通过半导体量子点中的非线性四波混频实现相位控制的横向与旋转光子拖曳

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Phase-controlled lateral and rotational photon drag via nonlinear four-wave mixing in semiconductor quantum dots

　　

•闭合回路光学相位翻转横向与旋转光子拖曳
•四波混频使探测光在慢光与快光状态之间切换
•非均匀展宽保持相位可控的拖曳切换特性
•控制场强度调节群折射率与光子拖曳大小
•拖曳反向无需反向介质运动

引言

电磁感应透明（EIT）已引起广泛关注，为将相干光学控制从原子系统拓展至半导体平台提供途径。半导体量子点（SQD）由于其离散能谱与强载流子限域，为研究无反转增益[1]、EIT[2]、光学双稳态[3]、[4]、克尔非线性[5]、[6]以及强电子局域化[7]、[8]、[9]提供了通用平台。此外，谐振耦合光子结构中的相位依赖型干涉已被证明可以调控谐振线形、群延迟和慢光行为[10]。

包括Nielsen与Chuang在内的理论研究运用密度矩阵方法研究了SQD中的四波混频（FWM）[11]。量子点有效地作为类原子系统：电子与空穴的空间限域使它们的能级离散化，产生类似于单个原子的电子行为。这些特性连同大的偶极矩和量子化跃迁，使SQD非常适合产生FWM信号[12]、降低声子相互作用引起的退相干[13]，并用于实现量子点激光器[14]。常研究的结构包括InGaAs/GaAs[12]和AlGaAs/GaAs[13]量子点。

当光在运动介质中传播时，其方向和相位会被介质运动所修改，从而产生菲涅耳–菲索拖曳效应。该现象最早由Fresnel[15]预测并经Fizeau[16]实验验证，随后的处理纳入了材料色散和运动介质边界效应[17]、[18]。后续实验证实了不同透明介质中光学拖曳依赖于波长相关的折射率色散[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。近期，广义多普勒方法将光–运动相互作用拓展至平移与旋转运动的高精度传感[24]。

具有强频散色的介质，包括碱金属蒸气系统，可大幅降低光脉冲的群速度，产生慢光状态[25]。若介质处于运动状态，相对论速度变换会修改观测到的脉冲传播，并为控制光在材料中的输运提供机制[26]。群速度与群折射率的关系为vg=c/ng；ng为正值且较大时对应亚光速传播，而反常色散可产生负或超光速群速度。这些超光速或负群速度并不意味信息传输速度快于光，因为信号前沿仍以真空光速为界。在实践中，这些状态会受到吸收的强烈影响，而吸收可通过电磁感应透明、光放大和四波混频等相干与非线性光学机制加以降低。

理论与实验研究均表明，慢光介质可显著增强光子拖曳效应。例如，当介质旋转时旋转光子拖曳会被放大[27]。量子相干方案，如EIT，可抑制吸收并在谐振附近诱导强色散，从而进一步增强光子拖曳[28]、[29]、[30]。在强光学色散条件下，铷蒸气中的增强型纵向光子拖曳已被实验证实[31]，而EIT条件下的冷原子系统已展示光子拖曳提升数个量级[28]。这些进展凸显了色散与相干介质操纵光子动量的潜力，可用于光学器件和量子技术领域。

在半导体及混合点–等离激元平台上，菲涅耳–菲索拖曳的相干控制同样被深入研究。增益辅助的四能级方案产生超光速传播并同时增强光子与表面等离激元极化激子的旋转拖曳[32]，强场穿衣态与点间隧穿已被用于在非对称双点及三点量子点分子和点–金属界面处调控拖曳[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。这些方案的共同特点是相干性是沿着开放的激发路径建立的，因此电极化率取决于场强度与失谐，但不依赖于驱动场的绝对光学相位。此处研究的结构恰好在这点上有所不同：四个场闭合了一个相互作用回路，使得相对相位Φ=?c1??c2??s+?p作为物理控制参数进入电极化率，并且拖曳的符号可在固定幅度和失谐下发生反转。

半导体量子阱中的激子通常寿命较短[38]，而半导体量子点（SQD）中的激子具有较长的相干时间，可在较宽松的温度条件下支持四波混频过程[12]、[39]、[40]。SQD可调的电子结构进一步为光学跃迁的调控提供了灵活性。量子点系统中所用的FWM已被用于产生空间结构化透明和传输光学涡旋[41]、[42]，包括闭合回路双点构型[43]。相干FWM现象也在原子及类原子集合中被研究，包括激光诱导原子光栅中的偶极孤子产生和原子蒸气中的多光子量子态产生[44]、[45]。菱形型FWM方案也已在热铷蒸气中被研究[46]、[47]、[48]。与这些研究不同，本工作聚焦于半导体量子点中由非线性FWM产生的、由相位控制的横向和旋转光子拖曳。

FWM是一种三阶非线性过程，相干光学场通过介质的非线性极化相互作用以产生新场。在闭合回路构型中，产生的信号满足ωs=ωp+ωc1?ωc2和ks=kp+kc1?kc2。相对光学相位控制着相互作用路径之间的干涉，从而修改电极化率的吸收与色散部分，进而影响决定横向与旋转光子拖曳响应的群和相折射率。类似的相位敏感相干控制也与精密量子传感相关[49]、[50]。

区分量子光子系统中讨论的离散能量结构的来源是有用的。在半导体量子点中，离散的激子和双激子态源自结构纳米尺度所引起的载流子限域。这种限域诱导量子化不同于耦合诱导的反交叉现象（其中两个相互作用态或光子模式杂化），也不同于外场诱导的穿衣态或晶场量子化（其中附加场修改能谱）。本工作聚焦于限域诱导量子点能级与相干闭合回路四波混频的结合。

近年来，微小型化和可重构光学系统的进展展示了紧凑型光子平台在精密光谱学、自适应光学和传感中的日益重要性[51]、[52]。频率稳定光学传感技术也已展示出大范围动态范围内的高精度测量能力，凸显了可控光学频响在现代光子计量中的价值[53]。类似地，激光自混合干涉方法已被开发用于敏感振动和位移测量，说明光–运动相互作用在光学传感中的更广泛应用[54]。基于激光多普勒的方法进一步展示了光学技术用于振动和机械运动高精度表征的能力[55]，而光学量子传感的相关进展表明，频谱和共振信息可被用于准确估算外部物理参数[56]。

在此基础上，我们研究了相位依赖方法，在由四波混频驱动的四能级半导体量子点系统中操纵横向和旋转光子拖曳。所提出的构型允许通过相对相位和应用场参数来调节光学响应，从而实现亚光速与超光速传播状态之间的转变。这种可调性带来可控的拖曳响应增强与反转。分析凸显了量子点介质中吸收、色散与相干非线性相互作用之间的联系。这种相位敏感的光子拖曳控制可能有助于精密光学测量、运动传感以及紧凑型半导体基光子器件的设计。

章节摘要

理论模型与方程

我们考虑双级联SQD构型，如图1(a)所示。底层异质结构基于GaAs/AlxGa1?x，该平台已用于荧光激发谱中均匀线宽的研究[13]以及GaAs/AlGaAs单量子点线性和非线性光学响应的分析[57]。在本设计中，一块厚度为17.5 nm的GaAs层被嵌入两个厚度均为25 nm的Al0.3Ga0.7势垒之间，通过……生长

结果与讨论

所提出半导体量子点结构的光子拖曳响应通过求解稳态密度矩阵方程后，将所得电极化率代入横向和旋转拖曳表达式中进行评估。所有数值结果均通过集合平均电极化率纳入了非均匀展宽，因此计算所得谱包含非均匀线展宽效应。光学行为由此受……控制

结论

总之，我们研究了在展宽条件下由四波混频方案驱动的四能级半导体量子点系统中的横向和旋转光子拖曳。通过求解稳态密度矩阵方程，我们证明了光学电极化率、群折射率和光子拖曳响应可由控制场强度Ωc1与应用场的相对相位?控制。增大Ωc1增强了色散斜率，从而修改了……

CRediT作者贡献声明

Hamad Ali：撰写–初稿、形式分析、构思。Abul Basit：撰写–审阅与编辑、可视化、形式分析。Ying-jie Zhao：撰写–审阅与编辑。Yanfang Ji：撰写–审阅与编辑、可视化。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

Hamad Ali | Abul Basit | Ying-jie Zhao | Yanfang Ji