文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
半导体量子阱中量子相干效应及其应用的理论研究
姓名:郝向英
申请学位级别:博士
专业:光学
指导教师:吴颖
2010-10-11
华中科技大学博士学位论文
摘要
由于量子相干和干涉效应能够使介质的光学特性发生显著的改变,过去几
十年里,基于量子相干的诸多有趣的光学现象引起了人们广泛的研究兴趣,如
电磁诱导透明、无反转激光、相干布居捕获、高阶非线性增强、光群速减慢、无
吸收折射率增强等。此外,人们还利用量子相干效应对单个原子和光子的量子
状态进行有效地操纵和控制,以实现更加灵活和快速的信息处理。上述基于量
子相干效应的现象多是首先在原子气体中预见并观测到的,但是对于其潜在应
用而言,全固态系统方案显然更具价值,也更值得追求和探索。本文主要研究半
导体量子阱固态介质中的量子相干效应及其应用,更具体地说是对超慢光孤子、
高效四波混频、光学增益吸收性质、偏振量子相位门以及双模连续变量纠缠的
实现做了理论研究。主要工作包括以下几个方面:
1、在一个非对称耦合双量子阱四能级系统中,利用一个低强度脉冲激光辐
射分析了超慢亮暗光孤子的形成。在适当的参数条件下数值给出了光孤子可以
−5
以超慢群速 Vg/c ∼ 10 传输。
2、在一个非对称三量子阱形成的巨梯位型中基于带内跃迁实现了高效四波
混频过程。利用耦合的薛定谔- 麦克斯韦方程求出了入射探测场和产生的四波
混频场显式的解析表达式,并具体讨论了四波混频效率随几个参数的改变。在
该系统中,产生的中红外四波混频信号场的效率有了很大增强,得到的最大效
率超过了 50%。
3、在一个非对称三量子阱形成的巨梯位型系统中,基于带内跃迁研究了与
相位相关的两个弱场(中红外和远红外)的增益和吸收性质。在该系统中,场的
增益吸收谱线强烈依赖于应用激光场的相对相位,并且可以利用实验的参数得
到两个场的放大。还具体讨论了探测场失谐量以及泵浦场的拉比能量对两个光
场增益吸收反应的影响。
接着,利用同样的方法,在一个非对称耦合双量子阱结构双Λ位型中考
虑 Fano 干涉效应研究了探测场和信号场的吸收放大反应。分别讨论了泵浦场的
拉比能量、Fano 干涉强度、相对相位以及探测场失谐量对吸收谱线的影响。结果
表明,两个场的放大可以通过改变这些参量来实现。
I
华中科技大学博士学位论文
4、利用电子波函数的概率幅方程分析了两个耦合量子阱四能级系统中的
非线性光学反应并得到两弱场极化率的解析表达式,基于系统产生的较大交
叉 Kerr 非线性实现了两量子比特的偏振量子相位门,其中,二进位量子信息是
通过探测场和信号场的偏振自由度来标示的。
5、利用囚禁在双模共振腔中的非对称耦合双量子阱结构中的 Fano 干涉效
应研究了两腔模间纠缠的产生和演化,这与先前在原子介质中通过外部强驱动
场来研究纠缠有所不同。结果显示,Fano 干涉强度可以明显地影响纠缠的时间
和强度,在该双量子阱结构中可以实现两腔模间大的纠缠。
总之,本论文的研究加深了对半导体量子阱系统中量子相干效应及其在量
子光学和量子信息方面应用的认识,有助于进一步了解超慢光孤子形成、红外
光场的产生、吸收和增益性质以及基于量子相干效应实现的偏振量子相位门和
双模连续变量纠缠。这些研究对光学缓冲器、红外激光器、红外光场放大器的研
发和应用以及量子信息处理等技术的应用具有一定的参考价值。
关键词:半导体量子阱; 量子相干; 光孤子; 四波混频; 增益和吸收; 偏振量子相位
门;连续变量纠缠
II
华中科技大学博士学位论文
Abstract
In the past decades, lots of interesting optical phenomena based on quantum coher-
ence have attracted considerable interests for the optical properties of the media can be
greatly changed due to the quantum coherence and interference, for example, electromag-
netically induced transparency (EIT), laser without inversion (LWI), coherent population
trapping (CPT), enhanced high-order nonlinearities, low group-velocity, enhanced