научная статья по теме ВЛИЯНИЕ МОДУЛЯЦИИ ПОЛЯРИТОННОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ПОЛЯРИЗАЦИОННУЮ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ СИГНАЛА СТИМУЛИРОВАННОГО ПОЛЯРИТОН-ПОЛЯРИТОННОГО РАССЕЯНИЯ В ПЛАНАРНЫХ GAAS МИКРОРЕЗОНАТОРАХ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ МОДУЛЯЦИИ ПОЛЯРИТОННОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ПОЛЯРИЗАЦИОННУЮ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ СИГНАЛА СТИМУЛИРОВАННОГО ПОЛЯРИТОН-ПОЛЯРИТОННОГО РАССЕЯНИЯ В ПЛАНАРНЫХ GAAS МИКРОРЕЗОНАТОРАХ»

Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 5, с. 365-371 © 2015 г. 10 марта

Влияние модуляции поляритониого потенциала на поляризационную неустойчивость сигнала стимулированного поляритон-поляритонного рассеяния в планарных GaAs

микрорезонаторах

А. А. Дешенев1\ С. С. Г&врилов, С. И. Новиков, Д. Н. Крижановский+, В. Д. Кул&ковский Институт физики твердого тела РАН, 142432 Черноголовка, Россия + Department of Physics and Astronorny, University of ShefEld, S3 7RH ShefEld, UK Поступила в редакцию 22 января 2015 г.

Исследованы поляризационные свойства сигнала стимулированного параметрического поляритон-поляритонного рассеяния при резонансном фотовозбуждении вблизи точки перегиба дисперсионной поляритонной кривой в отсутствие и при наличии модуляции экситонного потенциала с помощью поверхностных акустических волн. Найдено, что пространственная модуляция экситонного потенциала приводит к резкому понижению эффективной критической плотности накачки, при которой изменяется поляризация сигнала рассеяния. Это открывает возможность использования акустических волн для управления поляризацией сигнала стимулированного рассеяния в поляритонных системах.

DOI: 10.7868/S0370274X15050100

Квазидвумерная система экситонных полярито-иов в высокодобротных полупроводниковых микрорезонаторах привлекает большое внимание с тех пор, как была продемонстрирована сильная связь между фотонной модой и двумерными экситонами в квантовой яме в активной области резонатора [1]. Благодаря бозонной природе в сочетании с крайне малой эффективной массой, уникальному закону дисперсии с точкой перегиба в области световых квазиимпульсов и двукратному спиновому вырождению поляритон-ная система демонстрирует целый ряд уникальных эффектов, таких, как стимулированное поляритон-поляритонное рассеяние (СППР) [2-5], оптическая бистабильность [6, 7] и мультистабильность [8-11] отклика в условиях резонансного фотовозбуждения, неравновесная бозе-конденсация поляритонов [12], сверхтекучесть [13], формирование световых солито-нов [14] и различного рода топологических дефектов.

Стимулированное поляритон-поляритонное рассеяние привлекло большое внимание благодаря крайне низкой пороговой плотности и высокой эффективности в условиях, когда фотовозбуждение осуществляется вблизи точки перегиба поляритонной дисперсионной кривой (волновой вектор kp ~ k-mfi). Обнаружено, что физика этого явления выходит за рамки стандартной трех-

e-mail: demenev@issp.ac.ru

модовой модели оптического параметрического осциллятора [4, 5]. Для его объяснения ранее была разработана многомодовая модель на основе уравнений Гросса-Питаевского с включением всех парных взаимодействий. В рамках этой модели показано, что необычное поведение СППР является результатом взаимовлияния двух неустойчивостей: 1) бистабильности по отношению к внешней накачке и 2) неустойчивости относительно межмодового параметрического рассеяния [7, 15, 16]. Оба вида неустойчивости возникают за счет отталкива-тельного парного взаимодействия поляритонов с параллельными спинами. При этом поляритоны с антипараллельными спинами взаимодействуют между собой сравнительно слабо.

При циркулярно поляризованном возбуждении сигнал СППР сохраняет поляризацию внешней накачки. При линейно поляризованном возбуждении сигнал демонстрирует линейную поляризацию, ортогональную поляризации накачки, что обусловлено отрицательным знаком константы взаимодействия поляритонов с антипараллельными спинами [17, 18].

В настоящей работе исследована возможность управления поляризацией сигнала СППР. Идея эксперимента базируется на результатах недавних исследований структур с пониженной латеральной симметрией, в которых двукратно вырожденный уровень поляритонов расщеплен на два (£ър,ж и

Elp,у) с ортогональными линейными поляризациями (тгх и 7гу) [19-22]. Пусть для определенности >

Elp,х- В указанных исследованиях была обнаружена поляризационная неустойчивость накачиваемой моды при возбуждении светом с 7Гу-поляризацией (т.е. в направлении верхнего отщепленного уровня) и энергией hu>p > -Elp,у Найдено, что в этом случае наблюдается переключение поляризации накачиваемой моды с линейной на циркулярную по достижении критической плотности возбуждения Pthr, величина которой зависит как от расстройки частоты накачки Д = hu>p — -Elp.j/, так и от расщепления собственных мод 6ху = Elp,у — Elp,®-

Мы ожидаем появления аналогичной поляризационной неустойчивости накачиваемой моды при фотовозбуждении в области kp ~ Ä;;nfl также и в ненапряженных (латерально-симметричных) структурах вследствие ТЕ-ТМ-раоцепления собственных состояний. При этом развитие СППР, приводящее к заполнению долгоживущих экситоноподобных состояний в области к ~ 2A;;nfl, может оказать существенное влияние на поляризационную динамику накачиваемой моды. Контроль поляризации накачиваемой моды должен дать возможность переключения поляризации сигнала СППР с линейной на циркулярную, поскольку переключение поляризации накачиваемой моды должно неизбежно вести к изменению поляризации сигнала СППР вследствие сохранения спина в процессах упругого поляритон-поляритонного взаимодействия.

Для исследования возможности управления поляризацией сигнала СППР был выбран AlGaAs/AlAs микрорезонатор с высокой добротностью, достаточной для спектрального разрешения ТЕ!- и TM-мод в области к = В исследованиях сигнала СППР при квазирезонансном возбуждении 71 х- и 7Гу-поляризованным светом с кр ~ /г;пя найдено, что поляризационная неустойчивость сигнала наблюдается, так же как и в напряженных структурах при кр =0, только при возбуждении светом с поляризацией, совпадающей с поляризацией верхнего поляритонного подуровня. При этом обнаружено два качественных отличия. Во-первых порог переключения поляризации сигнала СППР Дьг,ро1 оказывается примерно в 2.5 раза выше порога развития СППР Pthr, тогда как в напряженных структурах при накачке светом с кр = 0 порог переключения поляризации накачиваемой моды совпадал с порогом усиления поля в этой моде. Во-вторых высокая степень рс при больших плотностях накачки сохраняется не дольше 30-40 пс уже при превышении Pthr,pol всего на 20-30 %.

Для управления величиной Ршг,ро1 была использована вариация величины Ншр — Е^р с помощью возбуждения поверхностных акустических волн (ПАВ), вызывающих пространственную модуляцию частоты экситонного перехода Ех и, следовательно, ELp [23]. При этом было найдено, что эффективное понижение Р^т,ро\ для сигнала СППР при воздействии ПАВ оказывается существенно большим, чем уменьшение Р^г, что позволяет переключать поляризацию сигнала СППР с помощью ПАВ в широкой области плотностей возбуждения.

Эксперимент. В работе исследовался планар-ный АЮаАв/АЬАв микрорезонатор с СаАэ квантовыми ямами с добротностью <5 ~ 5 • 103, выращенный методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Он состоял из двух брэгговских зеркал с 16 (23) повторяющимися парами А/4-слоев АЮаАв/АЬ^з в переднем (заднем) зеркалах и активного слоя А1Ав толщиной А/2. В областях пучности электромагнитного поля в активный слой было встроено 6 СаАэ квантовых ям толщиной 15 нм. Раби-расщепление взаимодействующих фотонной и экситонной мод составляло 6 мэВ. Величина расстройки экситонной и фотонной мод была равна нулю.

Поверхностные акустические волны рэлеевского типа создавались встречно-гребенчатыми преобразователями, ориентированными в направлениях [001] и [010], которые не являются пьезоэлектрическими (рис. 1а). Скрещенные ПАВ фиксированной длины волны Адд\¥ = 8 мкм образовывали в области взаимопересечения акустическую решетку размера 170 х 170 мкм2. Детальное описание распространения ПАВ в структурах, идентичных исследованной, приведено в работах [23-26].

Исследованный образец располагался в оптическом криостате при температуре 2К. Возбуждение образца осуществлялось резонансно импульсным лазером с длительностью импульса 150 пс и частотой повторения 8 МГц. Лазерный луч падал на структуру под углом в = 12° относительно нормали к плоскости резонатора (кр = (2и/Х)ътв = 1.6 мкм-1), что отвечает возбуждению поляритонных мод в области /г;пя в схеме оптического параметрического осциллятора (рис. 1Ь). Возбуждение в структуре периодической акустической решетки приводило к образованию минизон нижней поляритонной ветви, что схематически показано на рис. 1Ь. Диаметр пятна возбуждения составлял 35 мкм.

Сигнал СППР детектировался в конусе углов до 5° (Ак ~ 0.7мкм-1). Пространственное распределение поляритонной плотности измерялось с помощью методики микрофотолюминесценции с про-

У (Цт) к (цщ 1)

Рис. 1. (а) - Пространственное распределение поляритонной плотности в области дна поляритонной дисперсии при включении скрещенных поверхностных акустических волн. Длина акустической волны Аэа\¥ = 8мкм, мощность Рваш = 23 мВт. Область пятна лазерного возбуждения отмечена белой окружностью. Прямоугольник указывает срез распределения, исследовавшийся в экспериментах с временным разрешением. (Ь) - Схема возбуждения поляритонной системы при включении акустических волн. Форма импульса лазерной накачки показана на вставке

странственным разрешением <~ 2 мкм. Временная динамика сигнала СППР исследовалась с помощью стрик-камеры с временным разрешением Зпс. Для исследования влияния пространственной акустической решетки на временные характеристики сигнала СППР срез распределения поляритонной плотности вдоль оси 0у (на рис. 1а область показана белым прямоугольником) проецировался на вход стрик-камеры. Это позволяло получать временную развертку распределения плотности поляритонов вдоль оси 0у с высоким временным и пространственным разрешениями. Затем находилась наиболее заселенная область периодической структуры вдоль оси 0у (рис. 1а) и для нее определялась временная зависимость интенсивности сигнала.

Результаты и обсуждение. На рис. 2 приведены результаты исследования СППР без ПАВ при возбуждении эллиптически поляризованным светом

с |рнп| = |(Рх ~ РУ)/(РХ + Ру)| = +0.99 и рс = = (Р+ - Р")/(Р+ + Р") = 0.1 и энергией Тъшр = = Еьр,у + 0.35мэВ = 1.53473 эВ. Направление линейной поляризации совпадало с направлением поляризации нижнего (ЬРЖ) или верхне

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком