非对称半导体量子阱中的光学双稳态与多稳态
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面有着广 阔的应 用前景 ， 此外 ， 子体 系相 比， 和原 半导体 材料 易集成 ， 试验 中更容 易操 作 。本研究 基于最新 的实 验工作 ， 论和实践 方面都有着重要 的意 义和潜 在 的应用价值 。 在理
１ 动 力 学 模 型
考虑的模型如图１图１ａ中ｌ 和 １ 为一对共振耦合的子能带， ， （） 口 ｂ ） ） 在通过薄隧道势垒产生的强相干耦
６ ６
华 东 交 通 大 学 学 报
２ １ 年 ０１
和 ） 在 这 里 我 们 将 不 考 虑 两 个 场 的位 相 。 我 们 选 取 能 级 Ｉ 为 能 级 的 能 量 参 考 零 点 ， 取 ， ， ， １ ） 并
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第 ２ 卷第 ３ ８ 期 ２１年６ ０ １ 月
文 章 编 号 ：０ ５０ ２ （０ １０ —０ ５０ １ ０ ．５ ３ ２ １ ）３０ ６ ．４
华 东 交 通 大 学 学 报
Ｊ ｕ ｎａ ｏ Ｅａ ｔ Ｃｈｉ ａ Ｊａ ｔ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏｒ ｌ ｆ ｓ ｎ ｉｏｏ ｇ ｉ ｅ ｓｔ ｙ
进行耦合 ， 研究结果显示系统可以出现无布局反转双色激光 。半导体量子阱有许多内在的优点， 如由小的有效 电子质量能够引起较大的电偶极矩、 较大的非线性系数 ， 并且在选择材料和结构尺寸上也存在着较大的灵活性 ， 尤为重要 的是在实践方 面 ， 转换能 、 其 偶极子 和对 称 Ｉ都 已经 如人们所愿在 工程上实现 。基 于这些优 ， 生 近年来 该 系统 中光学 双稳态特 性 的研究 也激起 了人 们 的兴 趣 】 文考察 了在 一个非对称 半导体量子 阱 内的光学双 。本 稳特 『 详细分 析 了系统 不 同的物 理参数对 光学双稳 态形成 的影 响。光 学双稳态 器件在光通讯 、 生， 光计算机等方
图 １ 被 薄 隧 道 势 垒 隔开 的双 量 子 阱 的 结 构 图
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近些年来 ， 量子阱系统 中类似量 子相干和干涉 的现象 由于其在光 电子 和 固态量子信息科学方 面有潜 在的应 用价值 ， 已经引起 了人们 的广泛关注 。最 近 ， 于量子相 干和干涉 ， 基 人们对三量子 阱系统 中的非线性现象 做了大 量的研究 。例 如 ，ｅ等 Ｌ ｅ 提出一个半导 体三量子 阱系统 ， 一个基 能带和 三个 激发带通过 隧穿到 同一连续体来
收 稿 日期 ：０ １ ４０ ２ １－ ．２ ０ 基金项 目 ： 国家 自然 科 学 基 金 项 目（ １ ６ ０ ７ ； 西 省 教 育 厅 科 研 项 目（ Ｊ０ ３ ） １０ ５ ０ ） 江 ＧＪ１ １３
作者简介 ： 陈爱喜 （９ ４ ， ， １ ７ 一）男 教授 ， 士 ， 博 研究方 向为激光物理 、 量子光学 。
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（ 见图１ｂ ） （）。在电偶极跃迁 『 『 之间， ２ １ ） ） 用频率为 Ｃ ，ａｉ ｆ 的探测场加以驱动， Ｏ Ｒ ｂ， ７ ， ￣ ２ 在电偶极跃
、０１ ２ ＮＯ． ， ．８ ３ Ｊ ｕｎ．２０１ ， １
非 对 称 半 导体 量 子 阱 中的 光 学 双 稳 态 与 多稳 态
陈 爱喜 ， 渊 ， 绍 海 陈 杨
（ 华东交通 大学基础科学学 院 ， 江西 南 昌 ３ ０ １ ） ３ ０ ３ 摘要 ： 究 了一 个非 对称 半导体量子 阱结构 中基 于带间跃迁 的光学双稳 态与 多稳 态行 为。量子 阱结构被放 置在一个单 向环 研 形腔 中 ， 与一个控制 场和一个探 测场 同时作用 ， 细讨 论 了合作 参数 、 并 详 控制 场强度 、 频率 失谐 对 系统光 学双稳 态及 多稳 态 的影响。半导体量子 阱易集成、 易调 节 ， 其光 学双稳 与 多稳特性具有 重要 实际应用价值 。 关键词 ： 量子阱 ； 学双稳 态 ； 率失谐 光 频 中图分类号 ： ３ ． ０４ １ ２ 文献标识码 ： Ａ
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△１ （ｌ（ ＋ ３ ３ （ ） ＩＱ１（Ｉ ． ， ｝ ＋△ △）） Ｉ Ｑｌ（ ＋ ） 十 ｃ ２ ２ Ｉ（ 一 ２ １ ３ ２ ． ）
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式 中：
为 括号 内前 两项 的 复共 轭 ； ＝ １ ／ ；２ ＝ ３ 氕分别 为相 应 能级跃 迁 Ｒ ｂ 频率 的一 半 ； Ｑｐ ２ ２ ｔ ２ ／ 。 Ｅ ２ ａｉ
面有着广 阔的应 用前景 ， 此外 ， 子体 系相 比， 和原 半导体 材料 易集成 ， 试验 中更容 易操 作 。本研究 基于最新 的实 验工作 ， 论和实践 方面都有着重要 的意 义和潜 在 的应用价值 。 在理
１ 动 力 学 模 型
考虑的模型如图１图１ａ中ｌ 和 １ 为一对共振耦合的子能带， ， （） 口 ｂ ） ） 在通过薄隧道势垒产生的强相干耦
６ ６
华 东 交 通 大 学 学 报
２ １ 年 ０１
和 ） 在 这 里 我 们 将 不 考 虑 两 个 场 的位 相 。 我 们 选 取 能 级 Ｉ 为 能 级 的 能 量 参 考 零 点 ， 取 ， ， ， １ ） 并
＝ ）Ｉ ＋ ） Ｉ ∞ Ｉ（ ＋ ２ ２ ∞） （ 为自由 ｌ３ ３ 哈密顿量， 则在相互作用绘景和旋波近似下， 我们可得到系统的哈密顿
Ｊ ３则 是 与之对 应 的偶极 矩 阵元 ； △ 分别 为探 测场 和耦合 场 的频率 失谐 量 。 “ 、 ２ ２ △和 利用 刘维 方程 和密度 矩 阵可 以得 到下列 密度 矩阵 的运 动方程
２ ＝ ２ ｐｌ 一 ｉ ｐ２ 一 ２ Ｑｐ １ ｐ２ ＋ ｉ ３ Ｏ
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迁Ｉ １ 之间， ３ ２ ） ） 我们用频率为 ∞ ，ａｉ 率为 ２ 。 。Ｒ ｂ， ￣ 的控制场来驱动。能级 Ｉ 和 ｌ 的衰变率分别为 ） Ｑ ２ ３ ） ） ， ＩＩ ｌ ｌ “ 一一 Ｄ ，
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第 ２ 卷第 ３ ８ 期 ２１年６ ０ １ 月
文 章 编 号 ：０ ５０ ２ （０ １０ —０ ５０ １ ０ ．５ ３ ２ １ ）３０ ６ ．４
华 东 交 通 大 学 学 报
Ｊ ｕ ｎａ ｏ Ｅａ ｔ Ｃｈｉ ａ Ｊａ ｔ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏｒ ｌ ｆ ｓ ｎ ｉｏｏ ｇ ｉ ｅ ｓｔ ｙ
进行耦合 ， 研究结果显示系统可以出现无布局反转双色激光 。半导体量子阱有许多内在的优点， 如由小的有效 电子质量能够引起较大的电偶极矩、 较大的非线性系数 ， 并且在选择材料和结构尺寸上也存在着较大的灵活性 ， 尤为重要 的是在实践方 面 ， 转换能 、 其 偶极子 和对 称 Ｉ都 已经 如人们所愿在 工程上实现 。基 于这些优 ， 生 近年来 该 系统 中光学 双稳态特 性 的研究 也激起 了人 们 的兴 趣 】 文考察 了在 一个非对称 半导体量子 阱 内的光学双 。本 稳特 『 详细分 析 了系统 不 同的物 理参数对 光学双稳 态形成 的影 响。光 学双稳态 器件在光通讯 、 生， 光计算机等方
图 １ 被 薄 隧 道 势 垒 隔开 的双 量 子 阱 的 结 构 图
Ｆｉ ． Ｓ ｈ ｍ ａ ｉ ａ ｄ ｄ ａ ｒ ｍ ｆ ｏ ｂ ｅｃ ｕ ｌｄ ｑ ｎ ｕ ｗｅ ｌ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｇ１ ｃ ｅ ｔｃｂ ｎ ｉ ｇ ａ ｏ ｕ ｌ ｏ ｐ ｅ － ｕａ ｔ ｍ ｌｓ ｔ ｕ ｔ ｒ ｄ
近些年来 ， 量子阱系统 中类似量 子相干和干涉 的现象 由于其在光 电子 和 固态量子信息科学方 面有潜 在的应 用价值 ， 已经引起 了人们 的广泛关注 。最 近 ， 于量子相 干和干涉 ， 基 人们对三量子 阱系统 中的非线性现象 做了大 量的研究 。例 如 ，ｅ等 Ｌ ｅ 提出一个半导 体三量子 阱系统 ， 一个基 能带和 三个 激发带通过 隧穿到 同一连续体来
收 稿 日期 ：０ １ ４０ ２ １－ ．２ ０ 基金项 目 ： 国家 自然 科 学 基 金 项 目（ １ ６ ０ ７ ； 西 省 教 育 厅 科 研 项 目（ Ｊ０ ３ ） １０ ５ ０ ） 江 ＧＪ１ １３
作者简介 ： 陈爱喜 （９ ４ ， ， １ ７ 一）男 教授 ， 士 ， 博 研究方 向为激光物理 、 量子光学 。
（） ２
３＝ｊ ２一ｆ Ｐ２ ３ ３ ３ Ｑ Ｐ３ Ｑ。 ３一Ｙ１ ３ Ｐ
２一ｉ ３一 ＿ Ｏ Ｐｌ ｆ １ ： ２ １ ＝ －ｉ ｐ１＋ ｉ２ ｐ ２ Ａ Ｐ１ ２ Ｄｐ １ （ ２ ＋／ １ ２
合作用下能带分裂为两个次能级Ｉ 和ｌ ， ３ ２ 与子能带的 ） ） 关系式为Ｉ ＝１ 一 ） 和ｌ＝１ ＋ ） ２ （）Ｉ） ） 口 ６／ ３ （） ｌ） ） 口 ６／
（ 见图１ｂ ） （）。在电偶极跃迁 『 『 之间， ２ １ ） ） 用频率为 Ｃ ，ａｉ ｆ 的探测场加以驱动， Ｏ Ｒ ｂ， ７ ， ￣ ２ 在电偶极跃
、０１ ２ ＮＯ． ， ．８ ３ Ｊ ｕｎ．２０１ ， １
非 对 称 半 导体 量 子 阱 中的 光 学 双 稳 态 与 多稳 态
陈 爱喜 ， 渊 ， 绍 海 陈 杨
（ 华东交通 大学基础科学学 院 ， 江西 南 昌 ３ ０ １ ） ３ ０ ３ 摘要 ： 究 了一 个非 对称 半导体量子 阱结构 中基 于带间跃迁 的光学双稳 态与 多稳 态行 为。量子 阱结构被放 置在一个单 向环 研 形腔 中 ， 与一个控制 场和一个探 测场 同时作用 ， 细讨 论 了合作 参数 、 并 详 控制 场强度 、 频率 失谐 对 系统光 学双稳 态及 多稳 态 的影响。半导体量子 阱易集成、 易调 节 ， 其光 学双稳 与 多稳特性具有 重要 实际应用价值 。 关键词 ： 量子阱 ； 学双稳 态 ； 率失谐 光 频 中图分类号 ： ３ ． ０４ １ ２ 文献标识码 ： Ａ