[论文解读] 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

Photonic and Optical Devices参考文献 29被引用 3

一句话总结

本研究通过时间-频率分辨泵浦-探测光谱技术，实现了对GaAs/AlAs微腔的超快、时域与频域分辨的开关调控，揭示了共振能量与线宽的双指数弛豫行为，其根源在于λ-阱区与GaAs反射镜中载流子复合时间的不同。关键发现为：反射镜中的弛豫时间接近腔体光子存储时间，从而实现非线性效应，并揭示了在给定载流子密度下，使反射率调制深度最大化的最优Q因子。

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.

研究动机与目标

• 研究GaAs/AlAs微腔在超快载流子激发下的动态响应。
• 解析自由载流子效应引起的共振能量与线宽随时间与频率的动态偏移与展宽。
• 确定λ-阱区与反射镜中复合动力学如何主导共振与线宽的演化。
• 识别在载流子诱导折射率变化下，使反射率调制深度最大化的初始Q因子最优值。
• 评估展宽机制（动量空间展宽、空间非均匀性、动能展宽）对观测到的线宽演化的影响程度。

提出的方法

• 采用时间-频率分辨泵浦-探测光谱技术，时间分辨率小于100 fs，能量分辨率小于10 meV，测量反射率动力学。
• 应用包含两个不同复合时间常数（τ_gm 表示反射镜，τ_gc 表示λ-阱区）的传输矩阵模型，模拟腔体响应。
• 模型中包含自由载流子吸收、空间非均匀性、动量空间展宽，以及基于动态折射率推导出的时间依赖光子存储时间τ_ph(t)。
• 将理论计算的共振能量偏移与线宽结果与实验数据对比，以验证双指数弛豫模型。
• 计算调制深度随初始Q₀与载流子密度N₀的变化关系，以确定使深度最大化的最优Q值。
• 理论曲线假设τ_ph为常数以作比较，但发现当允许τ_ph随时间动态变化时，与实验数据的吻合度最佳。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超快载流子激发后，GaAs/AlAs微腔的共振能量与线宽如何动态演化？
• RQ2 观测到的双指数弛豫行为由何引起？λ-阱区与反射镜中的复合时间如何分别贡献于共振与线宽的演化？
• RQ3 动量空间展宽、空间非均匀性与动能展宽等展宽机制在多大程度上影响随时间演化的测量线宽？
• RQ4 时间依赖的光子存储时间τ_ph(t)如何影响观测到的腔体响应？为何假设τ_ph为常数反而比假设其随时间变化时与实验数据吻合更好？
• RQ5 在给定载流子密度N₀下，使反射率调制深度最大化的最优初始Q因子Q₀是多少？

主要发现

• 腔体共振与线宽表现出双指数弛豫，具有不同的时间常数：14.7 ± 0.5 ps（GaAs反射镜）与38.0 ± 0.5 ps（λ-阱区），证实存在两条独立的复合路径。
• GaAs反射镜中的弛豫时间（14.7 ps）接近腔体光子存储时间（62.9 ps），使系统进入预测存在非线性效应的区域，现已被实验所证实。
• 时间分辨线宽的增加由自由载流子吸收、动量空间展宽与动能展宽共同引起，所有机制在所有探测延迟下均有贡献。
• 理论建模表明，假设光子存储时间τ_ph为常数时，与实验数据的吻合度最佳，这与预期的动态τ_ph依赖性相反。
• 在载流子密度为2.58 × 10¹⁹ cm⁻³时，预测最优初始Q₀约为300，此时调制深度最大；当Q₀ > 300时，最大深度下降，原因在于对展宽效应的敏感性增加。
• 在较低载流子密度下（例如低一个数量级），最优Q₀移至约5000，表明最优性能对载流子密度具有强烈依赖性。