t型量子細線の光学利得測定 z目的 z問題・課題 z試料、測定...
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2008.2.5 研究室打合せ
T型量子細線の光学利得測定
目的
問題・課題
試料、測定系、測定方法
これまでの結果
計算結果
実験結果 物理学会、軽井沢研究会、それ以降
今後
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目的:
T型量子細線中の擬1次元電子正孔系の光学利得の解明
実験:
光学利得のキャリア密度依存性、温度依存性利得スペクトル(形状)、ピーク利得値、利得幅、(微分利得)、(透明キャリア密度)利得温度特性
実験と理論の比較:
理論計算(多体、自由)との比較Coulomb増強・抑制効果
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問題・課題点
1. キャリア密度の見積もり精度?
2. キャリア温度 ・・・・ Carrier heatingの影響
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問題・課題点
1.キャリア密度の見積もり1) 自然放出光(PL)強度からの算出 ・・・ ”キャリア密度∝PL強度”
利点: 実験のみ
欠点: 利得と自然放出光の両測定が必要wire発光とarm発光の分離に難あり(高励起時)再現性? (測定日による差がある)
問題点:”キャリア密度∝PL強度”の妥当性
2) 化学ポテンシャルエネルギー位置(µ)からの算出利点: 利得スペクトル測定のみ
利得スペクトルからµの位置は正確に求まるスペクトルのµ依存性の再現性は良い
欠点: 理論計算で求まるµに対応させてキャリア密度を算出実験からはBGR(バンド端)不明のため
問題点:理論と比較を行いたいのに、理論計算結果を使用
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問題・課題点
電子正孔系が準熱平衡を仮定し、KMS関係式から導出2.キャリア温度見積もり
( ) ( ) ( ){ }[ ]eBTkgCPL /exp/ µ−ω−ω×ω×=ω hhh 12
µ : quasi-chemical potential Te : quasi-equilibrium carrier temperature
(/cm)(photons)C:比例係数
温度精度: 自然放出光スペクトル測定に課題?位置依存性arm発光の寄与励起光の散乱(励起波長依存性測定時に問題)
温度算出精度フィッティング範囲の任意性
自然放出光スペクトルへの励起光散乱影響励起波長(エネルギー)依存性:arm共鳴近傍から以下の励起エネルギーにおいて問題
散乱光の除去: 偏光フィルター(+ローパス) stem励起OK+ ノッチフィルター arm共鳴はいけそう!?+ 試料傾ける? wire共鳴?
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試料、測定方法
ノンドープ3周期T細線構レーザー8-6-04.1 #6E 端面 as cleaved
Γ = 1.3 x10-3L = 500 µm
光励起による利得・吸収測定
導波路放出光:
励起光:
• 再成長表面側反射配置• 検出偏光は細線に垂直(励起光に直交)• 試料上のおよそ50µm領域をバンドルファイバー
にて集光検出
励起光の強度分布(非常に状態良の場合)
slit width: ~70µmscan step: 20µm
500µm
• 再成長表面側よりストライプ励起• 偏光は細線に平行
• 検出偏光は arm井戸に平行(励起光に直交)• コア領域中央(3~5pixels)をCassidy解析
自然放出光(PL):
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理論計算のまとめγ=0.8meVme=0.0665
mh=0.105Huai san program: ver. 07-10-19 n1d=0matrix diagonalization
pole1 energy (Eb) at n1d=0 for lx - ly wire with infinite barriers
6x14 T wireEb=14meV
8x19 T wireinfinite barrier
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計算結果
-
-20
-15
-10
-5
0
50 0.5 1 1.5 2 2.5 3
53060100300
6nm x 14nm Eb = 17.14 meVM
ater
ial G
ain
(x10
^3 c
m-1
)
n1d (x10^6 cm-1)
色線:自分で計算
-
-20
-15
-10
-5
0
50 0.5 1 1.5 2 2.5 3
53060100300
6nm x 14nm Eb = 17.14 meVM
ater
ial G
ain
(x10
^3 c
m-1
) 色線:自分で計算
黒線:以前にHuaiさん計算
n1d (x10^6 cm-1)
-
8nm x 19nm Eb = 13.90 meV
-20
-15
-10
-5
0
50 0.5 1 1.5 2 2.5 3
53060100300
n1d (x10^6 cm-1)
Mat
eria
l Gai
n (x
10^3
cm
-1)
-
-20
-15
-10
-5
0
50 0.5 1 1.5 2 2.5 3
53060100300
g(cal) x (8x19)/(6x14) Γの違いを補正
-
-20
-15
-10
-5
0
50 0.5 1 1.5 2 2.5 3
53060100300
g(cal) x (8x19)/(6x14) Γの違いを補正
“8x19と6x14でモード利得に直してみるとほぼ同じ”という結果
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理論計算(19nm x 8nm wire)
利得スペクトル比較
SHFFE with BGR
mh = 0.105m0, γ = 0.8meV
• 14x6, 19x8 wire• 30,60,100,300)• SHF, FE
で計算済み
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理論計算(14nm x 6nm wire)
利得スペクトル比較
SHFFE with BGR
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理論計算 (19nmx8nm)
縦軸:Γ で補正後吸収を正に採る
Abs, GainPL
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実験結果
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利得吸収スペクトルの算出E
mis
sion
Inte
nsity
g mod
Γ・G
pk
αin
t
Chemical potential (µ)
WaveguideEmission
フリンジ解析
gmod = Γ·G - α int
Gα int
: Material gain
: Internal loss
gmod : Modal gain
Γ : Opticalconfinement factor
Cassidy法を用いて、Fabry-Perotフリンジ解析
B. W. Hakki and T. L. Paoli, JAP 46 1299 (1975).
D. T. Cassidy, JAP 56 3096 (1984).
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利得吸収スペクトル(3-prd T細線)M
odal
Gai
n
Γ・G
(10
cm-1
/div
.)
Γ・Gpk
細線利得ピーク値の飽和
利得ピーク(1.574eV)の出現→ ピーク値の増加
幅の増加
励起子吸収ピーク消失
(→ 近接量子井戸での利得)
µ
小
大
励起
強度
励起子吸収 (1.580eV)no gain
急峻な 利得ピーク (L2)の出現
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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。
3 wire laserΓ = 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。
ピーク利得の変化:
Eex = 1.661 eV
キャリア密度 n1D理論計算との比較には、 の決定が必要。
キャリア温度 Te
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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).
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KMS relation よるキャリア温度見積もり
準熱平衡系
( ) ( ){ }[ ] ( )ε×µ−ε−×=ε PLTkAg eB/exp1
KMS関係式によりフィッティング。
n1D~9x105 cm-1
Carrier heatingµ
Pex=11.3 mW
利得
Te ~ 60 ± 6 K
cf.測定温度=4 K
KMS 関係式µ : quasi-chemical potential Te : quasi-equilibrium carrier temperature
H. Haug and S. Schmitt-RinkProg. Quant. Electr. 9, 3 (1984).
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Abs. and PL spectra
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KMS フィッティング 1
( ) ( ) ( ){ }[ ]eBTkgCPL /exp/ µ−ω−ω×ω×=ω hhh 12( ) ( ) ( ){ }[ ]]/exp[/ eBTkPLgC µ−ω−×ωω×ω×= hhh 11 2
実験値µ
fittingパラメーターC, Te
-
KMS フィッティング 2
( ) ( ) ( ){ }[ ]eBTkgCPL /exp/ µ−ω−ω×ω×=ω hhh 12
( ){ } ( ) ( )ωω×ω×−=µ−ω hhh PLgCTk eB //exp 21
µ
実験値µ
fittingパラメーターC, Te
問題点:
フィッティング範囲の設定
arm発光・吸収の寄与
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KMS フィッティング 2
( ) ( ) ( ){ }[ ]eBTkgCPL /exp/ µ−ω−ω×ω×=ω hhh 12
( ){ } ( ) ( )ωω×ω×−=µ−ω hhh PLgCTk eB //exp 21
実験値µ
fittingパラメーターC, Te
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Screened Hartree-Fockwith static screening
Free-particle model
GaAs14x6nm 矩形細線infinite barrier
γ = 0.8 meV (broadening)
Γ = 1.3 x 10-3
me=0.0665 m0mh=0.105 m0
((110)QW)
Free-particle
SHF
T = 30K60K
100K300K
理論計算
Gpk
実験
理論
光学利得の理論計算との比較
-
Free-particle
SHF
T = 30K60K
100K300K
Gpk
実験
理論
•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
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
光学利得の理論計算との比較
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理論計算との比較・・吸収スペクトル諸量のエネルギー位置
GaAs19nmx8nm 矩形細線infinite barrier
γ = 0.8 meV(broadening)
Γ = 1.3 x 10-3
me=0.0665 m0mh=0.105 m0
((110)QW)
Eb (@ n1d=0) = 13.9 meV
Eb = 14 meV14nmx6nm T wire
bandedge@ n1d=0
実験
理論計算での細線構造パラメーターを励起子束縛エネルギーEbが同等となるように選ぶ。
理論計算
-
SHF
T = 30K60K
100K300K
実験 理論
T=4KT=60K
Gpk
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Pea
k m
ater
ial g
ain
(cm
-1)
x104
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5x106Carrier density (cm-1)
細線キャリア密度は、T=60Kでの計算結果との比較から算出。
光学利得の理論計算との比較 (2)
mを用いた場合とPLからの場合とで横軸の値が異なる
-
ピーク利得値の励起光子エネルギー依存性
-10 0 10 20 30
arm QW
wireexciton
previous results
低エネルギー励起により、ピーク利得の増加
高密度領域での利得の減少ほとんど無し(arm-QW励起時)
excess energy=81 meV
...現在考察中Chemical potential (meV)横軸原点 = 細線励起子ピーク位置
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光学利得の理論計算との比較 (3)
実験Eexc.=1.661 eV
1.602 eV
Gpk
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0Pea
k m
ater
ial g
ain
(cm
-1)
x104
SHF
T = 30K60K
100K300K
理論
Free-particle
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5x106Carrier density (cm-1)
SHF計算値に比べ高いピーク値
低エネルギー励起では、高密度領域における利得減少が小さい。
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Energy
@ T
µBGRgpk
HW位置
n1D
Teff
gpk @ Teff gpk
n1Dn1D
-
今後
2.キャリア温度見積もり
自然放出光スペクトルへの励起光散乱影響励起波長(エネルギー)依存性:arm共鳴近傍から以下の励起エネルギーにおいて問題
散乱光の除去: 偏光フィルター(+ローパス) stem励起OK+ ノッチフィルター arm共鳴はいけそう!?+ 試料傾ける? wire共鳴?
再度実験
温度見積もり精度位置依存性励起光の散乱温度算出精度 フィッティング範囲の設定?
重み付けフィッティング?
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今後
1.キャリア密度の見積もり
a) 化学ポテンシャルエネルギー位置(µ)からの算出スペクトル形状ピーク値、幅 を実験と理論で比較し妥当かどうか見る。
この手法でまとめられるのか検討する。実験まとめ実験と理論との比較まとめ
実験と理論とに比較を横軸 µ として行ってみる
b) 自然放出光(PL)強度からの算出この方法から求められるn1d値の再現性を再確認する。
ただ、温度依存性の際、各温度でどのようにn1d算出するか?
取り扱える領域を適切に判断する
高密度領域 µを用いて、多体理論計算と比較低密度領域 PL強度によるn1d算出
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計算の問題点 (ver. 07-10-19)
FEの計算
muがSHFとまったく同じ?飽和値付近での挙動がおかしい?わずかに減少している?
以前のHuaiさんの計算結果では一定値に近づくが
PLの計算が、KMSを使用している。 非平衡グリーン関数へ
FEでPLを計算する。
FE χ0を計算SHF µについてはループを
1回しかまわしていないχ0と同じ
課題
SHF計算モデルの妥当性
キャリア密度温度
理論近似の妥当性
無限バリア vs T細線(近接したQWの存在、そのキャリア充填効果)
-
-10
-8
-6
-4
-2
0
Pea
k M
ater
ial G
ain
(x10
3 cm
-1)
2.52.01.51.00.50.0
Carrier Density (x106 cm
-1)
8x19γ=0.8 meVv.071019
5K 30K 60K 100K 300K
SHF FE
FE:ピーク値が高密度で減少
χ0を計算しているからだろう。(確認要)