陳愛喜，陳 淵，楊紹海

（華東交通大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，江西南昌 330013）

非對稱半導(dǎo)體量子阱中的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)與多穩(wěn)態(tài)

陳愛喜，陳 淵，楊紹海

（華東交通大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，江西南昌 330013）

研究了一個非對稱半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)中基于帶間躍遷的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)與多穩(wěn)態(tài)行為。量子阱結(jié)構(gòu)被放置在一個單向環(huán)形腔中，并與一個控制場和一個探測場同時作用，詳細討論了合作參數(shù)、控制場強度、頻率失諧對系統(tǒng)光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)及多穩(wěn)態(tài)的影響。半導(dǎo)體量子阱易集成、易調(diào)節(jié)，其光學(xué)雙穩(wěn)與多穩(wěn)特性具有重要實際應(yīng)用價值。

量子阱；光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)；頻率失諧

近些年來，量子阱系統(tǒng)中類似量子相干和干涉的現(xiàn)象由于其在光電子和固態(tài)量子信息科學(xué)方面有潛在的應(yīng)用價值，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。最近，基于量子相干和干涉，人們對三量子阱系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象做了大量的研究[1-4]。例如，Lee等[4]提出一個半導(dǎo)體三量子阱系統(tǒng)，一個基能帶和三個激發(fā)帶通過隧穿到同一連續(xù)體來進行耦合，研究結(jié)果顯示系統(tǒng)可以出現(xiàn)無布局反轉(zhuǎn)雙色激光。半導(dǎo)體量子阱有許多內(nèi)在的優(yōu)點，如由小的有效電子質(zhì)量能夠引起較大的電偶極矩、較大的非線性系數(shù)，并且在選擇材料和結(jié)構(gòu)尺寸上也存在著較大的靈活性，尤為重要的是在實踐方面，其轉(zhuǎn)換能、偶極子和對稱性都已經(jīng)如人們所愿在工程上實現(xiàn)。基于這些優(yōu)點，近年來該系統(tǒng)中光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)特性的研究也激起了人們的興趣[5-9]。本文考察了在一個非對稱半導(dǎo)體量子阱內(nèi)的光學(xué)雙穩(wěn)特性，詳細分析了系統(tǒng)不同的物理參數(shù)對光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)形成的影響。光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件在光通訊、光計算機等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，此外，和原子體系相比，半導(dǎo)體材料易集成，試驗中更容易操作。本研究基于最新的實驗工作，在理論和實踐方面都有著重要的意義和潛在的應(yīng)用價值。

1 動力學(xué)模型

把該系統(tǒng)放入單向環(huán)形腔中，為了方便，我們假定鏡面M3和M4的反射率為1，R和T（R+T=1）分別表示鏡面M1和M2的反射率和透射率?？偟碾姶艌霰磉_式寫為：E=E?e-iωt+c.c.，這里Ep表示在環(huán)形腔內(nèi)傳播的探測場，在緩慢包絡(luò)近似下，得到探測場傳播滿足的動力學(xué)方程

L是樣品的長度，（9）式右邊的第二項描述了鏡面的反饋機制，雙穩(wěn)態(tài)是由它引起的，所以R≠0出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)。

2 數(shù)值結(jié)果與討論

在穩(wěn)態(tài)條件下，密度矩陣元滿足?ρij/?t=0(i,j=1,2,3)結(jié)合方程（10），求解相應(yīng)的密度矩陣方程，利用Matlab編程工具，得到方程的穩(wěn)態(tài)解。

在圖3（b）中，我們給出了對應(yīng)于不同合作參數(shù)C的雙穩(wěn)態(tài)行為變化。從圖3（b）中很容易看出當合作參數(shù)C變小時，樣品中的電子密度值減小，光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的閾值減小。而合作參數(shù)C=NωLμ2/2?cTγ∝N，即合作參數(shù)C和電子數(shù)密度N成正比。所以，隨著電子合作參數(shù)C的增大即樣品的電子數(shù)密度增大，半導(dǎo)體介質(zhì)對探測場的吸收將增強，從而系統(tǒng)的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)閾值也將增大。反之，當C減小即電子數(shù)密度減小，半導(dǎo)體介質(zhì)對探測場的吸收將減少，從而系統(tǒng)的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)閾值也將減小。另外，我們能夠調(diào)控耦合量子阱系統(tǒng)的偶極矩和對稱性制備量子阱樣品，獲得較高的耦合參數(shù)C。

在圖4中，我們考察了探測場失諧對光學(xué)穩(wěn)態(tài)的影響，圖中Δp=0和γ分別對應(yīng)實線和虛線，其它參數(shù)值分別為γ21=γ31=γ=1 emV ，Ωc=2.5γ，Δc=3γ。研究發(fā)現(xiàn)對于一個小的失諧量Δp，我們看到多穩(wěn)態(tài)，改變Δp的值，雙穩(wěn)態(tài)曲線的形狀會隨著Δp的變化而變化。多穩(wěn)態(tài)的存在是因為在方程（10）中y不是變量x在某些變量范圍內(nèi)的一個三次多項式[9]。對于某些應(yīng)用領(lǐng)域，比如需要多個穩(wěn)態(tài)結(jié)果，這時多穩(wěn)態(tài)比雙穩(wěn)態(tài)更具有應(yīng)用價值。我們發(fā)現(xiàn)通過對探測場失諧F的選取能夠獲得光學(xué)多穩(wěn)態(tài)，這一結(jié)果的發(fā)現(xiàn)使得半導(dǎo)體量子阱在光學(xué)開光的研制中具有重要的參考價值。

3 結(jié)語

研究顯示光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)行為明顯受到耦合場強度、探測場失諧以及合作參數(shù)的影響。數(shù)值分析結(jié)果顯示隨著耦合場強度的增加，雙穩(wěn)態(tài)閾值減小，當耦合場強度太大時，雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象消失，另一研究結(jié)果顯示若改變耦合參數(shù)，雙穩(wěn)態(tài)的閾值隨之出現(xiàn)相應(yīng)的變化。由此可以發(fā)現(xiàn)選擇合適的物理參數(shù)，能夠得到不同閾值的雙穩(wěn)態(tài)曲線，這可以用來有效控制雙穩(wěn)態(tài)閾值的大小和雙穩(wěn)回滯圈的范圍。此外，通過對探測場失諧的選取，能夠獲得光學(xué)多穩(wěn)態(tài)，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)對光學(xué)多穩(wěn)器件的實驗提供了理論依據(jù)。

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Optical Bistability and Multistability inAsymmetric Semiconductor Quantum Well

ChenAixi，Chen Yuan，Yang Shaohai
(School of Basic Sciences，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China)

The behavior of optical bistability and multistability based on intersubband transitions is studied in asymmetric semiconductor quantum well.When the quantum well structure，which is coupled by a control field and a probe field，is placed in an unidirectional ring cavity，the influences of the co-operation parameter，intensity of control field and frequency detuning on the optical bistability and multistability are investigated.The quantum well structure has an advantage of easy integration and adjustment，and its optical bistability and multistability has importantly practical value.

quantum well；optical bistability；frequency detuning

O431.2

A

1005-0523（2011）03-0065-04

2011-04-02

國家自然科學(xué)基金項目（11065007）；江西省教育廳科研項目（GJJ10133）

陳愛喜（1974－），男，教授，博士，研究方向為激光物理、量子光學(xué)。