[논문 리뷰] Higher-order photon correlations in pulsed photonic crystal nanolasers

D. Elvira, X. Hachair외 11명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2011. 06. 07.

Photonic Crystals and Applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고β를 가진 펄스형 광결정 나노레이저에서 실온에서 최대 4차 항의 광자 상관관계를 측정하여, 레이저 임계값의 4배일지라도 강한 혼돈적 강도 변동이 존재함을 밝혀냈다. 포isson 통계에서의 이탈은 작은 수의 분극자와 광자로 인한 양자 변동으로 인해 발생하며, 이는 이산 입자 수를 고려한 확률적 비율 방정식으로 정확히 모델링될 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 펄스 조명 조건 하에 고β 광결정 나노레이저에서 고차 광자 통계를 조사하기 위해.
• 기존의 대규모 집합 근사에 기반한 전통적 레이저 이론이 실패하는 나노레이저에서 강도 변동의 기원을 이해하기 위해.
• 자극된 복사가 지배하는 조건에서도 혼돈스러운 통계가 임계값을 훨씬 초월해 지속되는가를 확인하기 위해.
• 나노레이저 동역학에서 이산 광자 및 분극자 수를 고려한 확률적 모델을 개발하고 검증하기 위해.
• 고차 상관함수는 나노스케일 레이저에서의 양자 노이즈를 탐지하는 데 필수적임을 보여주기 위해.

제안 방법

• 피크세컨드 해상도로 n = 2, 3, 4에 대해 g(n)(0)을 측정하기 위해 다중 multiplexed 네 개의 초도체 나노와이어 단일 광자 탐지기(SNSPD)를 사용하였다.
• 805 nm, 50 ps FWHM 펄스형 Ti: Sapphire 조명(82 MHz 반복률)을 사용하여 실온에서 나노레이저를 구동하였다.
• 현미경 목적으로 레이저 방출을 수집하고, 단색기로 필터링한 후 SNSPD로 광자 수를 셈으로써 탐지하였다.
• 이산 입자 수(광자 및 자극된 분극자)를 고려한 확률적 비율 방정식 모델을 사용하여 펄스 동역학과 상관함수를 시뮬레이션하였다.
• 강도 및 타이밍 지연을 포함한 시간에 따른 광자 수 s(t)의 실현값을 추적하여 통계 분포를 분석하였다.
• 이론적 g(n)(0) 값과 실험 데이터를 비교하였으며, 이론 모델은 이산적인 분극자 및 광자 성질을 고려하여 가우시안 랑주아인 근사를 피하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 고β를 가진 나노레이저에서 고차 광자 상관관계가 포isson 통계에서 얼마나 벗어나는가?
• RQ2 작은 수의 분극자 및 광자로 인한 양자 변동이 레이저 펄스의 강도 및 타이밍에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이산 입자 수를 고려한 확률적 비율 방정식 모델이 실험적 고차 상관함수를 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ4 펄스 지연과 강도 변동이 나노레이저에서 비포isson 통계를 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 자극된 복사가 지배하는 조건에서도 혼돈스러운 행동이 임계값을 훨씬 초월해 지속되는가?

주요 결과

• 2×, 3×, 4× 임계값까지의 조명 조건에서 g(2)(0), g(3)(0), g(4)(0) 모두 1을 크게 초월하여 강한 혼돈적 강도 변동을 나타낸다.
• 4× 임계값 조건에서도 측정된 g(4)(0)는 1보다 현저히 높아, 강한 자극 복사 조건에서도 비포isson 통계가 지속됨을 입증한다.
• 펄스당 광자 수의 통계 분포는 포isson 분포에서 벗어나 고강도 사건은 억제되고 저강도 사건은 증가함을 보여준다.
• 강도 지연과 타이밍 지연은 강하게 상관되어 있으며, 더 긴 펄스 축적 시간은 분극자 회복으로 인해 낮은 펄스 진폭을 초래한다.
• 이산 입자 수를 고려한 확률적 비율 방정식 모델은 실험적 g(n)(0) 값을 성공적으로 재현하여, 이론 모델이 소규모 레이저 물리학에 적합함을 검증한다.
• 관측된 변동은 열적 또는 고전적 노이즈가 아니라, 캐비티 내에서의 작은 수의 분극자(~10^9 cm⁻²)와 광자로 인한 양자 노이즈 때문임을 밝혀냈다.