[論文レビュー] Higher-order photon correlations in pulsed photonic crystal nanolasers

D. Elvira, X. Hachair+11 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jun 7, 2011

Photonic Crystals and Applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、室温で駆動される高βのパルス光子結晶ナノレーザーにおいて、最高4次までの光子相関を測定し、レーザー閾値の4倍でさえも強い混合的強度揺らぎを示すことを明らかにした。ポアソン統計からのずれは、光子および電気双極子の数が少ないことによる量子揺らぎに起因し、離散的粒子数を考慮した確率的レート方程式により正確にモデル化できる。

ABSTRACT

We report on the higher-order photon correlations of a high-$β$ nanolaser under pulsed excitation at room temperature. Using a multiplexed four-element superconducting single photon detector we measured g$^{(n)}(\vec{0})$ with $n$=2,3,4. All orders of correlation display partially chaotic statistics, even at four times the threshold excitation power. We show that this departure from coherence and Poisson statistics is due to the quantum fluctuations associated with the small number of dipoles and photons involved in the lasing process.

研究の動機と目的

• 室温でのパルス励起下における高β光子結晶ナノレーザーの高次光子統計を調査すること。
• 従来の巨大集団近似に基づくレーザー理論が崩れるナノレーザーにおける強度揺らぎの起源を理解すること。
• 強力な誘導放出が支配的であるにもかかわらず、閾値をはるかに超えて混合的統計が持続するかどうかを特定すること。
• ナノレーザーのダイナミクスにおける離散的光子数および双極子数を考慮した確率的モデルを構築・検証すること。
• 高次相関関数がナノスケールレーザーにおける量子ノイズを効果的に探査する手段であることを示すこと。

提案手法

• ピコ秒分解能を有する4要素のマルチプレックス化された超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を用いて、n = 2, 3, 4 の g(n)(0) を測定した。
• 805 nm、FWHM 50 ps のパルスTi:Sapphire励起（繰り返し周波数 82 MHz）を用い、室温下でナノレーザーを駆動した。
• 顕微鏡レンズを介してレーザー発光を収集し、モノクロメーターでフィルタリングした後、SNSPDに導き、光子数をカウントした。
• 離散的粒子数（光子および励起双極子）を考慮した確率的レート方程式モデルを用いて、パルスダイナミクスおよび相関関数をシミュレートした。
• 時間経過に伴う光子数 s(t) の実現値を追跡し、強度およびタイミングジッターを含めた統計的分布を分析した。
• 離散的双極子および光子の性質を考慮したモデルを用い、ガウス的ランジュアン近似を避けて、シミュレートされた g(n)(0) 値と実験データを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温で駆動される高βナノレーザーにおいて、高次光子相関がどれほどポアソン統計から逸脱するか。
• RQ2 少数の双極子および光子に起因する量子揺らぎが、レーザーパルスの強度およびタイミングにどのように影響を与えるか。
• RQ3 離散的粒子数を考慮した確率的レート方程式モデルが、実験的高次相関関数を正確に再現できるか。
• RQ4 パルスジッターおよび強度揺らぎが、ナノレーザーにおける非ポアソン統計を引き起こす役割を果たすか。
• RQ5 強誘導放出が支配的であるにもかかわらず、混合的挙動が閾値をはるかに超えて持続するか。

主な発見

• g(2)(0)、g(3)(0)、g(4)(0) は、閾値の4倍までの励起パワーにおいて、いずれも顕著に1を超えることから、強い混合的強度揺らぎが示された。
• 4倍閾値でも、測定された g(4)(0) は顕著に1より大きいことから、強誘導放出が支配的であっても非ポアソン統計が持続することが示された。
• パルスあたりの光子数の統計的分布はポアソン分布から逸脱しており、高強度イベントが抑制され、低強度イベントが増加している。
• 強度ジッターとタイミングジッターは強く相関しており、長時間にわたるパルス上昇時間は双極子の緩和に起因し、結果として低いパルス振幅をもたらす。
• 離散的粒子数を考慮した確率的レート方程式モデルは、実験的 g(n)(0) 値を正確に再現でき、小規模レーザー物理学への適用が妥当であることを裏付けた。
• 観測された揺らぎは、キャビティ内に約 10^9 cm⁻² の少数の双極子および光子に起因する量子ノイズによるものであり、熱的または古典的ノイズによるものではない。