[논문 리뷰] Time-resolved resonance and linewidth of an ultrafast switched GaAs/AlAs microcavity

Philip J. Harding, Allard P. Mosk외 4명|ArXiv.org|2009. 01. 24.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 29인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 초고속, 시간 및 주파수 해상도를 갖춘 펌프-프로브 분광법을 사용하여 GaAs/AlAs 마이크로캐비티의 초고속 스위칭을 입증한다. 이는 λ-슬립과 GaAs 미러에서의 별개의 재결합 시간으로 인해 발생하는 공명 에너지 및 반폭의 이중 지수 붕괴를 드러낸다. 주요 발견은 미러 내 재결합 시간이 캐비티 광자 저장 시간과 수렴함으로써 비선형 효과가 발생하고, 주어진 재결합 밀도에서 반사율 조절 깊이를 최대화하는 최적의 Q 인자가 존재함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초고속 재결합 자극 하에서 GaAs/AlAs 마이크로캐비티의 동적 반응을 조사하기 위해.
• 자유전자 효과로 인한 공명 에너지 이동 및 넓이 증가의 시간 및 주파수 의존성 변화를 규명하기 위해.
• λ-슬립과 미러 내 재결합 역학이 공명 및 반폭 변화를 어떻게 지배하는지 규명하기 위해.
• 재결합 유도된 굴절률 변화 하에서 반사율 조절 깊이를 최대화하는 데 최적의 초기 Q 인자를 규명하기 위해.
• 파동수 벡터 분포, 공간 비균일성, 운동적 넓이 증가와 같은 넓이 증가 메커니즘의 영향을 관측된 반폭 변화에 대해 평가하기 위해.

제안 방법

• 시간 및 주파수 해상도가 각각 100 fs 미만, 10 meV 미만인 초고속 펌프-프로브 분광법을 사용하여 반사율 동적 특성을 측정하였다.
• 두 가지 별개의 재결합 시간(미러의 τ_gm, λ-슬립의 τ_gc)을 포함하는 전이 매트릭스 모델을 적용하여 캐비티 반응을 시뮬레이션하였다.
• 모델은 자유전자 흡수, 공간 비균일성, 파동수 벡터 분포, 그리고 동적 굴절률에서 유도된 시간에 따라 변하는 광자 저장 시간 τ_ph(t)를 포함하였다.
• 이론적 계산된 공명 이동 및 반폭은 실험 데이터와 비교되어 이중 지수 붕괴 모델의 타당성을 검증하였다.
• 조절 깊이를 초기 Q₀와 재결합 밀도 N₀에 따라 계산하여 최적의 Q를 최대 깊이를 내기 위해 규명하였다.
• 이론적 곡선은 비교를 위해 일정한 τ_ph를 가정하였지만, 실험 데이터와 가장 잘 일치하는 것은 τ_ph를 시간에 따라 변화시키는 경우였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고속 재결합 자극 후 GaAs/AlAs 마이크로캐비티의 공명 에너지 및 반폭은 어떻게 동적으로 변화하는가?
• RQ2 관측된 이중 지수 붕괴는 무엇으로 인해 발생하며, λ-슬립과 미러 내 재결합 시간은 어떻게 기여하는가?
• RQ3 파동수 벡터 분포, 공간 비균일성, 운동적 넓이 증가 등의 넓이 증가 메커니즘이 시간에 따라 측정된 반폭 변화에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 시간에 따라 변화하는 광자 저장 시간 τ_ph(t)는 관측된 캐비티 반응에 어떤 영향을 미치며, 왜 일정한 τ_ph를 가정할 경우가 실험 데이터와 더 잘 일치하는가?
• RQ5 주어진 재결합 밀도 N₀에서 반사율 조절 깊이를 최대화하는 데 최적의 초기 Q 인자 Q₀는 무엇인가?

주요 결과

• 캐비티 공명 및 반폭은 이중 지수 붕괴를 보이며, 각각 GaAs 미러에서 14.7 ± 0.5 ps, λ-슬립에서 38.0 ± 0.5 ps의 별개의 시간 상수를 가지며, 이는 두 가지 별개의 재결합 경로를 확인한다.
• GaAs 미러 내 재결합 시간(14.7 ps)이 캐비티 광자 저장 시간(62.9 ps)과 수렴함으로써, 비선형 효과가 예측되고 이제는 실험적으로 관측 가능한 영역에 진입한다.
• 시간에 따른 반폭 증가 원인은 자유전자 흡수, 파동수 벡터 분포, 운동적 넓이 증가로 인해 발생하며, 모든 메커니즘이 모든 프로브 지연 시간에 걸쳐 기여한다.
• 이론적 모델링 결과, 일정한 광자 저장 시간 τ_ph를 가정할 경우 실험 데이터와 가장 잘 일치하는 것으로 나타났지만, 이는 동적 τ_ph 의존성에 대한 기대와는 반대된다.
• 재결합 밀도 2.58 × 10¹⁹ cm⁻³에서 최적의 초기 Q₀는 약 300으로 예측되며, Q₀ > 300일 경우 넓이 증가에 대한 민감도 증가로 인해 최대 깊이가 감소한다.
• 낮은 재결합 밀도(예: 10배 낮은 경우)에서는 최적의 Q₀가 약 5000으로 이동함을 보여, 최적 성능이 재결합 밀도에 매우 강하게 의존함을 시사한다.