耦合半导体量子阱中的超慢光孤子对

张蔚曦，崔立琴，余 梅，石玉金，宋谋胜



耦合半导体量子阱中的超慢光孤子对

张蔚曦，崔立琴，余 梅，石玉金，宋谋胜

（铜仁学院 大数据学院，贵州 铜仁 554300）

半导体量子阱； 电磁感应透明； 光孤子

1． 引言

电磁感应透明（electromagnetically induced transparency，简称EIT）效应由于能在抑制光场与传播介质共振吸收的同时激发显著的非线性光学特性，近年来吸引了研究者的广泛关注[1-4]。在众多与EIT相关的研究方向中，光孤子被认为是最具应用前景的研究之一。孤子是一个体系中如果色散与非线性效应同时存在且达到平衡而形成一种稳定传播的非线性物理现象。在各种不同的孤子中，光孤子由于能应用于光信号的处理和传递得到了广泛而深入的研究。通常的光孤子可以在被动光学介质如光纤、玻璃等中产生和传播。但光纤所能提供的非线性效应十分微弱，在其中形成和传播稳定的光孤子就需要大的激发功率来得到足够的非线性以平衡色散效应。EIT介质能够在共振增强的非线性极化率介质中产生较强的非线性效应，同时系统的量子干涉效应又可以有效地抑制介质对入射光的吸收。因而利用EIT技术研究弱光条件下的光孤子形成和传播成为光孤子研究新的热点之一。

而对于EIT的研究，之前主要集中在超冷原子领域。这主要是由于超冷原子运动速度慢，能级结构稳定，较易实现EIT。但其超低温的工作环境，不利于实际应用。因此需要寻找新的介质体系。随着近年半导体工艺的发展，以及半导体量子结构中量子相干和量子干涉等量子效应的发现，人们开始尝试利用半导体量子材料实现EIT，进而研究其中显著非线性光学效应。例如半导体量子阱和半导体量子点等半导体量子结构中光孤子动力学行为[5]。但这些研究主要是探索单束探测光形成的低维、标量光孤子及其稳定性。而客观上，光场是在三维空间都可能变化的矢量场。同时，在实验及将来应用中更可能是多束探测光同时传播的情况。此外，目前研究的理论模型大多数是简化的双量子阱或者单量子点，而半导体量子结构中诸多的耦合效应（如双量子点间的隧穿耦合效应、库伦耦合效应、偶极耦合效应等以及量子阱中纵波光学声子弛豫交叉耦合效应）未被考虑。这样处理，虽然理论计算得到简化，但在一定程度上限制了对物理本质的正确理解。因此，考虑半导体量子结构中的耦合效应，对半导体量子阱中线性光学性质及多个光场同时传播导致的光孤子对的形成及传播等的研究是很有必要的。

2． 理论模型

图1 非对称耦合量子阱能带结构示意图

3． 线性光学性质

图2 不同的纵波声子耦合下光吸收特性

4． 光孤子对解

5. 总结

本文在一个双Λ型耦合双量子阱结构中，基于相互作用绘景下的半经典理论，研究了半导体量子阱EIT介质中交叉耦合纵波光学声子弛豫对带间跃迁的线性光学吸收的影响和空间光孤子对的形成。结果表明，在线性范围，EIT的实现依赖于相干调控控制光场的拉比能量和交叉耦合纵波光学声子弛豫。当只打开耦合光时，吸收曲线上只存在洛伦兹吸收峰，随着交叉耦合系数的增大，吸收峰逐渐降低；当只打开控制光时，吸收曲线上出现EIT双透明窗口，随着交叉耦合系数的增大，EIT双透明窗口变窄，；当耦合光和控制光均打开时，吸收曲线上出现EIT单透明窗口，随着交叉耦合系数的增大，EIT窗口变窄，同时探测光场的群速度增大；也就是说，当固定耦合光场的拉比能量，适当地调节另一个控制光场的拉比能量时，能够实现EIA和EIT现象直接的转变，当固定控制光场的拉比能量，适当地调节耦合光场拉比能量，能够实现EIT透明单窗口和双窗口的转变。同时，随着交叉耦合系数的改变，能够有效实现EIT窗口的红移和蓝移现象。在非线性范围，发现由于控制光和耦合光诱导的EIT效应，介质对探测光和信号光的吸收能被很好的抑制，并在弱光激发条件下，提供显著非线性效应来平衡衍射效应，从而实现弱光空间光孤子对。

[1] 陈志刚，许京军，楼慈波．光诱导光子晶格结构中新型的离散空间光孤子[J]．物理，2005，34：12-16．

[2] 石顺祥，陈国夫，赵卫，刘继芳．非线性光学[M]．西安：西安电子科技大学，2003．

[3] Arakawa Y, Sakaki H.Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current[J]. Appl. Lett. Phys., 1982, 40: 939-941.

[4] 吕理想，张晓萍．不同形式非线性薛定谔方程及其分步傅里叶法求解[J]．计算物理，2007，24（3）：373-377.

[5] 张蔚曦，张愉，金慧．非对称半导体双量子阱中的双电磁感应透明现象[J]，铜仁学院学报，2016，18（4）：40-43．

Influence of Strong Electrical Fields on the Properties of Lipoic Acid Molecular

ZHANG Weixi, CUI Liqin, YU Mei, SHI Yujin, SONG Mousheng

( Big Date Institute, Tongren University, Tongren 554300, Guizhou, China )

In this paper, we study the effect of cross-coupling longitudinal relaxation optical phonon on the linear optical absorption and the formation of spatial optical soliton pair in double Λ-type couple quantum wells structure. It is shown that, in the liner range, the realization of electromagnetically induced transparency (EIT) depends on the Rabbi frequency of the coherent control field and the cross-coupling relaxation of longitudinal-optical phonons. Under the condition of nonlinear case, we find that the absorption of probe and signal field can be suppressed well because of the EIT effect induced by control field and couple field. Furthermore, the diffraction effect of the probe field and signal field can be balanced by the significant nonlinear effect being induced by control field in the case of weak light excitation, so the weak optical soliton pair can be realized.

semiconductor quantum wells, electromagnetically induced transparency, optical soliton

2018-10-12

国家自然科学基金项目（11747168）；贵州省教育厅科研项目 (KY[2015]446)；铜仁学院院级项目 (No.trxyDH1529)。

张蔚曦（1983-），女，湖南怀化人，硕士，副教授，研究方向：凝聚态物理。

R392

A

1673-9639 (2018) 12-0102-04

（责任编辑 佘彦超）（责任校对 杨凯旭）