T T 型量子細線レーザーでのキャリア密度増加にとも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なう光学利得の増大と抑制効果21pTG-2

日本物理学会　 2007 秋季大会 @ 北海道大学　21pTG-2

吉田正裕吉田正裕 A,CA,C ，岡野真人，岡野真人 A,CA,C ，井原章之，井原章之 A,CA,C ，秋山英文，秋山英文A,CA,C ，，懐平懐平 B,CB,C ，小川哲生，小川哲生 B,CB,C ，， Loren N. Pfeiffer Loren N. Pfeiffer DD ，， Ken W. Ken W.

West West DDAA 東大物性研，東大物性研， BB 阪大理，阪大理， C C CRESTCREST ・・ JSTJST ，， D D Alcatel-Lucent, Alcatel-Lucent,

Bell Labs.Bell Labs.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

Outline:

研究背景と目的

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

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)

半導体量子細線レーザー

　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、

本研究では、

を行った。

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

T 型量子細線レーザー試料構造

(110) MBE Growth

In situCleave

(001) MBE Growth

[110][001]

GaA

ssubstrate

へき開再成長法

T wire

% : Al content (x) in AlxGa1-xAs stem well

arm well

500m

[110][001]

T 型量子細線構造光導波路構造

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 :

　　　　　 = 1.3 x 10-3

Cavity : Cavity 長 = 500μm　　 as cleaved ( 反射率 =0.3)

L. N. Pfeiffer et al., APL 56, 1679 (1990).

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 %

導波路放出光Arm well に平行な偏光成分を検出

ストライプ励起

自然放出光 (PL)

導波路放出光

PL

Em

issi

on In

tens

ity

F-P フリンジ res. 0.1meV強度均一性 : < 10%

gmod = ·G - int

利得吸収スペクトル

G int

Em

issi

on In

tens

ityg m

od

・

Gpk

in

t

Cassidy 法を用いて、Fabry-Perot フリンジ解析

Chemical potential ()

WaveguideEmission

gmod : Modal gain

: Material gain

: Internal loss

: Optical　 confinement factor

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）M

odal

Gai

n

・G

(10

cm

-1/d

iv.)

・ Gp

k

励起光強度の増加に伴い、

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

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　　　　　　幅の増加更なる強励起 (Pex.>20mW) では、

（→ 近接量子井戸での利得）

ピーク利得の励起強度依存性

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。

励起光強度　→　キャリア密度 n1D 　に変換。

3 wire laser = 1.3 x 10-3

利得出現：

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。

利得抑圧：

Eex = 1.661 eV

PL 強度の励起強度依存性から、

ピーク利得のキャリア密度依存性G

pk

= 1.3 x 10-3

光学利得の理論計算との比較 Screened Hartree-Fock (static screening) ... (incl. Coulomb) Free-particle model ... (no Coulomb)

GaAs14x6nm 矩形細線infinite barrier

= 0.8 meV (broadening)

= 1.3 x 10-3

me=0.0665 m0

mh=0.105 m0

((110)QW)Free-particle

SHF

T = 30K60K

100K300K

理論計算G

pk

実験

理論

光学利得の理論計算との比較 Screened Hartree-Fock (static screening) ... (incl. Coulomb) Free-particle model ... (no Coulomb)

理論計算

• 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。

多体理論計算との類似点

相違点

Free-particle

SHF

T = 30K60K

100K300K

Gpk

実験

理論

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

準熱平衡系 PLTkAg eB/exp1

H. Haug and S. Schmitt-RinkProg. Quant. Electr. 9, 3 (1984).

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。

n1D~9x105 cm-1

Carrier heating !?

KMS 関係式

キャリア温度見積もり

: quasi-chemical potential Te : quasi-equilibrium carrier temperature

KMS 関係式 fitting によるキャリア温度 (Te) の見積もりPex=11.3 mW

利得

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)

今後の課題 :

まとめと今後の課題

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　

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。

Gpk

ピーク利得のキャリア密度依存性

Free-particleScreened-HF T = 30K

60K100K300K

ピーク利得の化学ポテンシャル依存性

高密度領域：chem ↑ 　⇒　 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）

3 x105 cm-1

PL 励起強度依存性からのキャリア密度見積もり

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