準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)耦合量子阱結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其性能研究

準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)耦合量子阱結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其性能研究

在一些集成光的設(shè)備中，例如，超快速波調(diào)制器和光開(kāi)關(guān)，它們工作在幾十吉赫段，不僅要調(diào)制電壓小于1v，而且還有很大的折射變化，這可以提高設(shè)備的集成度，減少設(shè)備的尺寸。在相同的外電場(chǎng)作用下,準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)耦合量子阱在吸收邊能產(chǎn)生一個(gè)比矩形量子阱、非對(duì)稱(chēng)耦合量子阱更大的折射率變化,可以降低工作電壓,從而達(dá)到減小光開(kāi)關(guān)器件的功耗、提高器件穩(wěn)定性的目的。本文結(jié)合光開(kāi)關(guān)的理想工作條件,對(duì)準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)耦合量子阱結(jié)構(gòu)進(jìn)行再優(yōu)化,從而產(chǎn)生一個(gè)在低工作電壓、低吸收系數(shù)的情況下仍有一很大的場(chǎng)致折射率變化的量子阱結(jié)構(gòu)。1材料的吸收系數(shù)(1)光開(kāi)關(guān)工作與不工作時(shí)相比,材料折射率變化要盡可能大,這樣有利于光開(kāi)關(guān)器件的集成。(2)光開(kāi)關(guān)工作或不工作時(shí),材料的吸收系數(shù)都要盡可能小(α<100cm-1),這樣可以降低損耗,提高器件穩(wěn)定性。(3)材料對(duì)輸入TE的模光信號(hào)和TM模光信號(hào)必須同時(shí)具有一個(gè)盡可能大的場(chǎng)致吸收系數(shù)變化。這是因?yàn)楝F(xiàn)在用于光通信領(lǐng)域的光纖考慮到成本等因素,大多數(shù)是不保偏的。至于量子阱材料對(duì)光信號(hào)的模式依賴(lài)性,可以通過(guò)對(duì)量子阱材料進(jìn)行拉應(yīng)力處理,產(chǎn)生一個(gè)相同的吸收系數(shù)變化。2外電場(chǎng)作用下子發(fā)揮激發(fā)能量差在對(duì)準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)耦合量子阱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前,按照光開(kāi)關(guān)對(duì)量子阱材料的要求,提出具體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化三原則(以TE模入射光為例)。(1)在零電場(chǎng)情況下,要盡量減小子能級(jí)Ehh1與Ee1之間相應(yīng)的波函數(shù)交疊積分,但根據(jù)求和規(guī)則會(huì)增大子能級(jí)Ehh2與Ee1、子能級(jí)Ehh1與Ee2之間相應(yīng)的波函數(shù)交疊積分,所以,這是一個(gè)折衷的選擇。(2)在外電場(chǎng)作用下,子能級(jí)Ehh+→Ee-的激子躍遷能量與子能級(jí)Ehh-→Ee-的激子躍遷能量的差值ΔE要盡可能小。(3)在外電場(chǎng)作用下,子能級(jí)Ehh+與Ee-、子能級(jí)Ehh-與Ee+之間相應(yīng)的波函數(shù)交疊積分與零電場(chǎng)時(shí)相比變化要大。圖1中:2a=4ML(1ML=0.283nm),2b=3ML,L′=21ML,L=18ML。第一步,給定x=0.32,調(diào)整y的值。取y=1,2,3,…,17ML,利用有限元法求出子能級(jí)Ee-,Ee+,Ehh-,Ehh+隨外電場(chǎng)的變化關(guān)系,根據(jù)文獻(xiàn)分別計(jì)算出子能級(jí)Ee-,Ehh+對(duì)應(yīng)的電子、空穴組成的激子的束縛能Eexb和子能級(jí)Ee+,Ehh-對(duì)應(yīng)的電子、空穴組成的激子的束縛能E′exb隨外場(chǎng)的變化規(guī)律,然后求出兩個(gè)激子躍遷能量差ΔE(ΔE=(Ee-+Ehh+-Eexb)-(Ee++Ehh--E′exb)隨外電場(chǎng)的變化。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn):當(dāng)y=14,15,16ML時(shí),兩個(gè)激子躍遷能量差值ΔE較小,即兩個(gè)躍遷很靠近。為方便起見(jiàn),只畫(huà)出y=14,15,16ML時(shí),兩個(gè)激子躍遷能量差值ΔE隨外電場(chǎng)的變化關(guān)系,見(jiàn)圖2。為了確定y的具體數(shù)值,利用有限元法分別給出當(dāng)y=14,15,16ML時(shí),零電場(chǎng)下子能級(jí)Ehh1與Ee1之間相應(yīng)的波函數(shù)交疊積分,以及在電場(chǎng)作用下子能級(jí)Ehh+與Ee-、Ehh-與Ee+之間相應(yīng)的波函數(shù)交疊積分隨外電場(chǎng)的變化規(guī)律。經(jīng)計(jì)算:當(dāng)y=14,15,16ML時(shí),零電場(chǎng)下子能級(jí)Ehh1與Ee1之間相應(yīng)的波函數(shù)交疊積分分別為0.902、0.745、0.466。子能級(jí)Ehh+與Ee-相應(yīng)的波函數(shù)交疊積分(用實(shí)線(xiàn)表示)、子能級(jí)Ehh-與Ee+之間相應(yīng)的波函數(shù)交疊積分(用虛線(xiàn)表示)隨外電場(chǎng)的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。綜合上述分析,y值取15ML最為合適。第二步,在第一步計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,調(diào)整左阱中小壘Al的含量x。從第一步計(jì)算結(jié)果可以看出,當(dāng)x=0.32,y=15ML時(shí),兩個(gè)激子躍遷能量差值ΔE已經(jīng)很小,所以,在這一步左阱中小壘Al的含量x的值只在x=0.32附近作小的調(diào)整。取x=0.22,0.23,0.24,…,0.39,0.42,采用和第一步相同的辦法求出兩個(gè)激子躍遷能量差值ΔE隨外電場(chǎng)的變化關(guān)系。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn):當(dāng)x=0.26,0.27,0.28時(shí),兩個(gè)激子躍遷能量差值ΔE很小,即兩個(gè)躍遷相當(dāng)靠近。這里也僅畫(huà)出x=0.26,0.27,0.28時(shí)兩個(gè)激子躍遷能量差值ΔE隨外電場(chǎng)的變化關(guān)系曲線(xiàn),見(jiàn)圖4。同理,為了確定x具體的值,也利用有限元法算出:當(dāng)x=0.26,0.27,0.28時(shí),零電場(chǎng)下子能級(jí)Ehh1與Ee1之間相應(yīng)的波函數(shù)交疊積分分別為0.56,0.59,0.62,子能級(jí)Ehh+與Ee-相應(yīng)的波函數(shù)交疊積分(用實(shí)線(xiàn)表示)、子能級(jí)Ehh-與Ee+之間相應(yīng)的波函數(shù)交疊積分(用虛線(xiàn)表示)隨外電場(chǎng)的變化規(guī)律見(jiàn)圖5。綜合考慮,筆者認(rèn)為x取0.27較為合適。這樣,就得到了一個(gè)y=15ML,x=0.27優(yōu)化了的準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)耦合量子阱。3材料對(duì)稱(chēng)耦合量子由水平和垂直方向變化的影響為了驗(yàn)證優(yōu)化了的準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)耦合量子阱是否滿(mǎn)足光開(kāi)關(guān)對(duì)量子阱材料的要求,有必要對(duì)其電光特性進(jìn)行研究。首先討論它的吸收系數(shù)變化Δα隨外電場(chǎng)的變化規(guī)律。圖6是采用Lorentzian線(xiàn)形函數(shù)和HWHM半經(jīng)驗(yàn)公式畫(huà)出的在外電場(chǎng)F=10,20,40kV/cm情形下,這種準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)耦合量子阱的吸收系數(shù)變化Δα隨外電場(chǎng)的變化曲線(xiàn)。從圖6可以看到:在外電場(chǎng)作用下,材料對(duì)TE模入射光和TM模入射光同時(shí)具有很大的場(chǎng)致吸收系數(shù)變化,滿(mǎn)足光開(kāi)關(guān)的第三個(gè)理想工作條件。接著討論這種準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)耦合量子阱的折射率改變?chǔ)隨外電場(chǎng)的變化。圖7是應(yīng)用圖6的結(jié)果和k-k關(guān)系畫(huà)出的在外電場(chǎng)F=10,20,40kV/cm情形下,折射率變化Δn隨外電場(chǎng)的變化曲線(xiàn)。從圖7可以看到:在外電場(chǎng)作用下,材料無(wú)論是對(duì)TE模入射光還是TM模入射光都有很大的折射率的變化。進(jìn)一步的計(jì)算表明:在外電場(chǎng)F=40kV/cm時(shí),即使在遠(yuǎn)離吸收邊的條件下(α<100cm-1),材料對(duì)TE模入射光的最大折射率變化(Δn)max可達(dá)0.0216,材料對(duì)TM模入射光的最大折射率變化(Δn)max可達(dá)0.033。在相同條件下,這種準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)耦合量子阱的折射率改變要比通常的矩形量子阱高一個(gè)數(shù)量級(jí)。這就滿(mǎn)足了光開(kāi)關(guān)的第一、第二個(gè)理想工作條件。4結(jié)構(gòu)再優(yōu)化后的效果筆者根據(jù)光開(kāi)關(guān)的理想工作條件提出了量子阱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的三原則。結(jié)合三