2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件+

光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件

光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件可能成為全光邏輯和計算機(jī)中的關(guān)鍵元件。發(fā)展半導(dǎo)體光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件的目標(biāo)是小型化、快速、低功率和高溫工作。利用純GaAs體材料做的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件室溫下工作時要求光脈沖高達(dá)10kW，而利用超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)的激子飽和吸收做的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件要求的輸入功率僅在100mW以下。

D.A.B.Miller等人提出了一種新型的混合的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)器件，它可在更小的光功率下工作，稱為自光效應(yīng)器件（SEED）。2自光電效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)3自光電效應(yīng)器件的外接線路圖改變外電路電壓和電阻可以使開關(guān)的啟動功率和開關(guān)時間在較大范圍內(nèi)變動。4量子阱超晶格光電接收器量子阱或超晶格的導(dǎo)帶或價帶中的子能帶之間及子能帶和連續(xù)態(tài)之間的躍遷可以利用來做成量子阱紅外光電接收器（QWIP）。量子阱紅外光電接收器的能帶圖56光子晶體光子與電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求得到微型化和高速化的集成回路，電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的極限使人們提出了用光子作為信息載體代替電子的設(shè)想。同電子的特性相比，光子的運(yùn)行速度遠(yuǎn)高于電子的運(yùn)行速度，頻帶寬(可達(dá)到幾十兆兆赫茲)，光子是電中性粒子，沒有相互作用，因此能耗低，非電子性抗干擾能力強(qiáng)，光子具有頻率和偏振等多重信息，因此具有更高的信息容量。要實現(xiàn)集成光路的關(guān)鍵是必須制造出像適合集成電路的半導(dǎo)體材料那樣適合集成光路的材料——光子晶體。7電子與光子有本質(zhì)的不同，如表1所示，電子是自旋為1P2的費(fèi)米子，而光子是自旋為1的玻色子，電子是標(biāo)量波，而光子是矢量波，電子之間有相互作用，而光子之間沒有，電子服從薛定諤方程，而光子服從的是麥克斯韋方程。但作為基本的物質(zhì)粒子，電子和光子皆有波粒二象性，只是電子更趨向于粒子性，光子更趨向于波動性。89但它們在很多方面還是有很多相似之處，如二者在自由空間為平面波，在周期約束空間為布洛赫波等。這也為二者在約束結(jié)構(gòu)或周期性結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)相似性質(zhì)提供了可能。10原子、光子原子和光子分子原子由原子核和繞核運(yùn)動的電子構(gòu)成，電子按軌道能級排列，有S軌道，P軌道等，軌道之間的電子發(fā)生躍遷可以產(chǎn)生尖銳原子譜線。當(dāng)兩個原子結(jié)合組成類H+2分子時，由于外層電子的電子云發(fā)生重疊(此時對原子最外層的價電子影響較大，對內(nèi)層電子的影響可以忽略)，原子軌道能級重新組合，形成反鍵軌道和成鍵軌道，分別相對于原來的原子能級有一個能量上升和下降的趨勢。因此原子在組成分子的過程中，能級是要發(fā)生分裂的，而且能級分裂的大小與原子間距有關(guān)，一般隨原子間距減小而增大。而且當(dāng)原子有多個價電子存在時，分裂為多個能級。11大量的原子按一定的空間排布結(jié)合在一起組成晶體。在這些結(jié)構(gòu)中，原子是有規(guī)則排列的，價電子不再專屬于某個原子，而是在晶體中做共有化運(yùn)動，因此原子的某些分立的能級形成由一定能量范圍內(nèi)準(zhǔn)連續(xù)分布的能級組成的能帶，相鄰兩個能帶之間可能存在一定的能量區(qū)間，稱為能隙。電子不能在能隙中存在，只能在能帶間跳躍。日本日亞（Nichia）公司1997年實現(xiàn)了410nm連續(xù)工作10000h的GaN基藍(lán)光LDInGaN多量子阱激光器的結(jié)構(gòu)圖12光纖通訊中半導(dǎo)體激光器及大功率半導(dǎo)體激光器

應(yīng)變量子阱材料半導(dǎo)體光放大器（SLA）具有寬且平的增益譜，易集成，低損耗，體積小，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，最重要的應(yīng)用是波長轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)靈活的波長路由。此外，還希望用其作為光傳輸系統(tǒng)中1310nm窗口的功率放大器，線路放大器和前置放大器