非线性光学与光子学：半导体双稳态装置的研究成果

到目前为止，有关光学双稳态的大部分的研究工作一直致力于开发各种半导体材料和构建新型器件设计。以半导体材料为基础的光学双稳态元件的主要优点有：

（1）在较低入射光强条件下，易于利用近共振增强获得较大的折射率变化。

（2）具有优越的物理和化学稳定性以及良好的双稳态性能的可靠性和再现性。

（3）器件可以做成紧凑、集成和多路复用。

最早的半导体双稳态实验演示完成于1979年，分别使用了GaAs和InSb作为非线性材料［8，9］。在第一种情况下，非线性材料是由分子束外延生长厚度为4.1μm的GaAs片层，它被夹在两面高反射（R=0.9）膜层之间，输入激光出自一台波长在770～870 nm间可调谐的连续波染料激光器，该激光束先通过一个声光调制器，然后聚焦成为10 μm光斑入射在处于低温的样品表面上。调谐激光频率使其略低于激子吸收峰值，在5～120 K温度区间可观察到双稳态行为，测得双稳回线上升时间短于1 ns，而下降时间为40 ns；这表明Δn的主要贡献机制是光致激子吸收的变化。图11-9为该实验测得的输入和输出脉冲的时间波形和相应的特性工作曲线。

图11-9　夹有GaAs薄层并工作在15 K的F-P装置的双稳态行为［8］(www.xing528.com)

（a）输出/输入特性曲线；（b）输入与输出脉冲的时间波形（激光波长819.9 nm）

图11-10则显示了一个在处于5K低温下平行平面n型InSb晶片（5 mm×5 mm×0.56 mm）样品中测得的光学双稳态特性曲线，此时样品由具有R≈36%自然反射率的两个平行表面构成F-P腔，出自一台连续CO激光器的输入聚焦光束的波数为1 895 cm-1，光斑大小为180 μm，它与晶体样品的带隙（1 899 cm-1，在5K温度）发生近共振［9］。实验测得等价F-P腔的F因子约为0.5，主要由腔内吸收所限定。从图11-10可以看到，迟滞回线发生在第5次干涉跃变，这意味着光诱导腔内往返相位变化达到10π，作者认为折射率变化是由电子非线性机制所导致的。

图11-10　5K温度下InSb平行平面晶片的双稳态工作特性曲线［9］

基于InSb材料的另一个例子是工作在室温下以波长为10 μm的CO2激光束入射的双稳装置［20］，InSb晶体片厚174 μm，两抛光平行平面形成腔，由自由载流子吸收决定的腔内光损耗系数为10 cm-1。所使用的CO2激光器工作在单横/纵模状态，输出脉冲持续时间1～2μs，输出谱线可在属于P支（P12～P28）跃迁的9～11 μm间调谐。由于相邻CO2激光线的间隔2 cm-1显著小于FP腔的自由光谱区8 cm-1，因此可以选择几个不同的激光线以提供不同的初始相位因子值，而不必改变腔厚度或入射角。图11-11给出了在4种不同的激光谱线入射条件下，输入与输出脉冲时间波形以及对应的特性工作曲线。测得的双稳态接通和关闭时间分别为5 ns和50～100 ns。作者认为观察到的非线性折射率的改变主要由双光子吸收共振所引起，但在高入射光强时，热效应影响亦不能完全忽略。