正切平方势量子阱的光整流特性

牛牧文，李学超，叶纯宝，张粮成

(安徽理工大学 力学与光电物理学院，安徽 淮南232001)

低维半导体材料因其丰富多样的光电特性，一直在非线性光学领域中受到广泛的研究[1-7]。传统块体材料由于具有对称的晶体结构，非线性效应较弱，而低维半导体材料则因其量子尺寸效应，使其具有离散的能级，从而表现出较强的非线性光学效应[8-10]。同时，随着分子束外延技术、金属有机气相沉积[11-12]等晶体生长技术的发展，人们已经能够研制出多种形式的纳米半导体结构，使得在实验条件下可以实现这些非线性光学效应[13]。良好的非线性光学特性在光学存储器、高速电光调制器、远红外激光器等光电器件中有着广泛的应用[14-16]。在过去几年中，Bahramiyan 研究了电场和杂质对双锥形量子点光整流特性的影响，结果表明外加电场且施放杂质位置的不同，对系统的光整流特性具有显著影响[17]。刘光辉等研究了球形圆顶半导体纳米壳中的非线性光整流特性，研究发现随着截止角度的增加，非线性光整流的幅度增大且其共振峰位置没有随入射光子能量的变化而改变[18]。虽然人们对低维结构的非线性光学性质的研究愈来愈深入，尤其是在光整流特性方面做了许多工作，但是对于具有正切平方势量子阱中的非线性光学特性的研究尚少。

本文主要聚焦于研究具有正切平方势量子阱中的非线性光整流特性。在有效近似条件下，通过求解系统薛定谔方程，得到系统能级与波函数。运用密度矩阵与迭代法推导出了系统的光整流系数的表达式。使用典型的GaAs/AlGaAs 半导体材料进行数值模拟，讨论了系统中有关参数的变化对量子阱光整流特性的影响，希望可以为研制新型光电器材提供一定理论依据。

1 基本原理

考虑电子被束缚在限制势为正切平方势中，运用有效质量近似，系统沿y 方向的薛定谔方程可表示成如下形式[19]：

利用密度矩阵理论以及迭代法，能够推导出正切平方势量子阱系统的光整流系数。假设系统在电磁场E(t)=～Eeiωt+～Ee-iωt的作用下，密度矩阵ρ

2 分析与讨论

图1 不同V0时光整流系数随入射光能量ℏω 的变化图

图2 不同V0时几何因素M201δ01 的变化图

图3 不同d 时光整流系数随入射光能量ℏω 的变化图

图4 不同d 时几何因素M201δ01 的变化图

3 小结

本文主要研究了具有正切平方势量子阱中的光整流特性。结果表明在系统其他物理参数不变的情况下，当分别调节受限势的高度V0以及宽度d 时，量子阱的光整流系数随入射光子能量变化的规律。结果表明系统的光整流系数随着V0的增加而减小，并出现蓝移现象；随着d 的增加反而增大，并出现红移现象。