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T 型量子細線レーザーでのキャリア密度増加にともなう光学利得の増大と抑制効果

日本物理学会　 2007 秋季大会 @ 北海道大学　 21pTG-2. 21pTG-2. T 型量子細線レーザーでのキャリア密度増加にともなう光学利得の増大と抑制効果. 吉田正裕 A,C ，岡野真人 A,C ，井原章之 A,C ，秋山英文 A,C ， 懐平 B,C ，小川哲生 B,C ， Loren N. Pfeiffer D ， Ken W. West D. A 東大物性研， B 阪大理， C CREST ・ JST ， D Alcatel-Lucent, Bell Labs. Outline:. 1. 背景と目的 2. Ｔ型量子細線レーザー試料構造

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T 型量子細線レーザーでのキャリア密度増加にともなう光学利得の増大と抑制効果

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  1. 日本物理学会　2007秋季大会@北海道大学　21pTG-2日本物理学会　2007秋季大会@北海道大学　21pTG-2 21pTG-2 T 型量子細線レーザーでのキャリア密度増加にともなう光学利得の増大と抑制効果 吉田正裕A,C，岡野真人A,C，井原章之A,C，秋山英文A,C， 懐平B,C，小川哲生B,C，Loren N. Pfeiffer D，Ken W. West D A東大物性研，B阪大理，C CREST・JST，D Alcatel-Lucent, Bell Labs. Outline: 1. 背景と目的 2. Ｔ型量子細線レーザー試料構造 3. 利得スペクトル測定 4. 実験結果‥‥光学利得のキャリア密度依存性 5. 考察‥‥理論計算との比較 6. まとめ

  2. 研究背景と目的 半導体量子細線レーザー 自由キャリア理論に基づく、バンド端状態密度先鋭化による　　レーザー性能向上の予測　　　　　低閾値、高微分利得、特性温度の向上 ... M. Asada他(1985), Y. Arakawa他(1982) 　一次元における強いクーロン相互作用励起子効果の増大、状態密度発散の抑制... T. Ogawa他(1991).　　　　　クーロン相互作用を取り込んだ多体理論計算による利得スペクトル... 懐平 他 (21pTG-1) • しきい値近傍での利得増強効果 • 高密度での利得ピーク抑圧効果 本研究では、 　高品質なノンドープＴ型量子細線レーザーを用いて、光励起による利得吸収スペクトル測定を行い、 量子細線における光学利得のキャリア密度依存性の解明 クーロン効果を取り込んだ理論計算とのスペクトル比較 を行った。

  3. T型量子細線レーザー試料構造 [110] [001] へき開再成長法 [110] [001] GaAs substrate (001) MBE Growth In situ Cleave (110) MBE Growth 光導波路構造 T型量子細線構造 500mm T wire arm well stem well % : Al content (x) in AlxGa1-xAs • MBEへき開再成長法により作製 • T型導波路に3周期T型量子細線 • T細線 14 x 6 nm2, ノンドープ • 光閉じ込め係数 G:G = 1.3 x 10-3 • Cavity : Cavity長 = 500μmas cleaved (反射率=0.3) L. N. Pfeiffer et al., APL 56, 1679 (1990).

  4. ストライプ状光励起による導波路放出光測定 Excitation：cw TiS laser, 1.661eV 　　　　チョッパー： duty比2 % PL 自然放出光 (PL) ストライプ励起 導波路放出光 強度均一性: < 10% F-Pフリンジ res. 0.1meV Emission Intensity 導波路放出光 Arm wellに平行な偏光成分を検出

  5. 利得吸収スペクトル gmod gmod= G·G - a int G・Gpk a int gmod : Modal gain G : Material gain a int Chemical potential (m) : Internal loss : Opticalconfinement factor G Waveguide Emission フリンジ解析 Emission Intensity Cassidy法を用いて、 Fabry-Perotフリンジ解析 D. T. Cassidy JAP, 56 3096 (1984).

  6. 利得吸収スペクトル（3-prd T細線） 励起光強度の増加に伴い、 • 励起子吸収ピーク(1.580eV)の強度減少　→　消失 • 利得ピーク(1.574eV)の出現　　→　利得の成長　　　　　　ピーク値の増加　　　　　　幅の増加 Modal Gain G・G (10 cm-1/div.) G・Gpk 更なる強励起 (Pex.>20mW)では、 • 利得ピーク値が飽和 • 高エネルギー側に急峻な 利得ピーク (L2)の出現 （→ 近接量子井戸での利得）

  7. ピーク利得の励起強度依存性 利得出現： 3 wire laser G = 1.3 x 10-3 Eex = 1.661 eV • 透明励起強度 ~3 mWで利得が発生し、励起強度に対して急激に増加。 利得抑圧： • 励起強度の増加に伴い、ピーク利得は最大値をとり、以降、減少傾向。 • 高温でピーク利得の最大値が低下。 PL強度の励起強度依存性から、 励起光強度　→　キャリア密度 n1D　に変換。

  8. ピーク利得のキャリア密度依存性 G = 1.3 x 10-3 Gpk

  9. 光学利得の理論計算との比較 T = 30K 60K 100K 300K • Screened Hartree-Fock (static screening) ... (incl. Coulomb) • Free-particle model ... (no Coulomb) 理論計算 GaAs 14x6nm 矩形細線 infinite barrier 理論 実験 me=0.0665 m0 mh=0.105 m0 ((110)QW) Free-particle Gpk • = 0.8 meV (broadening) G = 1.3 x 10-3 SHF

  10. 光学利得の理論計算との比較 T = 30K 60K 100K 300K • Screened Hartree-Fock (static screening) ... (incl. Coulomb) • Free-particle model ... (no Coulomb) 理論計算 多体理論計算との類似点 • 透明キャリア密度~ 3 x 10 5 cm-1 • ピーク利得値多体理論と同程度。 • 高密度での利得減少多体理論と同じ傾向を示す。 理論 実験 Free-particle Gpk 相違点 SHF • 透明領域近傍での微分利得 • 利得最大となるキャリア密度 • 実験と比して、理論計算が　 相対的に高温 x106

  11. キャリア温度見積もり Pex=11.3 mW KMS 関係式fittingによる キャリア温度(Te)の見積もり n1D~9x105 cm-1 測定温度：4 K Te ~ 60 ± 6 K で、利得スペクトルが比較的良く一致。 m Carrier heating !? 準熱平衡系 KMS 関係式 利得 H. Haug and S. Schmitt-Rink Prog. Quant. Electr. 9, 3 (1984). m : quasi-chemical potential Te : quasi-equilibrium carrier temperature

  12. キャリア温度の密度依存性 KMS 関係式fittingから見積もったキャリア温度(Te)

  13. まとめと今後の課題 Ｔ型量子細線レーザーの利得吸収スペクトル測定を行い、光学利得の励起光強度（キャリア密度）依存性について調べた。 • 光学利得は小さな透明励起強度(～3mW)から立ち上がり始め、そのときの透明キャリア密度は 3x105 cm-1と見積もられた。この値は多体理論計算からの値とほぼ一致した。 • ピーク利得のキャリア密度依存性において、多体理論で見積もられるのと同程度のピーク利得値が得られた。 • 励起強度の増加に伴い、ピーク利得は最大値をとり、さらに増加させると減少へと転じていく。この利得の減少は、クーロン相互作用を取り入れた多体理論から示唆される高密度側でのピーク利得の“抑圧効果”を観測しているものと考えられる。 今後の課題 : • 光学利得特性におけるキャリア温度の影響‥‥ 励起光エネルギー依存性測定

  14. ピーク利得のキャリア密度依存性 Screened-HF Free-particle T = 30K 60K 100K 300K Gpk

  15. ピーク利得の化学ポテンシャル依存性 高密度領域： mchem ↑　⇒　Gpk ↓ n1D増加に伴う、 Gpkの抑制 （励起子エネルギー位置から測った利得-吸収クロスオーバー位置）

  16. PL励起強度依存性からのキャリア密度見積もりPL励起強度依存性からのキャリア密度見積もり 3 x105 cm-1 PL強度 ∝ キャリア密度として、 各励起強度でのn1D算出 M. Yoshita et al., PRB 74, 165332 (2006).

  17. 利得吸収／発光スペクトルの比較 実験 理論計算 • 相違点: • 低エネルギー側　裾広がり • BGRの大きさ

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