳量子点的制备 |
| 2.2.2 量子点光栅结构的制备 |
| 2.2.3 厚壳层CdSe/CdS核/壳量子点的表征 |
| 2.2.4 量子点光栅结构的表征 |
| 2.3 结果分析与讨论 |
| 2.3.1 厚壳层量子点的微观结构和基本光学性质 |
| 2.3.2 厚壳层量子点的光增益性能研究 |
| 2.3.3 厚壳层量子点光栅结构的光学性质研究 |
| 2.3.4 厚壳层量子点基于分布式反馈结构的激光发射性能 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 纯相厚壳层CdSe/CdS量子点的多激子动力学研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 实验部分 |
| 3.2.1 纯纤锌矿相CdSe/CdS核/壳量子点的制备 |
| 3.2.2 纯纤锌矿相CdSe/CdS核/壳量子点的表征 |
| 3.2.3 超辐射函数和多激子衰减曲线拟合函数 |
| 3.3 结果分析与讨论 |
| 3.3.1 纯相量子点的微观结构和基本光学性质 |
| 3.3.2 纯相量子点的荧光衰减曲线拟合结果分析 |
| 3.3.3 纯相厚壳层量子点的放大自发辐射特性 |
| 3.3.4 纯相厚壳层量子点的回音壁模式激光特性 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 纯相CdSe/CdS核/壳量子点的量子限制斯塔克效应 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 实验部分 |
| 4.2.1 量子点斯塔克效应器件的制备 |
| 4.2.2 量子点斯塔克效应器件的表征 |
| 4.3 结果分析与讨论 |
| 4.3.1 纯相量子点的电场调控光学性质 |
| 4.3.2 纯相量子点的单点荧光强度曲线 |
| 4.3.3 纯相厚壳层量子点的电场调控荧光弛豫特性 |
| 4.3.4 纯相厚壳层量子点的电场调控放大自发辐射特性 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 超低阈值单模CdSe/CdS核/壳纳米片激光器 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 实验部分 |
| 5.2.1 CdSe/CdS核/壳纳米片的制备 |
| 5.2.2 纳米片激光器的制备 |
| 5.2.3 CdSe/CdS核/壳纳米片的表征 |
| 5.2.4 纳米片激光器的表征 |
| 5.3 结果分析与讨论 |
| 5.3.1 纳米片的微观结构和基本光学性质 |
| 5.3.2 纳米片的放大自发辐射特性 |
| 5.3.3 纳米片的光增益动力学研究 |
| 5.3.4 纳米片激光器的微观结构和光学性能 |
| 5.4 本章小结 |
| 第六章 总结和展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 在学期间发表的论文和取得的学术成果 |
四、单量子点微腔激光器的理论研究（论文参考文献）
- [1]1.3微米波段硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点微环激光器及其集成结构的设计优化研究[D]. 祝莉娜. 北京邮电大学, 2021(01)
- [2]微腔耦合半导体量子点单光子源理论研究[D]. 罗娜娜. 北京邮电大学, 2021(01)
- [3]1.3μm高速光子晶体面发射激光器与拓扑面发射激光器研究[D]. 李儒颂. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所), 2021(08)
- [4]1.55 μm波段硅基Ⅲ-Ⅴ族方形微腔量子点激光器[D]. 杨苑青. 北京邮电大学, 2021(01)
- [5]基于微腔中量子点的高亮度高品质单光子源[D]. 丁星. 中国科学技术大学, 2020(01)
- [6]1.3微米高品质因子硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点正方形微腔激光器结构设计优化研究[D]. 杨明. 北京邮电大学, 2020(05)
- [7]三端口量子点系统热电输运[D]. 陆金成. 苏州大学, 2020(06)
- [8]GaN、CsPbBr3微纳结构荧光及激光特性研究[D]. 章灿然. 江苏科技大学, 2020(03)
- [9]纠缠光子源的制备及其在量子信息中的应用研究[D]. 高伟超. 北京邮电大学, 2020(01)
- [10]厚壳层Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点光电性质的研究[D]. 张雷. 东南大学, 2020