تحليل تطبيقي مشخصه هاي ايستا و پوياي ليزرهاي نقطه كوانتومي و ليزرهاي كوانتومي آبشاري با استفاده از الگوي معادلات آهنگ

Comparative Analysis of the Static and Dynamic Performances of Quantum-Dot lasers and Quantum Cascade Lasers Using Rate Equations Model

در اين مقاله مشخصه هاي ايستا و پوياي ليزرهاي نقطه كوانتومي و ليزرهاي كوانتومي آبشاري با استفاده از الگوي استاندارد معادلات آهنگ توصيف شده و نتايج بصورت تطبيقي تحليل شده اند. با استفاده از الگوي ارائه شده، تاثير طول عمر فوتون بر مشخصه هاي خروجي هر دو افزاره بررسي شده است. نتايج شبيه سازي ها نشان مي دهند ليزرهاي كوانتومي آبشاري، به دليل ماهيت فوق سريع گذارهاي درون نواري كه عمدتاً از نوع تابش فونون طولي بوده و داراي زمان گذار چند پيكو ثانيه اي است، براي ليزردهي به چگالي جريان آستانه بالاتري نسبت به ليزرهاي نقطه كوانتومي نيازمند مي باشند، زيرا طول عمر ذاتي حامل ها در ليزرهاي نقطه كوانتومي به دليل ماهيت فرايند بازتركيب نوار-به-نوار اوژه در حدود نانو ثانيه مي باشد. علاوه بر اين، ماهيت فوق سريع گذارهاي فونوني در ليزرهاي كوانتومي آبشاري باعث ميرائي نوسانات در پاسخ گذراي چگالي فوتون ها و همچنين عدم ظهور رزونانس در پاسخ مدولاسيون آنها مي گردد، و اين برخلاف رفتار گذرا و پاسخ مدولاسيون ليزرهاي نقطه كوانتومي مي باشد. اين مشخصه منحصربفرد در ليزرهاي كوانتومي آبشاري باعث مي شود اين افزاره ها گزينه مطلوبي براي كاربردهاي سرعت بالا محسوب شوند.

In this paper, the static and dynamic performances of quantum-dot (QD) semiconductor lasers and quantum cascade (QC) lasers are characterized and analyzed comparatively using the standard rate equations model. Using the presented model, the effect of photon lifetime on both the device’s output characteristics is investigated. Simulated results show that due to the ultrafast nature of intersubband transitions (ISTs) in QC lasers that dominantly induced by the longitudinal optical (LO) phonon emission with a picosecond time scale, the threshold current in QC lasers are much larger than is common for QD lasers, in which the intrinsic carrier lifetime is on the order of a few nanoseconds due to the nature of band-to-band Auger recombination process. Additionally, since the LO-phonon scattering process in QC lasers is an ultra-fast mechanism, transient oscillations of the photon density are overdamped, and no resonance appears in the frequency response. This is in contrast with the transient oscillations and frequency response of QD lasers. For comparison, this unique feature makes QC lasers ideally suited for high-speed operation.