Transcript G pk - 秋山研究室

21pTG-2
日本物理学会 2007秋季大会@北海道大学 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
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
 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
... 懐平 他 (21pTG-1)
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。
T型量子細線レーザー試料構造
光導波路構造
T型量子細線構造
500mm
T wire
arm well
[110]
[001]
% : Al content (x) in AlxGa1-xAs
stem well
へき開再成長法

[110]

[001]
GaAs
substrate

(001) MBE
Growth

In situ
Cleave
(110) MBE
Growth
L. N. Pfeiffer et al., APL 56, 1679 (1990).

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 = 500μm
as cleaved (反射率=0.3)
ストライプ状光励起による導波路放出光測定
PL
Excitation：
cw TiS laser, 1.661eV
チョッパー： duty比2 %
Emission Intensity
自然放出光
(PL)
導波路放出光
F-Pフリンジ
res. 0.1meV
ストライプ励起
強度均一性: < 10%
導波路放出光
Arm well に
平行な偏光成分
を検出
G・Gpk
a int
gmod
利得吸収スペクトル
Emission Intensity
Chemical
potential (m)
フリンジ解析
gmod = G·G - a int
gmod : Modal gain
G : Material gain
a int : Internal loss
G
Waveguide
Emission
: Optical
confinement factor
Cassidy法を用いて、
Fabry-Perotフリンジ解析
D. T. Cassidy JAP, 56 3096 (1984).
利得吸収スペクトル（3-prd T細線）
Modal Gain
G・G (10 cm-1/div.)
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
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）
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。
ピーク利得のキャリア密度依存性
Gpk
G = 1.3 x 10-3
光学利得の理論計算との比較
理論計算
Screened Hartree-Fock (static screening) ... (incl. Coulomb)
 Free-particle model
... (no Coulomb)

理論
実験
T = 30K
60K
100K
300K
Gpk
Free-particle
GaAs
14x6nm 矩形細線
infinite barrier
me=0.0665 m0
mh=0.105 m0
((110)QW)
 = 0.8 meV (broadening)
SHF
-3
G = 1.3 x 10
光学利得の理論計算との比較
理論計算
Screened Hartree-Fock (static screening) ... (incl. Coulomb)
 Free-particle model
... (no Coulomb)

理論
実験
T = 30K
60K
100K
300K
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。
Gpk
Free-particle
• 高密度での利得減少
多体理論と同じ傾向を示す。
SHF
相違点



x106
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
キャリア温度見積もり
Pex=11.3 mW
n1D~9x105 cm-1
KMS 関係式fittingによる
キャリア温度(Te)の見積もり
測定温度：4 K
m
Te ~ 60 ± 6 K で、利得ス
ペクトルが比較的良く一致。
Carrier heating !?
準熱平衡系
g  A1 exp  m/ kBTePL
利得
m : quasi-chemical potential
Te : quasi-equilibrium carrier temperature
KMS 関係式
H. Haug and S. Schmitt-Rink
Prog. Quant. Electr. 9, 3 (1984).
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)
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。
1. 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。
2. 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。
3. 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
ピーク利得のキャリア密度依存性
Gpk
Screened-HF
Free-particle
T = 30K
60K
100K
300K
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）
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).
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