1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 86, № 4, 2022

Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 4, стр. 494-498

Температурная зависимость циркулярно-поляризованного излучения хиральных инжекционных полупроводниковых лазеров

А. А. Максимов 1, *, Е. В. Филатов 1, И. И. Тартаковский 1

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук
Черноголовка, Россия

* E-mail: maksimov@issp.ac.ru

Поступила в редакцию 15.11.2021
После доработки 06.12.2021
Принята к публикации 22.12.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Выполнены исследования температурной зависимости вплоть до температуры ~140 K генерации света и степени циркулярной поляризации излучения полупроводникового лазера с электрической накачкой на основе AlAs/AlGaAs микрорезонатора с GaAs квантовыми ямами в активной области, верхнее брэгговское зеркало которого представляло собой квадратную решетку фотонного кристалла с хиральной симметрией. При максимальных значениях импульсного тока накачки ~25 мА развитая многомодовая лазерная генерация в виде спектрально узких полос с высокой степенью величины циркулярной поляризации излучения >70% наблюдалась вплоть до температур ~90 K.

ВВЕДЕНИЕ

В течение последних лет достигнут значительный прогресс в решении задач, сфокусированных на поиске и реализации компактных как однофотонных, так и лазерных источников света, обладающих контролируемой циркулярной поляризацией излучения. Практические приложения источников циркулярно-поляризованного света являются чрезвычайно актуальными для создания элементной базы в интенсивно развивающихся областях, таких как оптоэлектроника и квантовые технологии передачи и записи информации (аналогично спинам отдельных электронов и дырок и спин-поляризованным токам в спинтронике).

Понятно, что устройства, в которых используются традиционные способы получения циркулярно-поляризованного излучения с помощью четвертьволновых пластинок, не удовлетворяют требованиям компактности. Другой подход к реализации компактных лазеров, которые могут излучать циркулярно-поляризованный свет, предполагает использование оптической либо электрической спиновой накачки (так называемые спин-лазеры) [1–4], или оптических хиральных сред в активной области таких лазеров. В то же время, как было продемонстрировано в целом ряде работ [5–8], создание компактных устройств циркулярно-поляризованного излучения может быть осуществлено при использовании для этой цели наноструктур на основе обычных ахиральных AIIIBV полупроводников. Отличительной особенностью данных наноструктур является наличие в их верхнем слое сформированного с помощью современных полупроводниковых технологий фотонного кристалла с квадратной решеткой, обладающей хиральной симметрией. Благодаря общей хиральной симметрии такой системы возникает неэквивалентность право‑ и лево‑поляризованных электромагнитных мод, что, тем самым, открывает возможности для создания компактных источников циркулярно-поляризованного излучения без приложения внешнего магнитного поля.

Циркулярно-поляризованное лазерное излучение при возбуждении оптической накачкой AlAs/AlGaAs микрорезонаторов с GaAs квантовыми ямами (КЯ) в активной области и с вытравленным на верхнем Брэгговском зеркале фотонным кристаллом с хиральной симметрией было получено в работе [9]. Следующим шагом в этом направлении, имеющим также важное прикладное значение, было получение циркулярно-поляризованного лазерного излучения в подобных наноструктурах при электрической накачке.

В нашей предыдущей работе [10] сообщалось о получении лазерной генерации света с высокой степенью циркулярной поляризацией излучения полупроводникового лазера с электрической накачкой на основе AlAs/AlGaAs микрорезонатора с GaAs квантовыми ямами (КЯ) в активной области, верхний слой которых представлял собой квадратную решетку фотонного кристалла с хиральной симметрией (см. рис. 1а) при низких температурах T ≈ 2 K. Параметры микрорезонатора, в частности, показатель преломления его внутреннего Al0.40Ga0.60As λ-слоя, спектральное положение экситонных резонансов в GaAs квантовых ямах зависят от температуры. Целью настоящей работы является выяснение того, в каком температурном диапазоне достижимо получение лазерной генерации света с высокой степенью циркулярной поляризации излучения в данных микрорезонаторах с электрической накачкой, иными словами, насколько критичным на свойства лазерного излучения оказываются температурные изменения диэлектрических постоянных материалов, из которых изготовлены лазерные структуры.

Рис. 1.

Схема структуры полупроводникового микрорезонатора с хиральным фотонным кристаллом на верхнем брэгговском зеркале (показана элементарная ячейка кристалла) c λ-микрорезонатором, содержащим 4 GaAs квантовые ямы (а). Изменения спектров излучения хиральной полупроводниковой лазерной структуры в σ+ циркулярной поляризации с ростом значений импульсного тока J: 2.4, 4.7, 9.0, 16.9, 21.1 и 24.7 мА. Температура T ≃ 90 K (б).

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В настоящей работе представлены результаты исследования лазерных структур, выращенных на основе λ-микрорезонатора Al0.40Ga0.60As. В пучности электрического поля в центре микрорезонатора располагались четыре квантовые ямы из GaAs шириной 7 нм, разделенные 4 нм Al0.40Ga0.60As барьерами. 27 n-допированных кремнием пар слоев AlAs/Al0.20Ga0.80As составляли нижнее брэгговское зеркало микрорезонатора, а верхнее содержало 23.5 пары слоев, p-допированных углеродом. На верхнем брэгговском зеркале были вытравлены на глубину до середины пятого сверху слоя Al0.20Ga0.80As фотонные кристаллы с квадратными элементарными ячейками с различным знаком хиральности. Знак хиральности определялся направлением закрученности прямоугольников, лежащих в основаниях микростолбиков, из которых состоит элементарная ячейка фотонного кристалла [6, 7]. Каждая отдельная лазерная структура представляла собой параллелепипед с размерами основания 60 × 60 мкм2, на верхнем зеркале которого, внутри площади, ограниченной золотым кольцевым контактом, размещался фотонный кристалл размером 36 × 36 мкм2. Элементарная ячейка фотонного кристалла (см. рис. 1а) образована четырьмя микростолбиками с основаниями в виде вытянутых прямоугольников, повернутых “влево” или “вправо” на 90° относительно друг друга. Период фотонного кристалла составлял d = 880 нм, а линейный размер длинной стороны прямоугольника, лежащего в основании микростолбика, изменялся в диапазоне 256–280 нм. Микрорезонатор имел плавно меняющуюся от места на образце толщину, что обеспечивало изменение спектрального положения фотонного резонанса микрорезонатора в разных лазерных структурах и его отстройку от экситонного уровня в GaAs квантовых ямах.

Образцы размещали в парах He в оптическом гелиевом криостате с регулируемой температурой в диапазоне Т = 5–150 K с точностью регулировки температуры ΔТ = ±0.2 K.

Для возбуждения излучения к каждому отдельному лазеру прикладывалось импульсное напряжение величиной до ~15 В. Было установлено, что оптимальные условия для наблюдения мощной лазерной генерации в исследованных структурах достигаются при импульсном электрическом возбуждении с длительностями импульсов в диапазоне от ~100 нс до ~1 мс со скважностью ~1 : 100. Максимальные значения импульсного тока J, текущего через различные лазерные структуры, не превышали ~25 мА.

Спектры излучения регистрировались с помощью спектрометра МДР-23 или тройного спектрометра Dilor-500 (с разрешением ≤40 мкэВ), оснащенных охлаждаемым Si-CCD-детектором.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Ранее нами сообщалось о получении лазерной генерации света с высокой степенью циркулярной поляризации излучения полупроводникового лазера с электрической накачкой при температурах T ≈ 2 K [10]. Повышение температуры в диапазоне температур T < 100 K, как показали дальнейшие исследования, в целом не изменяют основных характеристик лазерного излучения кроме небольшого увеличения величины порогового тока с ростом температуры. На рис. 1б представлены спектры излучения одного из таких лазеров в σ+-поляризации при температуре T ≈ 90 K и различных значениях текущего через образец импульсного тока J. Так же, как и при T ≈ 2 K, с увеличением тока наблюдается резкий сверхлинейный рост интенсивности линии излучения, который сопровождался сужением еe спектральной ширины до величины ≤40 мкэВ. Типичная зависимость интенсивности I лазерного излучения от текущего через образец импульсного тока J представлена на рис. 2а. Видно, что при достижении пороговых значений тока линейная зависимость интенсивности излучения I при малых токах сменяется резким ее сверхлинейным ростом.

Рис. 2.

Зависимость интенсивности I (а) и степени циркулярной поляризации ρC (б) излучения полупроводникового лазера на основе хирального микрорезонатора от величины импульсного тока J. Температура T ≃ 90 K.

Степень циркулярной поляризации определялась из соотношения ρC = (I+ – I–)/(I+ + I–), где I+ и I– интенсивности излучения в σ+- и σ–-циркулярной поляризации, соответственно. Относительно малая (ρC ≤ 10%) степень циркулярной поляризации излучения в спонтанном режиме (при низких токах импульсной накачки) начиная с пороговых значений импульсного тока при его увеличении резко возрастала и достигала величины ρC ≈ 75% в режиме развитой лазерной генерации (рис. 2б).

Дальнейшее увеличение температуры T > 100 K приводит к существенному уменьшению степени циркулярной поляризации излучения в режиме лазерной генерации света. Спектры излучения лазерной структуры, представленные на рис. 3а и 3б, получены при T ≃ 108 K. Видно, что при данной температуре можно получить вполне развитую лазерную генерацию света, однако степень циркулярной поляризации излучения в этом режиме уменьшается до значений ρC ≈ 10–20% (рис. 3б).

Рис. 3.

Спектры излучения хиральной полупроводниковой лазерной структуры в σ+ (сплошные кривые) и σ– (точечные кривые) циркулярных поляризациях при различных значениях импульсного тока J: 0.73, 16.7 и 27.1 мА – нижняя, средняя и верхняя панель, соответственно (а). Спектры в σ+ (сплошная кривая) и σ– (точечная кривая) циркулярной поляризации при величине импульсного тока J = 27.1 мА и степень циркулярной поляризации излучения ρC (пунктирная кривая) полупроводникового лазера на основе хирального микрорезонатора (б). Температура T ≃ 108 K.

В исследованных наноструктурах было получено лазерное излучение при электрической накачке вплоть до температур T ≃ 140 K. При этом наблюдалось спектральное смещение линий лазерной генерации в красную сторону на величины ~5 мэВ при изменении температуры от 2 до 140 K, что хорошо согласуется с изменением показателя преломления Al0.40Ga0.60As λ-микрорезонатора на величину ~0.01 в этом же температурном интервале [11].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования температурной зависимости спектров и поляризационных свойств излучения полупроводникового лазера с электрической накачкой на основе AlAs/AlGaAs микрорезонатора с GaAs квантовыми ямами в активной области, верхний слой которого представлял собой квадратную решетку фотонного кристалла с хиральной симметрией, показали возможность получения лазерной генерации света с высокой степенью циркулярной поляризации излучения в достаточно широком температурном диапазоне ~100 K. Таким образом, изменение температуры не является критичным для устойчивой работы данных лазерных микрорезонаторов на основе хирально-модулированных полупроводниковых наноструктур с электрической накачкой и с контролируемым циркулярно-поляризованным излучением. Понятно, что предпочтительным температурным диапазоном для практических приложений инжекционных полупроводниковых микролазеров с циркулярно-поляризованным излучением является область комнатных температур. Можно полагать, что соответствующая оптимизация параметров структуры микрорезонатора позволит получить лазерную генерацию света с циркулярной поляризацией при комнатных температурах.

Авторы выражают благодарность С. Хёфлингу (S. Höffling) и Х. Шнайдеру (C. Schneider) за предоставленные образцы для исследований, а также В.Д. Кулаковскому и С.Г. Тиходееву за многочисленные полезные обсуждения. Работа частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проекты №№ 19-02-00697 и 20‑02-00534).

Список литературы

  1. Ando H., Sogawa T., Gotoh H. // Appl. Phys. Lett. 1998. V. 73. P. 566.

  2. Holub M., Bhattacharya P. // J. Phys. D. 2007. V. 40. Art. No. R179.

  3. Chen J.-Y., Wong T.-M., Chang C.-W. et al. // Nature Nanotech. 2014. V. 9. P. 845.

  4. Lindemann M., Xu G., Pusch T. et al. // Nature. 2019. V. 568. P. 212.

  5. Konishi K., Nomura M., Kumagai N. et al. // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 106. Art. No. 057402.

  6. Maksimov A.A., Tartakovskii I.I., Filatov E.V. et al. // Phys. Rev. B. 2014. V. 89. Art. No. 045316.

  7. Lobanov S.V., Tikhodeev S.G., Gippius N.A. et al. // Phys. Rev. B. 2015. V. 92. Art. No. 205309.

  8. Максимов А.А., Пещеренко А.Б., Филатов Е.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2017. Т. 106. № 10. С. 615; Maksimov A.A., Peshcherenko A.B., Filatov E.V. et al. // JETP Lett. 2017. V. 106. No. 10. P. 643.

  9. Demenev A.A., Kulakovskii V.D., Schneider C. et al. // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 109. Art. No. 171106.

  10. Максимов А.А., Филатов Е.В., Тартаковский И.И. // Изв. РАН. Сер. физ. 2021. Т. 85. № 2. С. 241; Maksimov A.A., Filatov E.V., Tartakovskii I.I. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2021. V. 85. No. 2. P. 176.

  11. Afromowitz M.F. // Solid. State Commun. 1974. V. 15. P. 59.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал