Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Δυναμική της πόλωσης σε ημιαγωγικά λέϊζερ κβαντικών τελειών καθέτου εκπομπής και εφαρμογές
Other Titles: Polarization dynamics of semiconductor quantum dot VCSELs and applications
Authors: Γεωργίου, Παναγιώτης
Keywords: Μέγιστος εκθέτης Lyapunov
Θεωρία διακλαδώσεων
Μη-γραμμικά δυναμικά συστήματα
Keywords (translated): QD spin VCSELs
Abstract: 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).
Abstract (translated): In the present master thesis, the polarization dynamics of the output electric field of quantum dot spin vertical cavity surface emitting lasers (QD spin-VCSEL’s) is studied numerically. The configuration and control of the spin state of carriers is achieved by means of pumping ellipticity. The novelty introduced in this research is elaborated by introducing in the quantum dot active material the excited energy intra-dot state, thus two distinct wavelengths are emitted by the device. The mathematical description of spin state of carriers and the coupling between the left and right circular/elliptical polarized light is elaborated by the spin-flip model. Since the dynamics of semiconductor lasers experience nonlinearities, for the description of such phenomena the largest Lyapunov exponent (LLE) was introduced to the mathematical analysis of timeseries. LLE is a mathematical tool utilized in the analysis of chaotic phenomena that unlike the methods used widely by the scientific community, is able to quantify chaos. The research is separated in two parts, the first one is associated with the study of the dynamics of solitary QD spin-VCSEL’s and the second one studies the dynamics under the interaction of two identical QD spin-VCSEL’s through optical injection. At the first stage, the impact of the computation integration time on the stabilization of LLE value was studied. Then the numerical analysis of the results, with the utilization of LLE, showed that both the dynamics of the two distinct wavelengths are qualitatively symmetrical but quantitatively asymmetrical as each output electric field experiences different amount of chaos. The second part of the study was focused on the dynamics of optically injected QD spin VCSELs were injection locking operation was initially shown. Additionally, the numerical solution of the set of equations revealed the ability of the optically injected QD spin VCSEL’S to achieve both polarization and wavelength switching with the simultaneous production of spikes. These results indicate that dual wavelength QD spin VCSEL’s could play an important role in the field of Neuromorphic Photonics and Security.
Appears in Collections:Τμήμα Επιστήμης των Υλικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
GEORGIOU_MASTER_THESIS_09_10_2020_final_document-converted.pdf3.01 MBAdobe PDFView/Open

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.