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Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12778 (2022) Citar este artículo

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Recientemente, los moduladores totalmente ópticos son potencialmente los candidatos más prometedores para lograr una modulación de alta tasa de bits en tecnologías de comunicación totalmente ópticas de alta velocidad y procesamiento de señales. En este estudio, se presenta un modulador totalmente óptico de dos canales basado en una estructura de puntos cuánticos procesada en solución para dos tamaños de puntos cuánticos para operar en dos longitudes de onda de espectros MIR (3 µm y 5 µm). Para realizar análisis numéricos y teóricos y evaluar el comportamiento óptico del modulador totalmente óptico propuesto, las ecuaciones de velocidad acoplada y propagación se han resuelto considerando efectos de ensanchamiento homogéneos y no homogéneos. Se alcanza la profundidad de modulación a la frecuencia de 50 GHz y una potencia de sonda de 3 mW, aproximadamente un 94 % para el canal 1 con una longitud de onda de 559 nm a una densidad de potencia de bombeo de 300 Wcm−2, así como aproximadamente un 83,5 % para el canal 2 con una longitud de onda de 619 nm a una densidad de potencia de bombeo de 500 Wcm−2. El modulador totalmente óptico de dos canales presentado puede operar simultáneamente en dos longitudes de onda durante el proceso de modulación en el que la información podría transmitirse a través de ambas señales desde la luz de control. Este enfoque puede presentar el dispositivo práctico como un modulador totalmente óptico de dos canales de alto contraste y alta velocidad con una gran profundidad de modulación en numerosas aplicaciones, como imágenes térmicas en cámaras de visión nocturna, demultiplexación de longitud de onda, procesamiento de señales, libre comunicación espacial.

La demanda cada vez mayor de transmitir una gran cantidad de datos se ha sentido desde 1993, cuando Internet estuvo disponible para el público en todo el mundo. La red de fibra óptica con medio de transmisión natural disfruta de un gran ancho de banda, por lo que las fibras monomodo estándar tienen un ancho de banda de hasta 25 THz, requiriendo una tasa de bits muy alta. Hoy en día, las redes de fibra óptica en todo el mundo operan a una tasa de bits de 40 Gbps, y la tecnología de punta siempre avanza hacia la mejora de las tasas de bits y las altas velocidades1,2. Por lo tanto, las tecnologías de comunicación óptica de alta velocidad y el procesamiento de señales dependen principalmente de los dispositivos mencionados como moduladores ópticos. De hecho, los moduladores juegan un papel importante en la comunicación óptica en comparación con otros componentes. Utilizando estos componentes, la información se transmite en haces ópticos después de viajar millas y luego se transporta por fibras ópticas al centro de las redes de telecomunicaciones y de intercambio de datos3,4. En los últimos años, los moduladores ópticos han tenido un papel importante en la optoelectrónica y los dispositivos fotónicos debido a su gran ancho de banda y baja pérdida, y lograron un enorme desarrollo en el procesamiento de información óptica, las interconexiones ópticas, la ingeniería de láser pulsado y la detección ambiental5,6, 7,8,9.

Los moduladores totalmente ópticos (AOM) son potencialmente el candidato más prometedor para lograr una modulación de alta tasa de bits, en la que la luz es modulada por la luz110,11,12,13 y tiene ventajas únicas en el procesamiento de señales totalmente ópticas en comparación con la modulación electroóptica. o modulación acústico-óptica14,15. Recientemente, es probable que la modulación totalmente óptica habilite redes fotónicas rápidas debido a la eliminación del proceso de conversión entre luz y electricidad en la conmutación óptica convencional4,10. Los AOM han sido ampliamente inspeccionados por su ancho de banda amplio, respuesta rápida y tamaño compacto, en los que la señal de luz se puede modular en el dominio fotónico sin ejercer ningún efecto térmico, electrónico y de otro tipo externo5,8,9. El progreso de AOM tiene como objetivo no solo aumentar la velocidad de rendimiento, sino también proporcionar aplicaciones novedosas, como comunicación de banda ancha en el espacio libre, imágenes de la atmósfera anti-fluctuaciones y detección ultrarrápida del tiempo de vuelo, basadas en las tecnologías de detección MIR actuales16 ,17.

Para el control activo de la luz, ha habido numerosas aplicaciones interesantes mediante la aplicación de puntos cuánticos semiconductores (QD)4,10,18. Recientemente, los estudios sobre AOM en la longitud de onda de las telecomunicaciones se han desarrollado a fondo y hemos sido testigos de avances notables en este campo. Con este fin, se logró una demostración experimental de AOM basada en la interacción eficiente entre la luz de control a una longitud de onda de 515 nm y la luz de señal a 1426 nm, convirtiéndolos en polaritones de plasmón de superficie (SPP) co-propagantes, que interactúan a través de un capa delgada de CdSe QD. La modulación óptica a densidades de potencia bajas (∼ 100 Wcm−2) y frecuencia de modulación alrededor de 25 MHz se observó debido al alto confinamiento del campo SPP y la sección transversal de absorción QD alta13. Para promover la profundidad de modulación (MD) y la frecuencia de modulación en este rango de longitudes de onda, también se ha informado hipotéticamente de un procedimiento novedoso para diseñar un AOM basado en vidrio dopado con CdSe-QDs en el que la luz fuerte (560 Wcm−2) bombea a una longitud de onda de 460 nm para modular la señal luminosa a 1522 nm con MD del 96% y frecuencia de modulación de 70 GHz4. Gracias a las propiedades ópticas únicas de los materiales 2D en el desarrollo de operaciones de luz de control de luz, se puede lograr experimentalmente un AOM de microfibra revestido de grafeno con un MD del 38% y una frecuencia de modulación de 200 MHz donde la luz de la señal a la longitud de onda de 1550 nm era controlado por una luz a 1064 nm19. Además, se diseñó un AOM que utiliza un método de modulación de fase cruzada espacial basado en MXene en el que se aprovechó una luz de control fuerte (∼ 40 Wcm−2) a una longitud de onda de 671 nm para modular otra luz de señal débil a 532 nm20.

Hasta ahora, el rango de longitudes de onda de las telecomunicaciones ha sido el foco de la mayoría de los logros y estudios de los investigadores en el campo de los moduladores ópticos de silicio. La región de longitud de onda del infrarrojo medio (MIR) al infrarrojo lejano (FIR) ha atraído menos atención, a pesar de su gran potencial y gran demanda en el mercado16,21. Las aplicaciones más destacadas en MIR, incluidas la comunicación en el espacio libre, las contramedidas de seguridad y las imágenes térmicas, emplean la alta transmisión de la atmósfera terrestre en el rango de longitud de onda entre 3,5 μm y 5 μm. La longitud de onda más larga garantiza una menor dispersión en comparación con el infrarrojo cercano (NIR) y la luz visible, así como también garantiza que no haya transiciones vibratorias activas de las moléculas de H2O y CO2, lo que permite que se detecte de forma remota con un impacto insignificante de las condiciones climáticas16,22. En esta dirección, se demostró un AOM de 50 MHz que consiste en germanio sobre guías de onda de silicio en el rango de longitud de onda MIR (2 ∼ 3 μm), con MD de 60%23. Además, mediante el uso de una membrana óptica de silicio, teóricamente se ha presentado un AOM dentro del cual la MD se promueve al 80% utilizando la fluencia de la bomba de 3,8 mJ/cm2 y operando en el MIR que oscila entre 4 μm y 6 μm16. Recientemente, se diseñó experimentalmente un AOM de dos canales de carburo de niobio (Nb2C) asistido por una película de Nb2CPVA basada en el efecto termoóptico. Los resultados de la investigación muestran que Nb2C AOM ha transmitido con éxito los datos ópticos de la luz de control en longitudes de onda de 980 nm y 793 nm a la luz de señal en dos longitudes de onda de telecomunicaciones de 1,5 μm y 2,0 μm, respectivamente. La MD de este sistema es del 23,3% y la frecuencia de modulación más alta es de 5 KHz, lo que proporciona una velocidad baja y una MD24 baja.

Los materiales procesados ​​en solución, como los puntos cuánticos coloidales (CQD), ofrecen una mayor absorción, procesamiento a temperatura ambiente, fabricación de bajo costo y facilidad de fabricación en áreas grandes sobre sustratos rígidos o flexibles25,26,27,28. Teniendo en cuenta el CQD procesado en solución, en este documento se ha propuesto un diseño novedoso para AOM de dos canales de alta velocidad y alto contraste para lograr controlar dos luces de señal débil en el rango del espectro MIR mediante dos luces visibles de control fuerte simultáneamente. En los sistemas cuánticos, los espectros de absorción óptica de los QD pueden dominarse ampliamente mediante el efecto de tamaño cuántico para lograr una absorción sintonizable25,29. Por lo tanto, en el AOM de dos canales introducido, se ajustan dos tamaños de QD para absorber las dos longitudes de onda de la luz visible como señales de bombeo, para modular dos longitudes de onda del espectro MIR como señales de sonda, respectivamente. Uno de los aspectos más prometedores de este modulador de dos canales es la posibilidad de ejecutar simultáneamente en dos longitudes de onda durante el proceso de modulación.

Por último, pero no menos importante, el AOM de dos canales puede funcionar en frecuencias altas de hasta 50 GHz, lo que proporciona una MD alta > 80 % y tiene un rendimiento mucho mejor que los estudios informados anteriormente. Por lo tanto, este modulador se puede utilizar en numerosas aplicaciones, incluidas las imágenes térmicas en cámaras de visión nocturna, la demultiplexación de longitud de onda (WDM), el procesamiento de señales, etc. Además, el AOM propuesto podría desarrollarse para más tamaños de QD para lograr una modulación multicanal.

En esta investigación, se ha propuesto un AOM de dos canales de alta velocidad y alto contraste que utiliza dos grupos diferentes de QD sintetizados por la tecnología de proceso de solución. El esquema del AOM de dos canales propuesto se muestra en la figura 1A, en la que las señales de bomba y sonda se aplican a través de dos canales diferentes. Entre todos los criterios para diseñar un modulador, la selección de nanomateriales como absorbente es importante.

El esquema del AOM de dos canales propuesto. (A) Esquema de una matriz de dos tamaños de estructura QDs core/shell CdSe/ZnS. (B) El diagrama de banda de energía de la estructura propuesta que incluye la absorción del portador, el proceso de recombinación y la transferencia de energía de resonancia de fluorescencia (FRET) en dos tamaños de QD.

Por lo tanto, para realizar la modulación de dos canales, se explota una estructura de núcleo/capa que incluye una matriz de dos tamaños diferentes de QD de CdSe rodeados por una capa de ZnS como absorbente de luz visible con radios de R1 y R2 dispuestos de forma aleatoria e irregular y correspondientes al canal. -1 (QD verdes) y canal-2 (QD rojos), respectivamente.

Las transiciones de los portadores entre los estados fundamentales de la banda de conducción y la banda de valencia juegan un papel clave en el proceso de modulación4. Dos rayos láser, incluidas las señales de bombeo moduladas con longitudes de onda de 559 nm (verde) y 619 nm (rojo), se aplican como señales de información, así como dos rayos láser de ondas continuas (CW), incluidas las señales de sonda con longitudes de onda de 3 μm y 5 μm (espectro MIR) se aplican simultáneamente y se establecen para los radios QD de R1 = 2 nm y R2 = 2,8 nm, respectivamente.

El proceso de absorción y recombinación al considerar las constantes de tiempo de relajación se ilustra en la Fig. 1B. Como se indica en esta figura, el diagrama de bandas de energía incluye el estado fundamental de la banda de conducción (GSc), el estado excitado de la banda de conducción (ESc), el estado fundamental de la banda de valencia (GSv) y el estado excitado de la banda de valencia (ESv) corresponde a los QD verdes pequeños (canal 1) y los QD rojos grandes (canal 2) junto con las dinámicas de portadores y fotones que describen el rendimiento del AOM de dos canales. Cada señal de sonda se absorbe como resultado de la transición entre subbandas de GSc a ESc dentro de los grupos QD relacionados, siempre que las portadoras hayan sido excitadas por las señales de bombeo debido a la absorción entre bandas entre GSv y GSc dentro de los grupos correspondientes de QD. Además, las constantes de tiempo relacionadas con el proceso de relajación de los portadores en cada grupo QD se indican en la Fig. 1B como τegc (tiempo de relajación de electrones desde ESc a GSc), τgev (tiempo de relajación de electrones desde GSv a ESv), τgr (tiempo de recombinación de electrones desde GSc a GSv), τer (tiempo de recombinación de electrones desde ESc a ESv), las constantes de tiempo relacionadas con el mecanismo FRET se muestran como τdown-trans-g(e) (tiempo de transición de electrones desde GSc (ESc) del canal-1 al GSc (ESc) del canal-2) y τup-trans-g(e) (tiempo de transición de electrones desde el GSc (ESc) del canal-2 al GSc (ESc) del canal- 1).

En los sistemas basados ​​en QD, la vida útil de la recombinación de portadores es de unos nanosegundos, lo que es un obstáculo para llegar a dispositivos de alta velocidad. Se verifica que a diferencia del tiempo de relajación del electrón que depende del solvente en el que se cultiva, el tiempo de relajación del hueco es independiente del tratamiento superficial del nanocristal30. Además, debido al aumento de la relación superficie-volumen al reducir el tamaño del QD, las tasas de relajación ascienden31,32, lo que conduce a un rápido atrapamiento de portadores en estados superficiales. Aunque el espacio entre los niveles de energía se vuelve más grande al disminuir el tamaño del QD, el tiempo de vida de la recombinación de electrones desciende32. Por lo tanto, el tiempo de recombinación de electrones de los estados trampa se considera en el cálculo de τgr y τer en el que estos valores se reducen de nanosegundos a picosegundos para obtener AOM de dos canales de alta frecuencia4,30,33.

Con respecto a los parámetros ambientales del sistema, el área efectiva de la fuente de luz incidente es de 200 μm × 200 μm, y la temperatura es de 300 K. El rayo láser generalmente incide en la superficie lateral del dispositivo donde pasa la longitud de L La luz que toca la superficie del modulador es monocromática.

Esta sección contiene cuatro subsecciones. En primer lugar, para el análisis modal de AOM de dos canales, la ecuación 3D de Schrödinger se ha resuelto para obtener energías propias y funciones de onda. Por lo tanto, el diagrama de banda de energía de la estructura simulada se puede lograr para modelar el proceso de absorción y recombinación. En segundo lugar, el ensanchamiento homogéneo y no homogéneo que surge de efectos intrínsecos como la presión o la temperatura y la falta de uniformidad de los tamaños de QD como resultado del método de proceso de solución se aplican a los coeficientes de absorción entre subbandas y entre bandas. En tercer lugar, la transferencia de energía de resonancia de fluorescencia (FERT) debido al uso de dos tamaños diferentes de puntos cuánticos en el AOM de dos canales ocurre entre dos QD. Por lo tanto, estas transiciones se incluyen en las ecuaciones de tasa acopladas. En cuarto lugar, para analizar el rendimiento de AOM de dos canales y caracterizar los factores esenciales del modulador, las ecuaciones de velocidad acoplada y propagación se resuelven mediante el método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD).

Dependiendo de la aproximación de masa efectiva, las energías propias y las funciones de onda correspondientes de GSc, ESc, GSv y ESv se han obtenido resolviendo la ecuación de Schrödinger en 3D explotando el software basado en el método de elementos finitos utilizando los parámetros mencionados en la Tabla 1. Para Al expandir la estructura simulada al dispositivo práctico diseñado, se aplica la condición de frontera periódica.

El diagrama de bandas de energía del sistema se ha ilustrado en la Fig. 2A. Las líneas verde y roja corresponden a la energía propia de los grupos QD verde y rojo, respectivamente. Como muestra la Fig. 2A, la diferencia entre GSv y GSc en los QD definidos es de aproximadamente 2,2 eV para el canal 1 con el radio de R1 y 2 eV para el canal 2 con el radio de R2, ajustado adecuadamente para la absorción entre bandas del haz de luz. en las longitudes de onda verde y roja, respectivamente. Además, la diferencia entre GSc y ESc es de 0,4 eV para el canal 1 y de 0,25 eV para el canal 2, lo que es adecuado para la absorción entre subbandas de longitudes de onda de 3 μm y 5 μm, respectivamente. Las funciones de onda calculadas en 3D según GSc de cada grupo QD se muestran en la Fig. 2B,C. Además, se especifica la sección transversal del gráfico 3D en el plano xy, y la función de onda de GSc y ESc del modo principal se ilustra para el canal 1 y el canal 2 en la Fig. 2B,C.

El análisis modal de AOM de dos canales. (A) Estructura de banda del AOM de dos canales de núcleo/carcasa de CdSe/ZnS que indica que la diferencia entre los estados fundamentales de las bandas de valencia y conductora en QD definidos es de aproximadamente 2,2 eV para el canal 1 y 2 eV para el canal 2. También , la diferencia entre el estado fundamental y el estado excitado de las bandas conductoras es de 0,4 eV para el canal 1 y de 0,25 eV para el canal 2. (B) Funciones de onda de CdSe QD simuladas resolviendo la ecuación de Schrödinger 3D en el software FEM. Se especifica una sección transversal de la estructura de núcleo/carcasa 3D en el plano x–y y se ilustra la función de onda de GSc s (izquierda) y ESC s (derecha) del modo principal para el canal 1 y (C) para el canal 2.

Para un modulador, los criterios de evaluación incluyen MD, frecuencia de modulación, costo de fabricación, energía de conmutación, tamaño del dispositivo, dificultad de fabricación, compatibilidad del dispositivo con tecnología electrónica o fotónica, etc.4. En esta sección, se explica en detalle el impacto del ensanchamiento homogéneo (HB) y el ensanchamiento no homogéneo (IHB) en la MD de la estructura propuesta. Además, la MD en función de la potencia de la bomba, la potencia de la sonda y la frecuencia de la bomba se calcula mediante ecuaciones de velocidad, y los resultados se ilustran en la sección de resultados de la simulación.

Debido al método del proceso de solución, que ofrece una fabricación de bajo costo, mayor absorción y un sistema químico simple con condiciones experimentales controlables, el logro del tamaño exacto de los QD está limitado debido a una restricción insignificante de las condiciones de síntesis34,35,36,37. Por lo tanto, el tamaño de cada grupo QD relacionado con las longitudes de onda deseadas puede desviarse del valor central del radio dando como resultado la distribución de niveles de energía llamada IHB. Teniendo en cuenta estos efectos de la falta de uniformidad del tamaño de los QD en los espectros de absorción del MD, el IHB de los niveles de energía se modela mediante la función gaussiana en la que el conjunto de QD se divide en 2M + 1 grupos de puntos idénticos con un intervalo de energía de ΔE= 1 meV38,39,40,41.

Aquí, \(E_{0,i}^{p}\) es la energía de transición entre bandas o entre subbandas del tamaño más probable de los QD (M + 1-ésimo grupo de QD), n es el índice relacionado con el número de QD activos modos, el índice de i es igual a 1 para el canal 1 y 2 para el canal 2, y ξ0 es la cobertura QD en la que la mitad máxima de onda completa (FWHM) es igual a 34,38. Por otro lado, los efectos intrínsecos como la presión o la temperatura en todos los QD conducen al HB de los niveles de energía que impactan homogéneamente en todos los grupos. Una de las propiedades más destacadas en los semiconductores es la evolución de la HB de la luminiscencia de los excitones sobre la temperatura, ya que está directamente asociada con las interacciones entre los excitones (portador-portador), la dispersión fonón-portador y los modos vibracionales de la red. Es bien sabido que tal interacción conduce a un ancho de línea dependiente de la temperatura. El HB está modelado por una función lorentziana con \(\Gamma_{HB}\) como su FWHM, que se considera como 20 meV a temperatura ambiente38,42.

Considerando los ensanchamientos obtenidos, a continuación se calculan los coeficientes de absorción lineal interbanda e intersubbanda. El coeficiente de absorción entre bandas que surge de la potencia de bombeo aplicada da como resultado las transiciones de GSv a GSc, y se logra mediante43,

De manera similar, el coeficiente de absorción entre subbandas que surge de la potencia de la sonda aplicada conduce a las transiciones del estado fundamental en la banda conductora (GSc) al estado excitado en la banda conductora (ESc) y se obtiene a través de44,

donde e es la carga elemental, c es la velocidad de la luz en el espacio libre, ε0 es la permitividad en el espacio libre, ħ es la constante de Planck reducida, \(\varepsilon_{QD}\) es la constante dieléctrica de CdSe QDs, ε es la dieléctrica constante de ZnS, y \(V_{QD,i}\) es el volumen de QD único relacionado. Los términos \(| < \Psi_{g,i}^{v} |\widehat{e}.\widehat{r}|\Psi_{g,i}^{c} > |\) y \(| < \Psi_{g,i}^{c} |\widehat{e}.\widehat{r}|\Psi_{e,i}^{c} > |\) son los momentos dipolares de transición entre bandas y entre subbandas, respectivamente en que \(\Psi_{g(e)}^{v(c)}\) se representa en la Fig. 2. La polarización de la luz incidente se establece en 45 grados en los que se obtiene el momento dipolar máximo entre subbandas del CdSe QD .

La transferencia de energía por resonancia de fluorescencia (o Förster) (FRET) es un proceso de transferencia de energía no radiativa desde un donante fluorescente a un aceptor de menor energía a través de las interacciones de los momentos dipolares del donante y el aceptor45. Este mecanismo se investiga con especial atención en muchas aplicaciones entre los puntos cuánticos de semiconductores (QD). Se discuten los fundamentos de FRET dentro de una población QD nominalmente homogénea, así como la transferencia de energía entre dos colores distintos de QD46. En el AOM de dos canales propuesto debido al uso de dos tamaños diferentes de QD, este proceso de transición se considera como una tasa de transferencia \(\left( {W_{12,n}^{l} } \right)\)obtenida a través de :

donde, \(V_{eff}\) es el volumen efectivo de dos tamaños de QD, \(n_{r}\) es el índice de refracción de los QD y \(E_{12}^{l} = E_{1} ^{l} - E_{2}^{l}\). Las constantes de tiempo de las transiciones entre dos tamaños de QD se calculan a través de \(\tau_{arriba(abajo)\_trans}^{l} = 1/W_{12,n}^{l}\) y se incluyen en ecuaciones de tasa acopladas .

El rendimiento de la mayoría de los dispositivos optoelectrónicos generalmente se ha analizado resolviendo la ecuación de velocidad acoplada. Con este fin, las características del AOM de dos canales propuesto se han calculado utilizando las ecuaciones de velocidad acopladas desarrolladas, junto con la ecuación de propagación para los haces de bomba y sonda. Es bueno mencionar que las señales de la sonda CW y el tren de pulsos gaussiano de las señales de bombeo se aplican en z = 0 y se propagan a lo largo de la dirección z. Las señales de salida se calculan en z = L. Por lo tanto, la ecuación de velocidad desarrollada y las ecuaciones de propagación para el AOM de dos canales se expresan como:

donde \(n_{{g_{n,i} }}^{c}\), \(n_{{e_{n,i} }}^{c}\), \(n_{{g_{n, i} }}^{v}\) y \(n_{{e_{n,i} }}^{v}\) son el número de electrones en GSc, ESc, GSv y ESv, respectivamente. Además, \(P_{m,i}^{bomba}\) y \(P_{m,i}^{probe}\) son la potencia óptica de la señal de bomba y la señal de sonda CW, respectivamente. Las probabilidades de ocupación de portaaviones correspondientes se demuestran como \(f_{{g_{ni} }}^{c}\), \(f_{{e_{ni} }}^{c}\), \(f_{{g_ {ni} }}^{v}\) y \(f_{{e_{ni} }}^{v}\), respectivamente. Además, el número de electrones relacionados con sus correspondientes probabilidades de ocupación como \(n_{{g_{n,i} }}^{c(v)} (z,t) = f_{{g_{n,i} }} ^{c(v)} (z,t)N_{{G_{i} }}^{c(v)}\), \(n_{{e_{n,i} }}^{c(v) } (z,t) = f_{{e_{n,i} }}^{c(v)} (z,t)N_{{E_{i} }}^{c(v)}\). Todas las constantes de tiempo se presentan en la sección 'El AOM de dos canales propuesto', en detalle. Además, las constantes de tiempo del proceso de escape de electrones en las bandas de conducción y valencia se obtienen como

donde \(\Delta E_{{_{eg} }}^{c(v)}\) es el espacio de energía entre ESc(v) y GSc(v)47,48,49. Además, \(D_{g}^{c(v)}\) y \(D_{e}^{c(v)}\) son la degeneración electrónica de los estados fundamental y excitado en la conducción y la valencia banda, respectivamente, que está determinada por \(D_{g}^{c} = 2\), \(D_{e}^{c} = 6\), \(D_{g}^{v} = 2\ ), y \(D_{e}^{v} = 6\)50. El número total de electrones de cada estado, GSc, ESc, GSv y ESv se demuestran con \(N_{{G_{i} }}^{c(v)} = N_{QD,i} V_{d} D_{g}^{c(v)}\), \(N_{{E_{i} }}^{c(v)} = N_{QD,i} V_{d} D_{e}^{c (v)}\), donde Vd es el volumen de la región activa y NQD,i es la densidad QD correspondiente para el canal 1 y 2, respectivamente.

El AOM de dos canales se ha caracterizado por resolver las ecuaciones mejoradas de velocidad y propagación. (7–14). Por lo tanto, la región activa de la estructura se divide en 100 partes en la dirección z y cada parte se analiza completamente en el dominio del tiempo. Los parámetros requeridos y las constantes de tiempo se especifican en la Tabla 2. Luego se calcula la dinámica de las densidades de los portadores, así como la potencia óptica de la bomba y las señales de la sonda para cada región. Este proceso continúa hasta el final de la última región. Además, el coeficiente de absorción interbanda e intrabanda total se puede obtener como,

La potencia de la sonda de entrada CW para el canal 1 y el canal 2 es igual a 3 mW, ambos modulados por dos señales de bombeo en las que su amplitud de entrada es de 120 mW y 200 mW para el canal 1 y el canal 2, respectivamente. . Se aplica un tren de pulsos gaussiano de entrada con un ancho de pulso de 100 fs a la frecuencia de 50 GHz. Con el primer pulso de la bomba aplicado al modulador, el número de electrones en el nivel GSv disminuye. Por el contrario, el número de electrones a nivel de GSc aumenta debido a la absorción entre bandas. La longitud de onda de 3 μm como señal de sonda se aplica simultáneamente al canal 1 y, mientras tanto, la longitud de onda de 5 μm de señal de sonda se aplica al canal 2, todo lo cual se lleva a cabo en la absorción entre subbandas desde el nivel GSc. a la ESC.

El espectro de absorción interbanda e intersubbanda total se obtiene utilizando las Ecs. (16, 17), y se han demostrado en la Fig. 3A en t = 11 ps para el canal 1 y el canal 2 antes de aplicar el pulso de bomba en t = 12 ps, en el que se indica mediante líneas discontinuas de color verde oscuro y rojo oscuro ( espectro entre bandas) y líneas discontinuas de color verde claro y rojo claro (espectro entre subbandas) para el canal 1 y el canal 2, respectivamente. Obviamente, se muestra que la absorción total entre subbandas es despreciable para ambos canales debido a la falta de portadoras en el GSc como resultado de la ausencia de la señal de bombeo. Además, el espectro de absorción interbanda e intersubbanda total en t = 12 ps (cuando se aplica la bomba gaussiana con una frecuencia de 50 GHz) se ha representado en la Fig. 3A mediante líneas continuas de color verde oscuro y rojo oscuro (espectro interbanda) y continuas de color verde claro y claro. líneas rojas (espectro entre subbandas) para el canal 1 y el canal 2, respectivamente. La aplicación de la señal de bombeo conduce a aumentar el coeficiente de absorción total entre subbandas. Además, la dinámica de la absorción total entre bandas y entre subbandas para el canal 1 y el canal 2 se ha ilustrado en la Fig. 3B, C, respectivamente. Finalmente, la potencia de la sonda modulada de salida se representa después de aplicar el tren de pulsos de bomba a la frecuencia de 50 GHz en la Fig. 3D, en la que la potencia de la sonda CW de entrada es de 3 mW para el canal 1 y el canal 2.

El rendimiento de AOM de dos canales. (A) El espectro total del coeficiente de absorción interbanda e intersubbanda para el canal 1 y el canal 2 antes y después de aplicar el pulso de bombeo, (B) y (C) Dinámica del coeficiente de absorción total interbanda e intersubbanda para el canal 1 y el canal 2 , respectivamente, (D) La potencia de la sonda modulada de salida en la que la potencia de la sonda CW de entrada es de 3 mW para el canal 1 y el canal 2, mediante la aplicación de un tren de pulsos de bomba a una frecuencia de 50 GHz.

Uno de los factores más esenciales en las características de un modulador es la profundidad de la modulación, que se define como el cambio en la amplitud de las señales de la sonda cuando se opera la modulación. Cuando la señal de la bomba se aplica al modulador, la señal de la sonda aplicada simultáneamente comienza a absorberse y justo entonces se absorbe la energía de la sonda, la señal de salida pasa al estado "APAGADO". Cuando la bomba se apaga, debido a que el proceso de absorción entre bandas se está desacelerando, la potencia de la sonda no se absorberá por completo y la sonda de salida se encenderá. Por lo tanto, la amplitud de la potencia de la sonda (onda portadora) cambia cuando cambia la señal de información (potencia de la bomba), y el cambio más alto en la amplitud se especifica como MD en el proceso de modulación. El MD se calcula por la diferencia entre la potencia de salida en "estado ON" y la potencia de salida en "estado OFF" que se obtiene como 51,52,

Se ha mostrado la MD frente a la densidad de potencia de la bomba a la frecuencia de 50 GHz y la potencia de la sonda de 3 mW para el canal 1 (línea verde continua) y el canal 2 (línea roja continua) para diferentes valores de FWHM de el BHI, en la Fig. 4A–C. Se observa que al mejorar la potencia de la bomba, el MD aumentó como resultado del crecimiento del número de portadores en el GSc. Sin embargo, el MD se saturará cuando la potencia de la bomba alcance valores más altos. En otras palabras, debido a que el nivel de GSc está completamente lleno, MD no se verá afectado por la potencia de la bomba después de este aumento. También se observa que al aumentar \(\Gamma_{IHB}\) (efecto IHB), el valor de MD disminuye. Sin embargo, al aumentar \(\Gamma_{IHB}\), que es equivalente a reducir la precisión del proceso de fabricación a través del método de proceso de solución, el rendimiento de ambos canales simultáneamente es aceptable y se puede lograr una MD superior al 60 %. Cuanto mayor sea la distribución radial en relación con el radio central de los QD, menor será el MD según los resultados obtenidos que se muestran en la Fig. 4A-C. Finalmente, de acuerdo con la Fig. 4B, para una modulación óptima, las densidades de potencia de bombeo se establecen en 300 Wcm−2 y 500 Wcm−2 y \(\Gamma_{IHB}\) se considera 15 meV y 10 meV para el canal 1 y el canal -2, respectivamente.

La dependencia de MD en la potencia de la bomba y la sonda. (A) El MD en función de la densidad de potencia de la bomba de entrada a la frecuencia de 50 GHz y la potencia de la sonda de 3 mW para el canal 1 y el canal 2. Se supone que el FWHM de IHB es ΓIHB1 = 10 meV, ΓIHB2 = 5 meV, (B) ΓIHB1 = 15 meV, ΓIHB2 = 10 meV y (C) ΓIHB1 = 20 meV, ΓIHB2 = 15 meV para el canal 1 y el canal- 2, respectivamente. (D) El MD en función de los valores de potencia de la sonda de entrada en las densidades de potencia de la bomba fija de 300 Wcm−2 y 500 Wcm−2 para el canal 1 y el canal 2, respectivamente, y una frecuencia de 50 GHz para el canal 1 y el canal 2. canal-2. Se supone que el FWHM de IHB es ΓIHB1 = 10 meV, ΓIHB2 = 5 meV, (E) ΓIHB1 = 15 meV, ΓIHB2 = 10 meV y (F) ΓIHB1 = 20 meV, ΓIHB2 = 15 meV para el canal 1 y el canal- 2, respectivamente.

La Figura 4D–F muestra MD como una función de la potencia de la sonda de entrada diferente a la frecuencia de 50 GHz y a la densidad de potencia de la bomba de 300 Wcm−2 y 500 Wcm−2 para los canales 1 y 2, respectivamente. Esta figura muestra que al aumentar la potencia de la sonda de entrada, se puede aumentar el MD. Sin embargo, como se muestra en la figura, con un mayor aumento de la potencia de la sonda desde el umbral de potencia, la MD disminuye. Esto se debe a que al aumentar la potencia de la sonda, se absorben más portadoras en la intersubbanda, y hasta que el ESc alcanza su valor de saturación (no se llena por completo), este procedimiento aumenta MD. Pero después de la saturación del ESc, el proceso de absorción intersubbanda se reduce, por lo que al aumentar la potencia de la sonda, no solo no aumenta la absorción, sino que, por el contrario, la señal de la sonda se transmite a la salida sin absorción, y esto reduce el MD. Como muestra la Fig. 4D-F, la MD se representa de acuerdo con la potencia de la sonda para diferentes \(\Gamma_{IHB}\) s, lo que indica que la MD disminuye con el aumento de \(\Gamma_{IHB}\). Finalmente, de acuerdo con la Fig. 4E para una modulación óptima, la potencia de la sonda se establece en 3 mW para ambos canales y \(\Gamma_{IHB}\) se considera 15 meV y 10 meV para el canal 1 y el canal 2, respectivamente.

Eventualmente, se debe prestar atención a este hecho de que la disminución de la precisión de los procedimientos de fabricación conduce a la reducción de los costos de fabricación. Entonces, para una compensación entre MD alta y fabricación de bajo costo, los valores de 3 mW para la potencia de sonda de ambos canales, 300 Wcm−2 y 500 Wcm−2 para densidades de potencia de bomba con 15 meV y 10 meV para \(\ Gamma_{IHB}\) se opta por el canal 1 y el canal 2, respectivamente.

En la Fig. 5A–C, la potencia de la sonda modulada de salida y MD a diferentes frecuencias de pulso de la bomba se representan para el canal 1 en la columna de la izquierda y para el canal 2 en la columna de la derecha. Se indica que al aumentar la frecuencia de modulación, MD y el rango dinámico entre PON y POFF en la señal de potencia de la sonda disminuye.

La dependencia de MD de la frecuencia de la potencia de bombeo aplicada. (A) La potencia de la sonda modulada de salida a diferentes frecuencias, lo que indica que al aumentar la frecuencia de modulación, MD y el rango dinámico entre PON y POFF en la señal de potencia de la sonda disminuyen. (B) El MD en función de la frecuencia de potencia de la bomba a las densidades de potencia de la bomba de 300 Wcm−2 y 500 Wcm−2 para el canal 1 y (C) para el canal 2, respectivamente, y potencia de sonda de 3 mW para ambos canales -1 y canal-2.

Como se muestra en la Fig. 5A, en el canal 1, los portadores de la banda conductora descienden debido al proceso FRET, por lo que la potencia de la sonda no puede absorberse por completo y la potencia de la sonda de salida no cambia perfectamente al "estado APAGADO". Por lo tanto, la señal de la sonda de salida tendrá una amplitud mayor que su valor mínimo en el "estado APAGADO". Por el contrario, en el canal 2, los portadores de la banda conductora ascienden debido al proceso FRET, por lo que la potencia de la sonda no puede pasar por completo y la potencia de la sonda de salida no cambia perfectamente al "estado ENCENDIDO" porque el sistema no tiene tiempo suficiente para alcanzar su capacidad total. tiempo de recuperación. Como resultado, la señal de la sonda de salida tendrá una amplitud menor que su valor máximo en "estado ON".

Cabe señalar que al aumentar las densidades de potencia de la bomba de entrada se produce un fenómeno no lineal, la absorción de dos fotones, que impide la absorción de la sonda por la bomba. Por lo tanto, los QD se vuelven transparentes a la bomba entrante o a la señal de la sonda y no se absorbe más energía de la sonda. Como resultado, el rendimiento del modulador, que se basa prácticamente en la absorción interbanda e intrabanda, se ve totalmente interrumpido. La máxima densidad de potencia aplicada al dispositivo propuesto está limitada a 600 Wcm−2 13.

En este artículo, se presenta un modelo novedoso para diseñar un AOM de dos canales basado en una estructura QD de CdSe/ZnS procesada en solución. Debido al efecto del tamaño cuántico en los dispositivos cuánticos, se puede lograr un espectro de absorción sintonizable, por lo que este AOM se modela para dos tamaños de QD para modular dos longitudes de onda de espectros MIR (3 µm y 5 µm). El AOM de dos canales propuesto ha sido modelado en el marco de ecuaciones de propagación y velocidad acoplada, considerando ensanchamientos homogéneos y no homogéneos. Se muestra que la MD para el AOM propuesto se puede obtener aproximadamente al 94 % y al 83,5 % para el canal 1 y el canal 2, respectivamente, cuando la densidad de potencia de bombeo de 300 Wcm−2 y 500 Wcm−2 a la frecuencia de 50 GHz se aplican al canal 1 y al canal 2 y la potencia de la sonda de entrada es de 3 mW para ambos canales. Los resultados de la simulación demuestran que el MD disminuye al aumentar el IHB, por lo que es esencial reducir el efecto IHB tanto como sea posible mediante la síntesis de QD con mayor precisión y resolución.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Hannaneh Dortaj, Mohammad Faraji y Samiye Matloub

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SM concibió el concepto de un modulador totalmente óptico de dos canales teniendo en cuenta el proceso de solución y desarrolló un modelo teórico de la estructura propuesta. HD y MF realizaron las simulaciones. Todos los autores escribieron el manuscrito.

Correspondencia a Samiye Matloub.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Dortaj, H., Faraji, M. y Matloub, S. Modulador totalmente óptico de dos canales de alta velocidad y alto contraste basado en puntos cuánticos de CdSe/ZnS procesados ​​en solución. Informe científico 12, 12778 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17084-4

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Recibido: 30 de marzo de 2022

Aceptado: 20 de julio de 2022

Publicado: 27 julio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17084-4

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