ПОЛЯРИТОННЫЙ ЛАЗЕР

Изобретение относится к оптоэлектронной техники, точнее к полупроводниковым источникам лазерного излучения на основе материала GaAs, управляемым электрическим током, а именно к новому типу лазеров, не требующих инверсной населенности активной области. Вследствие этого пороговые значения токов накачки данных лазеров как минимум на два порядка меньше значений, характерных для лучших образцов традиционных полупроводниковых лазеров, для работы которых необходимо создание отрицательной температуры. Следовательно, основным достоинством поляритонных лазеров является чрезвычайно низкое энергопотребление и высокая экономичность. Данный лазер может использоваться в тех областях техники, где не требуются высокие значения выходной оптической мощности, но чрезвычайно важно малое энергопотребление и экономичность, например в оптической связи, в медицине, измерительных и диагностических приборах, в квантовых компьютерах.

Поляритонный лазер, в самом общем случае, представляет из себя микрорезонаторную систему, состоящую из оптического резонатора Фабри-Перро с полуцелым числом длин волн излучения, в максимумах интенсивностей которых расположены квантовые ямы - узкие слои полупроводникового материала с меньшим значением величины запрещенной зоны, чем у окружающего барьерного слоя, позволяющие создавать связанные электронно-дырочные состояния - экситоны. Сам резонатор окружен с двух сторон распределенными брегговскими отражателями (РБО), позволяющими достаточным образом локализовать оптическое поле. При накачке (оптической или электрической) в активной области лазера - квантовой яме, в результате релаксационных процессов электронов образуются экситоны, которые излучают фотоны. Затем фотоны, отраженные с помощью резонатора, снова создают экситоны и т.д. Частота фотонного поля при этом совпадает с частотой экситонных переходов. В результате смешивания экситонных и фотонных составляющих поля образуются поляритоны, характеризуемые определенным законом дисперсии (верхняя и нижняя ветвь, разделенные между собой в точке с минимальными энергиями при K=0 на величину энергии, определяемой частотой Рабби, являющейся мерой экситон-фотонного взаимодействия.) Нижняя ветвь в точке K=0 (K - волновой вектор, параллельный плоскостям резонатора) имеет ловушку - наименьшее энергетическое состояние, в которое в результате релаксационных процессов (экситон-фононных, экситон-экситонных, экситон-электронных) скатываются поляритонные состояния. Необходимым условием работы лазера является наличие режима сильной экситон-фотонной связи, когда частота экситон-фотонного взаимодействия превышает частоту взаимодействия экситонов с диссипативной подсистемой. При этом значение энергии, определяемое частотой Рабби, превышает величину энергии, связанную с уширением спектральных линий фотонных и экситонных составляющих компонент поля, причем данное уширение (связанное, в частности, с фононным взаимодействием) в свою очередь сильно зависит от температуры. При увеличении мощности накачки, в результате бозонного характера поляритонного поля происходит стимуляция роста населенности числа частиц в точке дисперсии с K=0. Лазерное излучение в таких приборах происходит из Бозе-Эйнштейновского квазиконденсатного поляритонного состояния вещества, в точке дисперсии с K=0, представляющей из себя макроскопически когерентную область, размером в несколько микрометров. Основной проблемой создания поляритонного лазера является повышение максимальной температуры, при которой возможно сохранение вышеупомянутого режима сильной связи и конденсатного состояния поляритонов и доведение ее до комнатных значений и выше.

Известен поляритонный лазер [Pallab Bhattacharya, … Physical Review Letter, Vol. 110, p. 206403, (2013)], [Christian Schneider, … Nature, Vol. 497, p. 348, (2013)], представляющий из себя GaAs микрорезонатор, содержащий InGaAs/GaAs квантовые ямы, расположенные в местах, где значения электромагнитного поля имеют максимальные значения. С двух сторон микрорезонатор окружен GaAs/AlAs распределенными брэгговскими отражателями (РБО), которые содержат легирующие слои соответственно p- и n-типа. Для подачи тока накачки используется электрод, расположенный на конце верхнего РБО. Рабочая температура лазера составляла 30 K. Для обеспечения режима сильной экситон-фотонной связи и достижения определенной экситон -поляритонной плотности насыщения (плотности, при которой увеличение числа частиц вначале приводит к конденсации поляритонов, для достижения которой необходимо, чтобы де- бройлевская длина волны поляритонов была больше расстояния между ними, а затем только к распаду поляритонного состояния в результате заполнения фазового пространства экситонных состояний) применялось магнитное поле напряженностью 7 Т. Данное поле приводило к увеличению перекрытия волновых функций электронов и дырок и уменьшению боровского радиуса экситона, а также к увеличению его энергии связи, силы осциллятора и соответственно частоты Рабби, энергия которой составляла 6.98 мэВ. Добротность резонатора составляла Q=6052. Полученные данные свидетельствуют о наличии лазерной генерации при достижении порога накачки плотностью 12 А/см². При дальнейшем увеличении плотности возбуждения до 2×10⁴ А/см² данный прибор работал как обыкновенный фотонный лазер с поверхностным излучением.

Основным недостатком вышеописанного прибора является низкая температура, необходимая для его работы. Кроме того, наличие магнитного поля также усложняет конструкцию прибора. Избавиться от вышеуказанных недостатков и поднять рабочую температуру до 155 K способен лазер, описанный в работе [Md Zunaid Baten, … Applied Physics Letters, Vol. 104, p. 231119 (2014)]. Данный лазер можно взять за основной аналог изобретения. Его схема показана на фиг. 1.

Лазер состоит из Al_0,41Ga_0,59As волноводного слоя с одиночной квантовой ямой, толщиной 7 нм (Al_0,31Ga_0,69As), расположенной в центре волновода, окруженного с двух сторон 600 нм P и n легированными Al_0,6Ga_0,4As слоями, необходимыми для достижения оптического ограничения. Длина резонатора составляла без РБО слоев 929 нм, ширина 20 мкм. Пять и шесть пар SiO₂/TiO₂ РБО осаждались соответственно на двух концах резонатора, параллельно его зеркальным граням, чтобы окончательно сформировать резонансный объем. Лазерное излучение выводилось из направления, перпендикулярного как слоям РБО, так и направлению, в котором осуществлялась токовая инжекция. Для увеличения энергии связи экситона и соответственно поднятия порога его температурной диссоциации в данном приборе вместо GaAs квантовой ямы использовалась Al_0,31Ga_0,69As яма, имеющая большую величину запрещенной зоны. Энергия связи экситона при этом составила 15,8 мэВ, энергия частоты Рабби 15,3 мэВ. Порог лазерной генерации составлял 90 А/см² при температуре 155 K.

Основным достоинством данного прибора является несомненно его более высокая рабочая температура. Однако при этом использование композитного состава Al_0,31Ga_0,69As с большим значением концентрации замещающего компонента Al в квантовой яме вместо чистого GaAs материала для повышения энергии связи экситона и частоты Рабби имеет существенный недостаток. Так известно, что для существования поляритонных эффектов необходима трансляционная периодичность кристаллов, при которой фотон с данным волновым вектором превращается в экситон с таким же волновым вектором, который вновь превращается в фотон и т.д., то есть волновой вектор должен сохраняться, быть определенной величиной. В чистом GaAs, в случае исключения из рассмотрения диссипативной подсистемы (подсистемы, связанной с процессами релаксации поляритонов с участием фононов, примесей, кристаллических дефектов и т.д.) так и происходит. Но в случае полупроводникового раствора Al_xGa_1-xAs с большими концентрациями замещающего компонента x существование экситонных поляритонов ограничено в принципе, так как экситонные состояния могут существенно уширяться из-за флуктуаций потенциала, обусловленных композиционным беспорядком. Следовательно, существует дополнительный механизм уширения спектральной линии и соответственно дополнительное ограничение режима сильной экситон-фотонной связи. Так, например, установлено, что в объемных растворах Al_0,15Ga_0,85As критическая температура существования поляритонных эффектов составляет 155 K [Р.П. Сейсян…, Физика и техника полупроводников, 2006 г., том 40, вып. 11, стр. 1321].

Решить проблему дальнейшего увеличения рабочей температуры лазера и доведения ее до комнатных значений и выше можно, используя совершенно иные физические принципы построения лазерных резонаторов, на основе которых возможно сконцентрировать световое поле в малом объеме, близком к дифракционному пределу, и тем самым существенно увеличить силу экситон-фотонного взаимодействия. Резонаторные системы, содержащие Фабри-Перро резонаторы плюс РБО слои, как известно, имеют сравнительно большую длину за счет проникновения поля внутрь РБО слоев (длина проникновения может быть в 3-4 раза больше собственной длины резонатора Фабри-Перро). В лазере, приведенном в примере 1, квантовые ямы расположены исключительно в резонаторе Фабри-Перро и область пересечения фотонных и экситонных полей незначительна. Следовательно, сравнительно невысока и сила экситон-фотонного взаимодействия, частота Рабби и рабочая температура.

Энергия частоты Рабби Ω_R и связанная с ней сила осциллятора f выражаются через эффективную длину резонатора следующим образом:

где N число квантовых ям в резонаторе,

L_ЭФФ - эффективная длина резонатора,

L_ЭФФ=L_ФП+L_РБО,

где L_ФП - длина резонатора Фабри-Перро,

L_РБО - длина проникновения поля внутрь РБО слоев;

Ф_2D(0)=(2/(π/а₀²))^1/2,

где a₀ - двумерный экситонный радиус,

Pcv - матричный элемент межзонного перехода,

εω - диэлектрическая постоянная на частоте ω,

ε₀ - статическая диэлектрическая постоянная.

[J.В. Khurgin.., Solid State Communications, V 117, p 307-310 (2001)].

В свою очередь частота Рабби Ω_R связана с силой осциллятора f формулой:

Ω_R=2(ω₀Г₀/π)^1/2

где Г₀=(π/ε∞^1/2)(e²/m₀c)f,

ω₀ - центральная частота полосы задержки РБО,

ε∞ - диэлектрическая постоянная.

[Superlattices and Microstructures, Vol. 15, N 4, p. 453, (1994)].

В данном изобретении предлагается вместо использования РБО структуры, в качестве лазерных резонаторов использовать отражатели на основе волноводных модовых резонансов, представляющие из себя, в конкретном случае, две одинаковые системы (верхняя и нижняя) плоских цилиндрических колец, разного диаметра, вставленных друг в друга, с переменным шагом, которые позволят осуществить трехмерное ограничение светового поля. Кроме того, одно из колец может нести функцию электрода, необходимого для подачи тока накачки, соединенное с активной областью с помощью нанонитиевых проводников. Схема лазера представлена на фиг. 2. Лазер состоит из наполняющего материала (области, в которой сконцентрировано электромагнитное поле) со сравнительно меньшим показателем преломления, например Al₂O₃, резонатора, представляющего из себя две системы (верхняя и нижняя) плоских, цилиндрических колец, вставленных друг в друга с переменным шагом, изготовленных из полупроводникового материала Al_zGa_1-zAs, квантовых ям, расположенных в местах максимального значения поля, изготовленных из материала Al_xGa_1-xAs, окружающих их барьерных слоев Al_yGa_1-yAs, причем y>x, x≥0. Кроме того, устройство содержит с двух сторон области квантовых ям и барьерных слоев (сверху и снизу) цилиндрические кольца, отличающиеся от материала барьерного слоя тем, что каждое из них легировано с определенной концентрацией соответственно n (Si) и p-типа (Be) и связано нанонитиевыми проводниками с кольцами, входящими в состав резонатора, которые имеют на поверхности металлическую пленку, необходимую для электрического контакта. Область фокусировки охватывает легированные n-типа (Si) и p-типа (Be) кольца.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1:

1 - РБО слои SiO₂/TiO₂

2 - 200 нм p⁺GaAs слой

3 - 600 нм p - Al_0,6Ga_0,4As слой

4 - 7 нм Al_0,31Ga_0,69As квантовая яма

5 - 160 нм Al_0,41Ga_0,39As волноводный слой

6 - 600 нм Al_0,6Ga_0,4As слой

7 - 200 нм n⁺GaAs слой

Фиг. 2:

1 - нанонитиевые проводники тока

2 - металлизированный контакт +

3 - металлизированный контакт -

4 - цилиндрические кольца резонансной системы Al_zGa_1-zAs

5 - материал, наполняющий резонансный объем Al₂O₃

6 - квантовые ямы Al_xGa_1-xAs

7 - барьерные слои Al_yGa_1-xAs

8 - цилиндрическое кольцо, легированное p-типа

9 - цилиндрическое кольцо, легированное n-типа

10 - область фокусировки

Принцип осуществления реализации работы данного лазера при комнатных температурах и выше можно пояснить следующим образом. Во-первых, сама возможность эффективного отражения электромагнитного излучения периодическими структурами, основанная на деструктивной интерференции падающего (непрерывный спектр) и волноводного (дискретный спектр) светового поля, описываемая так же в рамках модели Фано резонансов, хорошо изучена и давно известна [David Rosenblatt…, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 33, N 11, p. 2038, (1997)]. Высокие значения коэффициентов отражения электромагнитного поля данными резонаторами можно рассматривать как процесс интерференции выходящего из резонансной системы излучения, образованного как собственно исходным излучением, так и излучением, распространяющимся внутри волноводного слоя, причем разность фаз интерферируемых волн равна 180°, то есть происходит взаимное гашение волн. При этом коэффициент отражения поля близок к единице. Применительно к трехмерным цилиндрическим резонаторам на основе вышеупомянутых плоских колец, работающим подобно сферическим линзам, доказана возможность построения трехмерных резонаторов, способных эффективно ограничивать поле в объеме, близком к дифракционному пределу с добротностью порядка 6×10⁴ [Jingjing li…, Physical Review Letters, Vol. 106, p. 193901, (2011)], [D. Fattal…, Nature Photonics, V. 4, p. 466 (2010)]. При этом длина резонатора сравнима с длиной Фабри-Перро резонатора без РБО слоев и может составлять порядка одного микрометра, или несколько длин волн, что в несколько раз меньше длины резонансной системы, содержащей РБО слои. Данное уменьшение резонансного объема приводит к большей объемной концентрации поля, приводящее к увеличению пространственного перекрытия фотонных и экситонных составляющих излучения, что в свою очередь повышает экситон-фотонное взаимодействие и частоту Рабби. Известно, что в микрорезонаторных системах, при увеличении силы экситон-фотонного взаимодействия боровский радиус экситона нижней поляритонной ветви GaAs уменьшается, а его энергия связи увеличивается. Происходит это благодаря тому, что в результате многократного излучения и поглощения виртуальных резонансных фотонов между электроном и дыркой, составляющих экситон, образуется дополнительное взаимодействие, причем для поляритона нижней ветви данное взаимодействие имеет силу притяжения. Кроме этого, происходит значительное увеличение фотонной составляющей поляритона и соответственно сужение спектральной линии излучения [J.В. Khurgin…, Solid State Communications, V 117, p. 307-310, (2001)], [D.S. Citrin…, Physical Review, В V68, p. 205325 (2003)].

Возможность построения резонансных систем, используя отражатели на основе волноводных модовых резонансов с длиной резонатора 2, 3, 4 и 5λ₀, при постоянной экситон-фотонного взаимодействия – g, превышающей энергию связи экситона, показана в работе [Нао Zhang…, Physical Review В, V. 87, p. 115303, (2013)]. Постоянная g определена как:

g=(Ne²f/n_cε₀m_eλ₀)^1/2,

где n_c - показатель преломления резонатора,

λ₀ - длина волны резонатора,

f - сила осциллятора.

Показано, что при длине резонатора 5λ₀ порог температурной диссоциации составляет 429 K. Из приведенных графиков видно, что фазовый переход температурный поляритон -конденсатный поляритон в зависимости от температуры происходит при плотностях возбуждения значительно меньших, чем те плотности, при которых происходит разрыв экситона вследствие фермионного характера частиц, составляющих экситон, в том числе и при температурах, превышающих комнатные значения. Высокая концентрация поля в малом объеме, приводящая к увеличению зоны перекрытия экситонных и фотонных компонент поля, в сочетании с выбором оптимальной длины резонатора с достаточным числом квантовых ям, расположенных в максимальных значениях поля, позволяет достичь отношение g/Е_В, где Е_В - энергия связи экситона, превышающая 1.6. Например, при g=Е_В порог температурной диссоциации уже составляет 300 K. Следовательно, возможно получение лазерной генерации из Бозе-Энштейновского квазиконденсатного состояния как минимум при комнатных температурах. При электронной накачке, осуществляемой с помощью нанонитиевых проводников, связывающих активную область с электродами, область возбуждения экситонных поляритонов будет представлять периметр круга, создающий пространственный потенциальный барьер, пространственную ловушку, причем энергия поляритонов в центре круга будет меньше энергии поляритонов на периметре круга за счет градиента концентрации. Данное решение позволит отделить в пространстве конденсатную (с меньшей энергией, локализованную внутри круга) от неконденсатной (вне круга) поляритонной моды, что в свою очередь уменьшит мощность возбуждения, необходимую для поляритонной конденсации на два порядка. Диаметр данного круга, с одной стороны, меньше длины когерентности экситонных поляритонов, с другой - значительно превышает диффузионную длину экситонов. [A. Askitopoulos.., Physical Review, В 88, p. 041308 (R), 2013].

Принцип работы лазера можно пояснить следующим образом. На металлизированные контактные кольца (2) и (3) подается положительное напряжение. Электрический ток передается по нанонитиевым проводникам (1) в область возбуждения, в которую входят круги, легированные p- и n-ипа (8) и (9), например Be и Si. Двигаясь навстречу друг другу, электроны и дырки локализуются в квантовых ямах (6), образуя экситоны. Экситоны излучают фотоны, удерживаемые резонансной системой (4), которые вновь превращаются в экситоны и т.д. Образовавшиеся поляритоны релаксируют вниз, по нижней дисперсионной кривой и накапливаются в наименьшей по энергии точке, образуя Бозе-Эйнштейновский конденсат. Область фокусировки (10) представляет из себя пространство, в которое входят легированные n и p кольца. Фокусировка поля в центральной части резонатора происходит в результате изменения фазы отраженной волны, достигаемого за счет изменения ширины колец, входящих в состав резонатора. При этом коэффициент отражения поля близок к единице. Выход излучения из резонансной системы можно рассматривать как проявление туннельного эффекта. Выходное излучение поля из состояния Бозе-Эйнштейновского поляритонного конденсата является узконаправленным, когерентным и монохроматическим, то есть обладает свойствами лазерного излучения.