Поляритонные лазеры на основе GAN

Концепция поляритонного лазера была предложена около 10 лет назад ученым Имамоглу[1].  В его понимании под поляритонным лазером понимается низкопороговое устройство нового поколения, в котором термализованное распределение поляритонных квазичастиц коллапсирует в одно состояние из-за бозонной стимуляции. Данная концепция основанна на эффекте, тесно связанном с Бозе–Эйнштейновской конденсацией атомов[2]: большое количество бозонных частиц (здесь: поляритоны) образуют конденсат в макроскопически занятом квантовом состоянии посредством стимулированного рассеяния. Конденсат поляритонов, наконец, обеспечивает когерентное излучение света.

Таким образом, это когерентный источник света, обладающий иным рабочим механизмом по сравнению с обычными лазерными приборами. Благодаря своему принципу поляритон-лазер обещает более энергоэффективную работу лазера. Типичная полупроводниковая структура такого лазера состоит из оптической микрополости, расположенной между распределенными Брэгговскими отражателями.

Актуальность. Поляритонные лазеры являются когерентными источниками света, основанными на конденсации экситон-поляритонов в полупроводниковых микрорезонаторах, которая происходит либо в кинетическом, либо в термодинамическом (бозе-эйнштейновском) режиме. Помимо основного интереса, поляритонные лазеры обладают потенциалом чрезвычайно низких рабочих порогов.

Цель. Описать сверхнизковую пороговую генерацию поляритонов при комнатной температуре, используя полностью диэлектрическую микрополость на основе мембраны GaN со спонтанно сформированной нульмерной ловушкой.

Задачи.

1. Охарактеризовать работу резонатора GAN/ALGAN с несколькими квантовыми ямами GAN QWS.
2. Рассмотреть объемную микрополость GaN 3/2 с 35-периодной решеткой-согласованным Al0.85In0.15N / Al0.2Ga0.8N нижним распределенным брэгговским отражателем DBR и 10-периодным SiO2 / Si3N 4 верхним DBR.
3. Исследовать поляритонную релаксацию при импульсной нерезонансной оптической накачки в квазиклассическом приближении Больцмана.

Методология. Использованием инновационного метода для изготовления микрополости, который включает фотоэлектрохимическое травление жертвенного слоя InGaN и позволяет включать оптимально выращенные активные квантовые ямы GaN внутри полости с атомно-гладкими поверхностями.

Результаты.

Показаны возможности поляритонной генерации, получен полный набор кинетических фазовых диаграмм для ключевых параметров, управляющих поляритонной генерацией.  

Дана оценка условий современной полости GaN QW8 для обеспечения идентичных параметров.

Представлен полный набор кинетических фазовых диаграмм поляритонной генерации и найден диапазон ключевых параметров, в которых могут работать поляритонные лазеры.

Вывод.

Выращенные в настоящее время объемные полости GaN могут работать как поляритонный лазер при комнатной температуре. Подобные полости с QWs, которые представляют собой техно-логическую задачу, будут иметь более низкий порог генерации, но и более низкую максимальную плотность.

1. Imamoglu, R.J. Ram, S. Pau, and Y. Yamamoto, Phys. Rev. A 53, 4250, 1996.
2. Kasprzak, et al., Nature London  443, 409, 2006.
3. Balili, V. Hartwell, D. Snoke, L. Pfeiffer, and K. West, Science 316, 2007.
4. Kavokin and G. Malpuech, Cavity Polaritons Elsevier, 2003.
5. Malpuech, A. Di Carlo, A. Kavokin, J.J. Baumberg, M. Zamfirescu, and P. Lugli, Appl. Phys. Lett. 81, 412 2002.
6. Semond et al., Appl. Phys. Lett. 87, 021102, 2005.
7. R. Sellers, F. Semond, M. Leroux, J. Massies, P. Disseix, A-L. Henneghien, J. Ley-marie, and A. Vasson, Phys. Rev. B 73, 033304, 2006.
8. Butté, G. Christmann, E. Feltin, J.-F. Carlin, M. Mosca, M. Ilegems, and N. Grandjean, Phys. Rev. B 73, 033315, 2006.
9. Christmann, R. Butté, E. Feltin, J.-F. Carlin, and N. Grandjean, Phys. Rev. B 73, 153305, 2006.
10. Kavokin and B. Gil, Appl. Phys. Lett. 72, 2880, 1998.
11. Antoine-Vincent et al., Phys. Rev. B 68, 153313, 2003.
12. Christopoulos et al., Phys. Rev. Lett. 98, 126405, 2007.
13. V. Butov, Nature London 447, 540 2007.