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利用GaN/AlGaN阶梯量子阱中子带双谐振效应增强二阶非线性光学极化率

导读: 早在上个世纪九十年代初,人们就提出了利用量子阱中的子能带跃迁来获得大的二阶非线性光学极化率,从而获得高效的二次谐波产生,这种想法首先在GaAs系列材料上取得了成功。

  GaN、AlN及其合金化合物作为第三代宽禁带半导体的典型代表,已在光电子发光器件如蓝绿光LED、LD和高速电子器件如HEMT等领域取得了巨大的成功,然而有关其光学非线性现象的研究目前还比较少,特别是其量子阱中和子能带相关的二阶非线性效应还鲜有报道。

  早在上个世纪九十年代初,人们就提出了利用量子阱中的子能带跃迁来获得大的二阶非线性光学极化率,从而获得高效的二次谐波产生,这种想法首先在GaAs系列材料上取得了成功。但是,对GaN材料,直到最近才实现了二次谐波产生,但其测得的二阶非线性光学极化率要远远小于理论值。究其原因,一是器件的结构参数与设计值存在较大误差,另一个重要的原因就是其设计的器件结构未能充分利用子能级跃迁增强效应,导致极化率依旧比较小。而高的光学极化率对提高二次谐波产生效率至关重要。

  针对上述问题,陈长清教授领导的先进半导体团队提出了一种新的量子阱结构——GaN/AlGaN阶梯量子阱。传统的单量子阱因无法实现双谐振效应而不能获得较大的二阶非线性极化率,而阶梯量子阱则可以通过改变参数调节子能级的位置来实现双谐振效应,从而大大地增强二阶非线性极化率。模拟计算表明,通过改变势阱、阶梯阱厚度或者势垒、阶梯阱Al组分,可以实现双谐振效应,此时获得的二阶非线性极化率较单量子阱情况提高了一个数量级。利用GaN/AlGaN阶梯量子阱制作的非线性光学元件有望在激光倍频、二次谐波产生领域取得应用。

图. 单量子阱和阶梯量子阱导带能带图

         表. 计算得到的双谐振条件时二阶极化率以及峰值能量

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