非对称耦合量子阱结构光学性质及其应用的理论研究

论文摘要

最近,当光共振激发非对称耦合量子阱发生耦合产生量子相干效应引起了人们高度关注。尤其,利用非对称量子阱结构研制成亚毫米波发射器、光开关和高效探测器等引起了科学家和材料专家的广泛兴趣。本文,主要对用于光通信系统中非对称耦合量子阱结构的线性及其非线性光学性质及其应用进行了较深入的理论研究,如亚毫米波发射器及接收器、光调制器、光控光开关和波长转换器等,其内容有如下几个方面。(1)对非对称耦合量子阱进行了亚毫米波辐射研究。经对由载流子?载流子散射、载流子?纵波光学声子散射的弛豫项的引入,从理论上解释了亚毫米波的产生、衰减和湮灭导致近红外光发射整个过程,并证明了在非对称耦合量子阱中电子波包振荡等同于一经典阻尼电磁振荡,它的振荡寿命主要由载流子?纵波光学声子散射时间和电子穿过势垒的渡越时间所决定,辐射的频域特性服从洛仑兹分布。经分析,非对称耦合量子阱结构既可用作为亚毫米波发射器,又可作为亚毫米波接收器。此外,对非对称耦合量子带间激子复合发光子也作了较深入的讨论。(2)基于TM光共振提出了由电子、轻空穴相干隧道所构成的双耦合能级模型。进而,运用密度矩阵方程研究了非对称量子阱中非定域激子复合发光特性。结果表明:非定域激子复合发光具有双峰特征,两峰位置相对于中心跃迁频率的红移和蓝移量与电子和空穴的振荡频率密切相关。与单量子阱相比,这种频率移动对外加电场相当敏感,其中,一峰相对于中心频率红移,另一峰蓝移,表现为强量子限域斯塔克效应。证明了非对称耦合量子阱所具有的光子能量上转换特性。进而指出了非对称耦合量子阱结构在夜视和光通信系统中的可能应用。(3)根据在电子共振隧穿和重共振空穴隧穿,提出了另一种非定域三能级模型。对这种模型,重空穴既可处于左阱又可处于右阱,并考虑到大的有效质量仅能导致价带中两阱能级弱的耦合,以致其耦合能级小以致不可分辨可看成同一非定域能级。基于这一模型对非对称耦合量子阱的线性吸收特性研究发现:理论结果与实验相一致,并且小吸收导致折射率大幅度变化,表现为与单量子阱显著不同的光学特性;光脉冲在非对称耦合量子阱中传播不仅具有群延迟效应,即群速度远小于光脉冲在真空中传播的群速度,而且光脉冲既可沿正向传播也可沿相反方向传播。进而,利用这些光学性质设计了两不同波长输出超高速调制器、光延时器和光解复用器。(4)基于与实验符合较好的非定域三能级模型运用微扰理论推导了非对称耦合量子阱吸收与克尔效应和饱和吸取相关的三阶光学非线性系数。经对光吸收非线性效率(三阶电极化率与线性吸收系数的比率,即光吸收转化成非线性效应的效率)研究表明:电子相干振荡导致吸收非线性增强,即在非对称耦合量子阱中产生光学非线性仅需非常小的功率密度阈值,一般比单量子阱要低三个数量级。所产生的非线性效应也不同,对单量子阱,其主要非线性效应是吸收谱压缩和光谱烧孔效应。而对非对称耦合量子阱,其非线性效应发生明显变化。由于纵波光学声子辅助,光功率导致低能吸收峰增强,高能吸收峰强度压缩。据此,提出了两种不同的光控光开关方案。(5)对非简并四波混合的三阶非线性系数进行了理论研究。其结果表明:在非对称耦合量子阱结构中,由于光共振耦合的太赫兹能量分裂和纵波光学声子的作用,可得到大失谐量非线性共振峰,其抽运光与探测光之间的频率可实现频率失谐量可达5太赫兹的频率上转换。经理论计算,在小偏置区,其转换效率近似保持不变,从而论证了非对称耦合量子阱结构作为全光波长转换器,在全光网络中具有一定的应用价值。利用双边费曼图作进一步分析发现这种大反射信号的起源于纵波光学声子的参与。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 序言
• 1.1 能带工程与光通信
• 1.2 非对称量子阱的基本结构与光学性质
• 1.3 本文工作
• 2 量子阱的能带结构的基础理论
• 2.1 引言
• 2.2 多子带包络函数近似
• 2.3 量子阱中的子带
• 2.4 本章小结
• 3 非对称耦合量子阱中的亚毫米波产生及近红外发射
• 3.1 引言
• 3.2 密度矩阵方法
• 3.3 光共振耦合
• 3.4 动力学方程
• 3.5 亚毫米波及近红外发射
• 3.6 本章小结
• 4 非对称耦合量子阱的光子能量上转换
• 4.1 引言
• 4.2 TE 和TM 模对发光半导体作用
• 4.3 ACQW 的光共振四能级模型
• 4.4 理论描述
• 4.5 光致发光强度
• 4.6 量子限域斯塔克蓝移与红移
• 4.7 本章小结
• 5 非对称耦合量子阱结构吸收与色散
• 5.1 引言
• 5.2 含重空穴隧穿三能级模型
• 5.3 运动方程
• 5.4 在ACQW 中激子的线性吸收特性
• 5.5 本章小结
• 6 非对称耦合量子阱的光吸收非线性
• 6.1 引言
• 6.2 ACQW 结构的三阶光学非线性极化率
• 6.3 吸收光学非线性吸收效率
• 6.4 饱和吸收效应
• 6.5 非线性折射率参量
• 6.6 克尔效应引起的双折射
• 6.7 本章小结
• 7 非对称耦合量子阱的大失谐量光子回波的产生
• 7.1 引言
• 7.2 四波混合的一般描述
• 7.3 与非简并四波混频相关的三阶电极化率
• 7.4 大失谐量光子回波的产生
• 7.5 与光子回波相关三阶电极化率随反向电场强度的变化
• 7.6 本章小结
• 8 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录一 在攻读学位期间已发表的论文