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Parity-time对称性对电注入半导体激光器的模式控制

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

摘要:非厄米的描述对于开放系统有重要意义, 满足parity-time对称性的哈密顿量, 其参数在一定范围内可以使能量具有实的本征值. 本文通过模拟, 研究了损耗大小以及结构对称性对条形波导中的parity-time对称性的影响, 并通过实验发现了电注入条件下由parity-time对称破缺导致的脊条波导模式间隔加倍、模式数减半的现象.
关键词: parity-time对称性/
电注入/
半导体激光器/
模式控制

English Abstract


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能量守恒对于一个闭合系统是很自然的要求, 这就会导致系统所对应的本征能量为实数, 这时所对应的算符就为厄米算符, 描述这个系统的哈密顿量的厄米性可以确保系统能量为实数, 相应的数学表达可写为$\hat H = {\hat H^\dagger }$. 非厄米的哈密顿量会产生复的本征值, 这意味着系统不再幺正, 这是非厄米哈密顿量无法被人们接受的原因. 但很多时候, 人们关注的只是闭合系统中一个有限的子空间. 为了唯象地描述这种开放系统, 开始有科学家们引入非厄米的描述方式. 1928年, Gamow[1]使用复的能量本征值来描述粒子隧穿逃离原子核时的速度, 通过量子力学的隧道效应解释了α放射性衰变的随机性. 1943年, Dirac[2]提出通过使用非厄米算符和自洽內积理论来解决场论中的发散问题. 1954年, Feshbach等[3]通过引入非厄米的势来描述中子和原子核的散射相互作用. 此外还有许多通过非厄米理论来讨论实际问题的工作[4-9].
早期的非厄米系统中, 哈密顿量的虚部通常被用来描述系统的耗散, 这只是对物理现象的一种非本质的唯象描述, 因为这样的描述并不具备幺正性. 1998年, 基于前人关于非厄米哈密顿量的研究, Bender和Boettcher[10]提出一类满足PT对称性的非厄米哈密顿量, PT对称性中的P是parity, 指的是空间反演变换; T是time, 指的是时间反演变换, 并证明在一定参数的取值范围里, 这类哈密顿量的本征能量为实数, 哈密顿量形式为$H = {p^2} + {x^2}{\left( {{\rm{i}}x} \right)^\varepsilon }\left( {\varepsilon \geqslant 0} \right)$, 空间反演变换P的作用是: p → –p, x → –x; 时间反演变换T的作用是: p → –p, i → –i. 由此可以看出, 空间反演算符P是线性算符, 而时间反演算符T是反线性的. 对于哈密顿量H, 若其与PT算符满足对易关系$\left[ {H, PT} \right] = 0$, 则称这个哈密顿量具有PT对称性, 满足PT对称性的哈密顿量可以表达为$\hat H = {\hat H^{PT}}$, 当哈密顿量对应的本征函数ψ也满足PT对称性时, 通过简单的推导可以发现, 这种情况下, 能量E的虚部为0, 满足E = E*, 这样的系统具有严格的PT对称性. 同理, 当哈密顿量对应的本征函数不满足PT对称性时, 通过简单的推导可以证明, 如果哈密顿量有本征能量E对应本征函数ψ, 那么存在另一个本征函数ψ′, 其能量本征值为E*, 这意味着系统中的某能量会和它的复共轭同时成对地出现在能谱中. 此时, 哈密顿量依然满足PT对称性, 但系统中仍可能出现复的本征能量, 这种情况称为PT对称性的自发破缺.
通过把对哈密顿量的要求从$\hat H = {\hat H^\dagger }$宽松到$\hat H = {\hat H^{PT}}$, PT对称理论将量子力学的相空间从原本的实空间拓展到了复空间. 后续的很多理论方面的研究也不断完善和证实了这个理论的有效性[11-15]. 关于PT对称的实验实现上也有了很多进展, Guo等[16]观察到了损耗诱导的PT对称破缺导致的光透明; Makris等[17]研究了构造PT对称周期势的可能, 并表明周期结构可以带来例如双折射等性质; Zhen等[18]通过PT对称性实现了能带的简并; Doppler等[19]和Xu等[20]还研究了PT对称破缺点的拓扑特性; 另外, 还有许多对于PT激光器的实验研究[17,21,22], 但都是在光抽运条件下完成的. 在半导体激光器中, 可以通过对电注入水平的调节来构建PT对称, 从而帮助激光器实现更好的模式控制, 电注入在器件尺寸小且结构较为复杂时会比光抽运更加容易实现, 因此我们希望分析电注入条件下满足PT对称条件的激光器的特性.
首先采用金属有机化学气相沉积法(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)生长了外延晶片, 其中波导层由Al(x)GaAs材料构成, 其折射率n ≈ 3.42, 量子阱由GaAs和GaIn(x)As材料构成, 外延片的详细条件在我们之前的工作中有相应报道[23], 结构如图1所示.
图 1 外延片结构图
Figure1. Epitaxy structure of wafers.

通过标准的光刻工艺制备条形激光器, 为了满足PT对称条件, 使其中一部分能够通过电注入对激光器提供增益, 作为增益区; 另一部分为了避免载流子扩散带来的影响, 将这部分区域的高掺层通过电感耦合等离子体(inductively coupled plasma, ICP)工艺刻蚀掉, 然后由SiO2覆盖, 起到绝缘层的效果, 由于本征吸收的存在, 这部分吸收区可以作为损耗区, 结构如图2所示.
图 2 器件结构图, 其中黄色部分为增益区, 蓝色部分为损耗区
Figure2. Device structure diagram, the yellow part is the gain region and the blue part is the loss region.

其中脊条总长l 3 = 550 μm的条形波导, 增益区长度l 1 = 450 μm, 损耗区长度l 2 = 100 μm, 条宽w 1 = 7 μm, 衬底总宽度w 2 = 300 μm, 红色区域为激光器有源区, 脊条上黄色区域为增益区覆盖电极, 脊条上蓝色部分为损耗区.
激光器测试时由夹具固定不动, 通过控制注入电流来对增益区的增益进行调节, 将产生的激光通过光纤导入光谱仪中, 记录不同电注入水平下, 激光器的光谱特性, 从而分析电注入条件下PT对称对模式调控带来的影响.
首先计算了条形波导有源腔和无源腔中共振模式的本征频率, 波导结构如图3所示. 其中黄色部分为增益区, 蓝色部分为损耗区, 模拟区域的外围通过完美匹配层对泄漏光进行吸收. 通过对共振频率的本征值求解, 得到复数形式的特征频率 $f = {f_{\rm{R}}} + {\rm{i}}{f_{\rm{I}}}$, 其中fR为特征频率的实部, fI为特征频率的虚部. 波导的折射率$n = {n_{\rm{R}}} + {\rm{i}}{n_{\rm{I}}}$, 其中nR为折射率实部, nI为折射率虚部. 可以通过对复折射率的设置, 来构建一个满足PT对称性的势, 即要求$n\left( x \right) = {n^*}\left( { - x} \right)$. 分别设置增益区折射率为${n_{\rm{l}}} = {n_{{\rm{Rl}}}} + {\rm{i}}{n_{{\rm{Il}}}}$, 损耗区折射率分布为${n_{\rm{r}}} = {n_{{\rm{Rr}}}} + {\rm{i}}{n_{{\rm{Ir}}}}$. 由于在制备器件后, 损耗往往较为固定, 可以通过增益的调节来分析PT对称的性质. 因此, 设另两部分的折射率实部满足${n_{{\rm{Rl}}}} = {n_{{\rm{Rr}}}} = 3.42$, 分别固定损耗区折射率虚部为${n_{{\rm{Ir}}}} = - 0.01$以及${n_{{\rm{Ir}}}} = - 0.05$, 调节${n_{{\rm{Il}}}}$的大小, 计算模式的变化, 结果如图4图5所示.
图 3 条型波导模拟结构图
Figure3. Simulation structure of stripe waveguide.

图 4 折射率虚部为${n_{{\rm{Ir}}}} = - 0.01$${n_{{\rm{Ir}}}} = - 0.05$时, 波长与${n_{{\rm{Il}}}}$的关系图
Figure4. Relationship between wavelength and ${n_{{\rm{Il}}}}$ when ${n_{{\rm{Ir}}}} = - 0.01$ and ${n_{{\rm{Ir}}}} = - 0.05$.

图 5 折射率虚部为nIr = –0.01以及nIr = –0.05时, 特征频率虚部与${n_{{\rm{Il}}}}$的关系图
Figure5. Relationship between the imaginary part of the characteristic frequency and ${n_{{\rm{Il}}}}$ when ${n_{{\rm{Ir}}}} = - 0.01$ and ${n_{{\rm{Ir}}}} = - 0.05$.

图4图5为固定损耗区虚部为–0.01和–0.05时的模拟结果, 其中图4${n_{{\rm{Il}}}}$和波长的关系曲线图, 图5${n_{{\rm{Il}}}}$和特征频率虚部的关系曲线图. 可以看到, 随着${n_{{\rm{Il}}}}$的增大特征频率的虚部数值首先增大, 达到破缺点后分叉, 其中一个模式的虚部迅速减小, 演化为吸收模式(absorption mode), 另一个模式的虚部增大, 作为发射模式(lasing mode). 发射模式和吸收模式被主要限制在增益区和损耗区[18]. 图中, 黑线和红线是固定虚部为–0.01时发射模式以及吸收模式曲线, 蓝线和绿线是固定虚部为–0.05时发射模式以及吸收曲线. 根据图4可以看出, 随着损耗区损耗的增加, PT对称破缺发生时所对应的的${n_{{\rm{Il}}}}$的数值更小, 且破缺点的模式简并度更高. 根据图5还可以看出, 特征频率的虚部在破缺点时的数值还会明显下降.
这个现象可以通过耦合模方程来理解[24]:
${\beta _{\rm{c}}} = \frac{{{\beta _1} + {\beta _2}}}{2} \pm \sqrt {{{\left( {\frac{{{\beta _1} - {\beta _2}}}{2}} \right)}^2} + {\kappa ^2}} , $
其中βc为耦合后的传播常数, β1β2表示两种非耦合模式的无扰动解, $\kappa $为耦合系数, 当损耗腔和增益腔, 除损耗外的参数全都相同时, 可得
${\beta _{\rm{c}}} = {\beta _{\rm{r}}} + {\rm{i}}\frac{{{\gamma _1} + {\gamma _2}}}{2} \pm \sqrt {{\kappa ^2} - {{\left( {\frac{{{\gamma _1} - {\gamma _2}}}{2}} \right)}^2}} , $
${\beta _{\rm{r}}}$为传播常数的实部, 显然在PT对称破缺点时, 增益损耗$({{{\gamma _{1 - }}{\gamma _2}}})/{2}$与耦合系数$\kappa $之间要满足一定的比例关系[25,26], 使$ \pm \sqrt {{\kappa ^2} - {{\displaystyle\left( {\frac{{{\gamma _1} - {\gamma _2}}}{2}} \right)}^2}} $项带来的虚部刚好为0, 当固定损耗增加时, PT对称破缺点对应的增益数值下降. 并且破缺点处对应的虚部数值$({{{\gamma _1} + {\gamma _2}}})/{2}$, 由于γ1数值减小以及γ2的减小(固定损耗增大), 也会明显减小.
本文还对器件结构对称性的影响进行了模拟分析, 分别模拟了增益区与损耗区长度比例为5∶5, 7∶3以及8∶2时的结果, 如图6图8所示.
图 6 增益区和损耗区长度比为5∶5, 7∶3以及8∶2时的结构图
Figure6. Simulation structure of ridged waveguide when length ratio of gain region and loss region is 5∶5, 7∶3, and 8∶2.

图 8 长度比为5∶5, 7∶3以及8∶2时, 特征频率虚部与${n_{{\rm{Il}}}}$的关系图
Figure8. Relationship between the imaginary part of the characteristic frequency and ${n_{{\rm{Il}}}}$ when the length ratio is 5∶5, 7∶3, and 8∶2.

图6为增益区与损耗区长度比例分别为5∶5, 7∶3以及8∶2时的结构图, 图7图8为固定损耗区虚部为–0.05时模拟结果. 其中图7${n_{{\rm{Il}}}}$和波长的关系曲线, 图8${n_{{\rm{Il}}}}$和特征频率虚部的关系曲线. 图中, 黑线和红线、蓝线和绿线、紫线和棕线分别对应增益区与损耗区长度比例为5∶5, 7∶3以及8∶2时的发射模式以及吸收模式. 由于模拟结构的总长度不变, 非对称性的增加, 在这里可以理解为损耗腔损耗的减小, 增益腔带来的增益与损耗腔带来的损耗$({{{\gamma _1} - {\gamma _2}}})/{2}$与耦合系数$\kappa $之间仍然要满足耦合模方程中PT对称破缺点时对应的关系, 损耗的减小会导致PT对称破缺点处对应增益的变大, 且破缺点处对应的特征频率虚部数值变大.
图 7 长度比为5∶5, 7∶3以及8∶2时, 波长与${n_{{\rm{Il}}}}$的关系图
Figure7. Relationship between wavelength and ${n_{{\rm{Il}}}}$ when the length ratio is 5∶5, 7∶3, and 8∶2.

在激射条件下, 通过对注入电流的控制来实现增益的调制, 将激光器的输出在热电制冷器(thermoelectric cooler, TEC)制冷的条件下由光纤导入光谱仪中, 测试了其腔模(非激射模)与注入电流大小的关系, 发现当电流达到PT对称破缺(约320 mA)后, 发生模式简并现象, 测试结果如图9所示.
图 9 腔模强度与波长关系 (a)注入电流为100 mA; (b)注入电流分别为310 mA(黑线)、320 mA(红线)以及330 mA(蓝线)
Figure9. Relationship between the normalized intensity and wavelength of cavity modes: (a) The injection current is 100 mA; (b) the injection current is 310 mA (black line), 320 mA (red line) and 330 mA (blue line), respectively.

图9(a)可以看到, 模式间隔0.24 nm与理论计算数值($\Delta \lambda \approx {{{\lambda ^2}}/{(2 nL)}} = 0.25\;{\rm{ nm}}$)基本匹配. 由图9(b)可以明显地发现, 在发生PT对称破缺后, 腔模模式简并, 模式间隔加倍, 并且模式数减半. 这是因为实验制备器件和模拟都是两个腔(gain腔和loss腔), 是两个腔内模式的耦合, PT对称破缺点其实就是传播常数中$\sqrt {{\kappa ^2} - {{\left( {\displaystyle\frac{{{\gamma _1} - {\gamma _2}}}{2}} \right)}^2}} $项虚部刚好为0的点, 这就是两个模式简并为一个模式的原因, 表现出来的现象就是模式数减半, 相应地, 模式间隔就会加倍. 当腔的个数改变时, 有可能实现更高阶的模式简并, 比如模式数变为1/3, 模式间隔变为3倍或更多的现象[26].
通过模拟分别分析了损耗的大小和非对称性对于PT对称性的影响, 发现损耗区固定损耗的增加会导致PT对称破缺点所对应的${n_{{\rm{Il}}}}$数值变小, 并且会使破缺点对应特征频率的虚部减小; 激光器总腔长不变的情况下, 非对称性的增加会导致PT对称破缺点所对应的${n_{{\rm{Il}}}}$数值变大, 并且会使破缺点对应特征频率的虚部变大. 本文还通过电注入脊条波导实验, 观察到了激射条件下, 腔模发生PT对称破缺的现象, 即腔模的模式间隔加倍以及模式数减半. 电注入条件下PT对称性的引入有利于对半导体激光器实现更好的模式调控, 并且使PT对称性在小尺寸、复杂结构器件中的实现更为容易.
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