基于量子阱子带间跃迁的腔致相干效应的双色全光开关

摘要

本发明的基于量子阱子带间跃迁的腔致相干效应的双色全光开关，属于半导体材料技术领域。双色全光开关结构是，在GaAs材料的基底（1）上依次生长有AlAs层（2）、第一势垒层（3）、第一量子阱层（4）、第二势垒层（5）、第二量子阱层（6）、第三势垒层（7）、第三量子阱层（8）、第四势垒层（9）和连续区（10）；以第一势垒层（3）至连续区（10）为一个周期，排列有6～15个周期；然后有覆盖层（11）和空气隔离层（12）。本发明可工作在中远红外波段，作为低能耗、高效率的红外辐射源的完全带隙开关，在卫星探测与通讯方面有应用价值；其结构与材料可人为地选择，并具有易于实现宽波段、微型化和集成化的优点。

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，特别涉及一种基于量子阱子带间跃迁的腔 致相干效应的双色全光开关。

背景技术

光开关是光传输或光集成线路上，用于物理转换和逻辑运算的光电子器件。 本发明所涉及的双色光开关可用于多波长的光路物理或逻辑控制，在光信息处理 与加工领域的重要应用。现有的基于原子系统量子相干的双色开关，工作波长在 可见与近红外区域，不在光通信波段，并且谐振腔尺寸比较大，不易于实现与光 集成线路的集成。本发明基于半导体量子阱微腔的量子相干效应，工作在卫星探 测与光通讯波段。器件尺寸在微米量级，有利于与光集成线路的集成。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，采用超晶格非对称三量 子阱结构提供一种可工作在中红外光谱范围的全光开关，可以分别或同时控制两 个频率临近的双色光。

上述的技术问题通过以下的技术方案实现：

一种基于量子阱子带间跃迁的腔致相干效应的双色全光开关，其特征在于， 在GaAs材料的基底1上依次生长有AlAs层2、第一势垒层3、第一量子阱层4、 第二势垒层5、第二量子阱层6、第三势垒层7、第三量子阱层8、第四势垒层9 和连续区10；以第一势垒层3至连续区10为一个周期，共排列有6～15个周期； 然后有覆盖层11，最外层有空气隔离层12；所述的第一势垒层3、第二势垒层5、 第三势垒层7、第四势垒层9、覆盖层11是Al_xGa_1-xAs，x=0.35～0.4材料的，所 述的第一量子阱层4、第二量子阱层6、连续区8是Al_yGa1_-yAs，_y=0.1～0.2材料 的，所述的第三量子阱层8是GaAs材料的，所述的空气隔离层12是GaAs材料 的。

所述的AlAs层2的厚度优选2000nm～5000nm；所述的第一势垒层3的厚度 优选10nm～30nm，第二势垒层5、第三势垒层7和第四势垒层9厚度优选 2nm～5nm；所述的第一量子阱层4和第二量子阱层6的宽度（即材料厚度）优选 1.8nm～8nm，第三量子阱层8宽度（即材料厚度）优选5.3nm～10nm；所述的连 续区10的厚度优选150nm～180nm；所述的覆盖层11的厚度优选200nm～500nm； 所述的空气隔离层12厚度优选5nm～10nm。

所述的以第一势垒层3至连续区10为一个周期，共排列有9个周期时效果 最好。

本发明中各层的生长可以采用现有的分子束外延技术或分子束溅射技术实 现。

本发明的整个结构生长在未参杂的GaAs(001)基底上，基底上首先是AlAs 层，AlAs层的上面是6～15个非对称三量子阱，然后是Al_xGa_1-xAs覆盖层，最后 是AlAs空气隔离层。每个非对称双量子阱由两个浅阱，一个深阱和一个连续区 构成，浅阱、深阱和连续区彼此间是势垒层，各个非对称双量子阱由势垒层隔绝。

图2所示是本发明的工作原理。两个浅阱的第一个子带与深阱的第二个子带 通过两阱之间的薄势垒的耦合隧穿作用，产生三个劈裂能级b，c和d。由加在 势垒上的偏置电压可以改变薄势垒的高度和宽度，这种改变控制劈裂的强度和宽 度。深阱的第一个子带和浅阱的第二个子带分别表示为能级a和能级e。探测光 脉冲频率与能级a到b，c和d子带吸收跃迁共振。控制光脉冲频率与能级e到b， c和d子带吸收跃迁共振。

由于腔致隧穿诱导透明的量子相干作用，介质了产生两个邻近的透明窗口， 使得双色入射光经过该器件会透明地通过，开关处于开的状态。打开控制光后， 由于控制光会破坏量子相干，能够实现双色入射光的吸收和反射，使透射光呈现 关闭状态。并且通过操控控制光的频率和功率，可以实现分别或同时调制双色入 射光的开和关的状态。

本发明有以下有益效果：

1、工作在大气窗口，在卫星探测与通讯方面有应用价值。

2、结构与材料可以人为地选择，易于实现微型化和集成化。

3、可以作为低能耗、高效率的红外辐射源的开关。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图，图中箭头表示重复单元。

图2为本发明的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

参照图1，基底1是GaAs，顺次是AlAs层，厚度为3900nm；第一势垒层 3，成分为Al_0.4Ga_0.6As，厚度为20nm；第一量子阱层4，成分为Al_0.16Ga_0.84As， 厚度为6.7nm；第二势垒层5，成分为Al_0.4Ga_0.6As，厚度为4.2nm；第二量子阱 层6，成分为Al_0.16Ga_0.84As，厚度为6.7nm；第三势垒层7，成分为Al_0.4Ga_0.6As， 厚度为4.2nm；第三量子阱层8，成分为GaAs，厚度为7.8nm；第四势垒层9 成分为Al_0.4Ga_0.6As，厚度为2.9nm；连续区10，成分为Al_0.16Ga_0.84As，厚度为 160nm。自第一势垒层3至连续区10为一个周期，再生长9个周期，共10个周 期，然后再生长一个覆盖层11，成分为Al_0.4Ga_0.6As，宽度为200nm，和空气隔 离层12，成分为GaAs，宽度为7.5nm。这种结构的控制器件的工作双色光波长 为9.10μm和9.43μm。

实施例2

参照图1，基底1是GaAs，顺次是AlAs层，厚度为5000nm；第一势垒层 3，成分为Al_0.35Ga_0.65As，厚度为10nm；第一量子阱层4，成分为Al_0.1Ga_0.9As， 厚度为8nm；第二势垒层5，成分为Al_0.35Ga_0.65As，厚度为3nm；第二量子阱层 6，成分为Al_0.1Ga_0.9As，厚度为8nm；第三势垒层7，成分为Al_0.35Ga_0.65As，厚 度为3nm；第三量子阱层8，成分为GaAs，厚度为10nm；第四势垒层9成分为 Al_0.35Ga_0.65As，厚度为2nm；连续区10，成分为Al_0.1Ga_0.9As，厚度为160nm。 自第一势垒层3至连续区10为一个周期，再生长14个周期，共15个周期，然 后再生长一个覆盖层11，成分为Al_0.4Ga_0.6As，宽度为300nm，和空气隔离层12， 成分为GaAs，宽度为5nm。这种结构的控制器件的工作双色光波长为12.89μm 和13.41μm。

实施例3

参照图1，基底1是GaAs，顺次是AlAs层，厚度为2000nm；第一势垒层 3，成分为Al₀₄Ga_0.6As，厚度为30nm；第一量子阱层4，成分为Al_0.2Ga_0.8As，厚 度为1.8nm；第二势垒层5，成分为Al₀₄Ga_0.6As，厚度为5nm；第二量子阱层6， 成分为Al_0.2Ga_0.8As，厚度为1.8nm；第三势垒层7，成分为Al₀₄Ga_0.6As，厚度为 5nm；第三量子阱层8，成分为GaAs，厚度为5.3nm；第四势垒层9成分为 Al₀₄Ga_0.6As，厚度为4.5nm；连续区10，成分为Al_0.2Ga_0.8As，厚度为160nm。自 第一势垒层3至连续区10为一个周期，再生长5个周期，共6个周期，然后再 生长一个覆盖层11，成分为Al_0.4Ga_0.6As，宽度为500nm，和空气隔离层12，成 分为GaAs，宽度为10nm。这种结构的控制器件的工作双色光波长为5.74μm和 5.98μm。