[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究在室温下测量了高β值的脉冲光子晶体纳米激光器的四阶光子关联，揭示了即使在四倍阈值泵浦功率下，仍存在强烈的混沌强度涨落。统计偏离泊松分布的现象源于少量偶极子和光子引起的量子涨落，这些涨落可通过包含离散粒子计数的随机速率方程精确建模。

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.

研究动机与目标

• 研究在室温下、脉冲激发条件下，高β值光子晶体纳米激光器中的高阶光子统计特性。
• 理解在传统激光理论基于大系综近似失效的纳米激光器中，强度涨落的起源。
• 确定即使在受激辐射占主导地位的情况下，混沌统计是否仍能在远高于阈值时持续存在。
• 开发并验证一种考虑纳米激光器中光子与激发偶极子离散数目的随机速率方程模型。
• 证明高阶关联函数是探测纳米尺度激光器中量子噪声的关键探针。

提出的方法

• 采用多路复用的四元素超导纳米线单光子探测器（SNSPD）以皮秒时间分辨率测量 n = 2, 3, 4 时的 g(n)(0)。
• 使用脉冲钛蓝宝石激光（805 nm，FWHM 为 50 ps，重复频率 82 MHz）在室温下驱动纳米激光器。
• 通过显微镜物镜收集激光发射光，经单色仪滤波后导向 SNSPD 进行光子计数。
• 应用包含离散粒子计数（光子与激发偶极子）的随机速率方程模型，模拟脉冲动力学与关联函数。
• 追踪随时间变化的光子数 s(t) 的实现，包括强度抖动与时间抖动，以分析统计分布。
• 将模拟得到的 g(n)(0) 值与实验数据进行比较，采用考虑光子与偶极子离散性的模型，避免使用高斯朗之万近似。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下、高β值的纳米激光器中，高阶光子关联在多大程度上偏离泊松统计？
• RQ2 少量偶极子与光子引起的量子涨落如何影响激光脉冲的强度与时间特性？
• RQ3 包含离散粒子计数的随机速率方程模型能否准确再现实验测得的高阶关联函数？
• RQ4 脉冲抖动与强度涨落如何在纳米激光器中诱导非泊松统计特性？
• RQ5 即使在受激辐射占主导地位时，混沌行为是否仍能在远高于阈值时持续存在？

主要发现

• 在泵浦功率达到阈值四倍时，g(2)(0)、g(3)(0) 和 g(4)(0) 均显著高于 1，表明存在强烈的混沌强度涨落。
• 即使在 4× 阈值条件下，测得的 g(4)(0) 显著高于 1，证明尽管受激辐射占主导，非泊松统计仍持续存在。
• 每脉冲光子计数的统计分布偏离泊松分布，表现为高强光事件被抑制，低强光事件被增强。
• 强度抖动与时间抖动密切相关：偶极子弛豫导致脉冲建立时间越长，脉冲振幅越低。
• 包含离散粒子计数的随机速率方程模型成功再现了实验测得的 g(n)(0) 值，验证了其在小尺寸激光物理中的适用性。
• 观测到的涨落归因于腔内少量偶极子（约 10^9 cm⁻²）与光子引起的量子噪声，而非热噪声或经典噪声。