基于新型锑基材料的半导体光学放大器自旋相干研究

随着信息处理量的迅猛发展，运用电子自旋来实现更快速的信息处理成为光通信领域研究的热点，基于电子自旋的光电子器件具有数据处理速度快、集成度高、功耗低三大优势，成为光电子器件的发展趋势之一。本项目将系统研究光致自旋态、自旋弛豫的物理意义，建立有源半导体材料自旋弛豫的数学模型；设计、生长制备新型锑基半导体材料，使该材料的自旋弛豫时间比常规材料短一到二个数量级；设计、制备基于新型锑基材料的半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）；并将深入探讨在SOA的有源区中对自旋态的相干控制,从而实现超高速全光开关。全光开关将主要应用于下一代的全光通信网络（数据传输速率>100 Gb/s）。

随着信息处理量迅猛发展，运用电子自旋来实现更快速的信息处理成为光通信领域研究的热点，基于电子自旋的光电子器件具有数据处理速度快、集成度高、功耗低三大优势。本项目系统研究了光致自旋态、自旋弛豫的物理意义，建立了有源半导体材料自旋弛豫的数学模型；设计并制备锑基半导体材料（该材料的自旋弛豫时间比常规材料短一到二个数量级）；设计并制备基于锑基材料的半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）；探讨在SOA的有源区中对自旋态的相干控制,从而实现超高速全光开关。全光开关将主要应用于下一代的全光通信网络（数据传输速率>100 Gb/s）。. 项目研究了GaAsSb/AlSb多层量子阱（multiple quantum well (MQW)）异质结构的多方面性质，包括：1）常温下GaAsSb MQW在1.5 μm附近具有直接带宽，可与AlGaSb/AlSb或AlGaAsSb/AlAsSb布拉格镜单片集成，从而可应用到垂直腔面发射激光器；2）砷含量的增加能够增强GaAsSb MQWs的荧光强度；3）通过离子植入和快速热退火可有效控制GaAsSb MQWs的发射峰值，从而实现一块晶片通过一次生长可获得不同发射峰值的材料，在光子集成电路领域具有实用价值；4）GaAsSb MQWs具有亚皮秒量级的自旋弛豫时间，探索了基于GaAsSb MQWs的SOA有源区中对自旋态的相干控制,从而实现超高速全光开关。通过理论模拟得到，对于圆偏振态的泵浦和探测光，TE和TM模之间的有效折射率差非常大，0.03左右，导致严重的相位不匹配，因此四波混频（four-wave mixing (FWM)）的转换效率极低，从而基于FWM机理的SOA在超快全光开关方面的应用受到极大限制。 .此外，项目进展中采用时间分辨的法拉第椭圆度研究了室温下闪锌矿结构CdSe 量子点的自旋相干性质。 颗粒尺寸和磁场强度取决于自旋相干这一点表明自旋相干源自于自旋反转－转向散射交互导致的剩余的自旋极化电子 。. 项目同时研究了相关通信窗口的量子点，包括PbS、PbSe等，并将量子点应用于光纤放大器，得到一个高增益、宽放大带宽、小小尺寸、易于集成、制备简便、成本低廉的光纤放大器，该光纤放大器在超高速、大容量的宽带接入等领域具有重要的实际意义和应用价值。