耦合半導體量子阱中的超慢光孤子對

張蔚曦，崔立琴，余 梅，石玉金，宋謀勝

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耦合半導體量子阱中的超慢光孤子對

張蔚曦，崔立琴，余 梅，石玉金，宋謀勝

（銅仁學院 大數據學院，貴州 銅仁 554300）

半導體量子阱； 電磁感應透明； 光孤子

1． 引言

電磁感應透明（electromagnetically induced transparency，簡稱EIT）效應由于能在抑制光場與傳播介質共振吸收的同時激發顯著的非線性光學特性，近年來吸引了研究者的廣泛關注[1-4]。在眾多與EIT相關的研究方向中，光孤子被認為是最具應用前景的研究之一。孤子是一個體系中如果色散與非線性效應同時存在且達到平衡而形成一種穩定傳播的非線性物理現象。在各種不同的孤子中，光孤子由于能應用于光信號的處理和傳遞得到了廣泛而深入的研究。通常的光孤子可以在被動光學介質如光纖、玻璃等中產生和傳播。但光纖所能提供的非線性效應十分微弱，在其中形成和傳播穩定的光孤子就需要大的激發功率來得到足夠的非線性以平衡色散效應。EIT介質能夠在共振增強的非線性極化率介質中產生較強的非線性效應，同時系統的量子干涉效應又可以有效地抑制介質對入射光的吸收。因而利用EIT技術研究弱光條件下的光孤子形成和傳播成為光孤子研究新的熱點之一。

而對于EIT的研究，之前主要集中在超冷原子領域。這主要是由于超冷原子運動速度慢，能級結構穩定，較易實現EIT。但其超低溫的工作環境，不利于實際應用。因此需要尋找新的介質體系。隨著近年半導體工藝的發展，以及半導體量子結構中量子相干和量子干涉等量子效應的發現，人們開始嘗試利用半導體量子材料實現EIT，進而研究其中顯著非線性光學效應。例如半導體量子阱和半導體量子點等半導體量子結構中光孤子動力學行為[5]。但這些研究主要是探索單束探測光形成的低維、標量光孤子及其穩定性。而客觀上，光場是在三維空間都可能變化的矢量場。同時，在實驗及將來應用中更可能是多束探測光同時傳播的情況。此外，目前研究的理論模型大多數是簡化的雙量子阱或者單量子點，而半導體量子結構中諸多的耦合效應（如雙量子點間的隧穿耦合效應、庫倫耦合效應、偶極耦合效應等以及量子阱中縱波光學聲子弛豫交叉耦合效應）未被考慮。這樣處理，雖然理論計算得到簡化，但在一定程度上限制了對物理本質的正確理解。因此，考慮半導體量子結構中的耦合效應，對半導體量子阱中線性光學性質及多個光場同時傳播導致的光孤子對的形成及傳播等的研究是很有必要的。

2． 理論模型

圖1 非對稱耦合量子阱能帶結構示意圖

3． 線性光學性質

圖2 不同的縱波聲子耦合下光吸收特性

4． 光孤子對解

5. 總結

本文在一個雙Λ型耦合雙量子阱結構中，基于相互作用繪景下的半經典理論，研究了半導體量子阱EIT介質中交叉耦合縱波光學聲子弛豫對帶間躍遷的線性光學吸收的影響和空間光孤子對的形成。結果表明，在線性范圍，EIT的實現依賴于相干調控控制光場的拉比能量和交叉耦合縱波光學聲子弛豫。當只打開耦合光時，吸收曲線上只存在洛倫茲吸收峰，隨著交叉耦合系數的增大，吸收峰逐漸降低；當只打開控制光時，吸收曲線上出現EIT雙透明窗口，隨著交叉耦合系數的增大，EIT雙透明窗口變窄，；當耦合光和控制光均打開時，吸收曲線上出現EIT單透明窗口，隨著交叉耦合系數的增大，EIT窗口變窄，同時探測光場的群速度增大；也就是說，當固定耦合光場的拉比能量，適當地調節另一個控制光場的拉比能量時，能夠實現EIA和EIT現象直接的轉變，當固定控制光場的拉比能量，適當地調節耦合光場拉比能量，能夠實現EIT透明單窗口和雙窗口的轉變。同時，隨著交叉耦合系數的改變，能夠有效實現EIT窗口的紅移和藍移現象。在非線性范圍，發現由于控制光和耦合光誘導的EIT效應，介質對探測光和信號光的吸收能被很好的抑制，并在弱光激發條件下，提供顯著非線性效應來平衡衍射效應，從而實現弱光空間光孤子對。

[1] 陳志剛，許京軍，樓慈波．光誘導光子晶格結構中新型的離散空間光孤子[J]．物理，2005，34：12-16．

[2] 石順祥，陳國夫，趙衛，劉繼芳．非線性光學[M]．西安：西安電子科技大學，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] 呂理想，張曉萍．不同形式非線性薛定諤方程及其分步傅里葉法求解[J]．計算物理，2007，24（3）：373-377.

[5] 張蔚曦，張愉，金慧．非對稱半導體雙量子阱中的雙電磁感應透明現象[J]，銅仁學院學報，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

國家自然科學基金項目（11747168）；貴州省教育廳科研項目 (KY[2015]446)；銅仁學院院級項目 (No.trxyDH1529)。

張蔚曦（1983-），女，湖南懷化人，碩士，副教授，研究方向：凝聚態物理。

R392

A

1673-9639 (2018) 12-0102-04

（責任編輯 佘彥超）（責任校對 楊凱旭）