基于InGaAs/InP多量子阱中电子自旋弛豫的超快全光偏振开关的研究

摘要

尽管人们一直在提升光电和电子开关器件的性能，要使它们工作在比特率高于100 Gb s - 1仍然很困难，因为多种因素限制了他们的响应时间，包括载流子复合寿命，载流子在器件内的输运时间，以及外部的RC时间常数。而全光开关由于其良好的光学特性和更快开关速度则越来越受到国内外学者的重视和青睐。 鉴于此，对基于多量子阱的全光开关进行了研究。深入地探索性研究了InGaAs/InP多量子阱中的载流子输运，超快自旋空间动力学过程，激子的吸收饱和、漂白及自旋相关特性，材料的光学非线性、二色性及其他光学特性。提出了一种新型的基于120周期In0.53Ga0.47As/InP多量子阱的全光偏振开关，完善了其工作机理及相关理论，构建了飞秒泵浦－探测实验平台。该全光开关具有皮秒级超快开关速度，工作波长兼容于1.55μm窗口，在0.1nJ的泵浦驱动下最大旋转角可达60?，开关驱动要求低、旋转角大。可直接应用于Gb s -1比特率的光传输系统中。 接着，针对多量子阱材料的参数和法布里-珀罗（FP）标准具的结构进行了初步设计，提出了透射式和非对称法布里-珀罗（AFP）反射式两种工作模式。 建立了圆偏光泵浦—线偏光探测条件下载流子跃迁的双三能级模型，根据速率方程得到了阱中的载流子布居数随时间的变化，根据激子吸收饱和的三大机制分析计算了吸收系数的变化，通过理论分析首次得到了探测光的瞬态旋转角及材料吸收共振峰的漂移与阱中载流子密度之间的关系。 对这种飞秒光开关的提出了若干改进方案，包括例如低温生长（LOTOS）和子带间跃迁（ISBT）等新型全光开关，目的是解决我们目前研究的偏振开关重复速率受到载流子寿命的限制问题。 最后，从瞬态旋转角和动态漂移两个方面对全光偏振开关工作特性进行了总结。希望本文的理论研究和计算结果对未来实用型光开关的设计和实验有参考意义。