[論文レビュー] Time-resolved resonance and linewidth of an ultrafast switched GaAs/AlAs microcavity

Philip J. Harding, Allard P. Mosk+4 more|ArXiv.org|Jan 24, 2009

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ひとこと要約

本研究では、ポンププローブ分光法を用いて、GaAs/AlAs マイクロカビティの超高速かつ時間的・周波数的分解能を有するスイッチングを実証した。これにより、λスラブとGaAsミラーにおけるキャリア再結合時間の差異に起因する、共鳴エネルギーおよび線幅の二重指数的緩和が明らかになった。主な発見は、ミラー内の緩和時間がカビティ光子の保存時間に近づくことであり、非線形効果が予測され、実験的にも観測可能になった。また、特定のキャリア密度において反射率変調深度を最大化する最適Qファクターが特定された。

ABSTRACT

We explore a planar GaAs/AlAs photonic microcavity using pump-probe spectroscopy. Free carriers are excited in the GaAs with short pump pulses. The time-resolved reflectivity is spectrally resolved short probe pulses. We show experimentally that the cavity resonance and its width depend on the dynamic refractive index of both the lambda-slab and the lambda/4 GaAs mirrors. We clearly observe a double exponential relaxation of both the the cavity resonance and its width, which is due to the different recombination timescales in the lambda-slab and the mirrors. In particular, the relaxation time due to the GaAs mirrors approaches the photon storage time of the cavity, a regime for which nonlinear effects have been predicted. The strongly non-single exponential behavior of the resonance and the width is in excellent agreement to a transfer-matrix model taking into account two recombination times. The change in width leads to a change in reflectivity modulation depth. The model predicts an optimal cavity Q for any given induced carrier density, if the modulation depth is to be maximized.

研究の動機と目的

• 超高速キャリア励起下におけるGaAs/AlAsマイクロカビティの動的応答を調査すること。
• 自由キャリア効果に起因する共鳴エネルギーおよび線幅の時間的・周波数的依存性の変化を解明すること。
• λスラブおよびミラー内の再結合ダイナミクスが共鳴エネルギーおよび線幅の時間発展をどのように支配するかを特定すること。
• キャリア誘起屈折率変化下で反射率変調深度を最大にする最適初期Qファクターを同定すること。
• 波数ベクトルの拡散、空間非一様性、および運動的幅拡大といった幅拡大メカニズムが、測定された線幅発展に与える影響を評価すること。

提案手法

• 時間的・周波数的分解能を有するポンププローブ分光法を用い、時間分解能が100 fs未満、スペクトル分解能が10 meV未満の条件で反射率ダイナミクスを測定した。
• 2つの異なる再結合時間（ミラーのτ_gm、λスラブのτ_gc）を組み込んだ伝達行列モデルを用いて、カビティ応答をシミュレートした。
• モデルには自由キャリア吸収、空間非一様性、波数ベクトルの拡散、および時間的に変化する屈折率に起因する時間依存光子保存時間τ_ph(t)を含めた。
• 理論的計算による共鳴エネルギーのシフトと線幅の推定値を実験データと比較し、二重指数的緩和モデルの妥当性を検証した。
• 初期Q₀とキャリア密度N₀の関数として変調深度を計算し、最大深度を達成する最適Qを同定した。
• 理論的曲線は一定のτ_phを仮定して描かれたが、実験データとの一致が最も良いのは、τ_phを時間的に変化可能なものとして扱った場合であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高速キャリア励起後に、GaAs/AlAsマイクロカビティの共鳴エネルギーおよび線幅はどのように動的に変化するか？
• RQ2 観測された二重指数的緩和はどのような原因に起因し、λスラブおよびミラー内の再結合時間は共鳴エネルギーおよび線幅の時間発展にどのように寄与するか？
• RQ3 波数ベクトルの拡散、空間非一様性、運動的幅拡大といった幅拡大メカニズムは、時間経過に伴って測定された線幅にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 時間依存光子保存時間τ_ph(t)は観測されたカビティ応答にどのように影響を及ぼすか？また、定常的なτ_phを仮定した場合に実験データとより良い一致を示すのはなぜか？
• RQ5 与えられたキャリア密度N₀において、反射率変調深度を最大にする最適初期QファクターQ₀は何か？

主な発見

• 共鳴エネルギーおよび線幅は二重指数的緩和を示し、それぞれGaAsミラーの14.7 ± 0.5 psおよびλスラブの38.0 ± 0.5 psという明確に異なる時間定数を持つ。これは2つの異なる再結合経路が存在することを確認した。
• GaAsミラー内の緩和時間（14.7 ps）はカビティ光子保存時間（62.9 ps）に近づいており、非線形効果が予測され、かつ実験的にも観測可能な領域にあることが示された。
• 時間分解線幅は自由キャリア吸収、波数ベクトルの拡散、および運動的幅拡大に起因して増加し、すべてのプローブ遅延においてこれらのメカニズムが寄与している。
• 理論的モデリングの結果、時間依存のτ_phに依存するモデルではなく、一定のτ_phを仮定した場合に実験データと最も一致が良かった。これは予想に反する結果であった。
• キャリア密度2.58 × 10¹⁹ cm⁻³において、初期Q₀が約300のときが変調深度を最大にする最適値と予測された。Q₀ > 300では、幅拡大への感受性が増加するため、最大深度は低下する。
• より低いキャリア密度（例：10倍低い）では、最適Q₀は約5000にシフトし、最適性能がキャリア密度に強く依存することが示された。