Диссертация (Нелинейные и неклассические эффекты c экситонными поляритонами в полупроводниковых микрорезонаторах), страница 2

При этом впервые были определены условия, при которыхэкситонные поляритоны обладают свойствами РТ-симметричных (или в общемслучае псевдоэрмитовых) систем при учете динамики резервуарных экситонов,внешней накачки и диссипации.3.излученияИсследовано влияние квантовых шумов на статистические свойствамикрорезонаторавозбуждаемогосполупроводниковойоколорезонанснойнакачкой.квантовойямой,Продемонстрировано,чтоприсутствие квантового шума может существенным образом влиять на состояниесистемы.

В частности, показано, что в области, где стандартный анализстационарных состояний экситонной и фотонной подсистем, выполненный вприближении среднего поля, предсказывает бистабильность решения, квантоваятеория, учитывающая влияние квантового шума, ее не обнаруживает. Вместоэтого наблюдается резкий скачок плотности экситонов при определенныхзначенияхинтенсивностивнешнейнакачки,относящихсякобластибистабильности, предсказанной в рамках полуклассического анализа.Практическая значимостьПроведенные исследования когерентных свойств поляритонных системмогут лечь в основу создания средств обработки информации нового типа, атакже источников когерентного излучения с неклассической статистикой.Полученные результаты открывают новые перспективы как для теоретическогоисследования осцилляций Раби в поляритонных средах и эффектов, связанных сними (в частности, влияния осцилляций Раби на свойства поляризации излученияполяритонноголазера),такидляэкспериментальногообнаружениянезатухающих осцилляций в реальных структурах.Положения, выносимые на защиту1.Время затухания осцилляций Раби в системе экситонных поляритоновв микрорезонаторе может быть увеличено за счет эффекта вынужденного-9-рассеяния из некогерентного экситонного резервуара, созданного нерезонанснойпостоянной накачкой.

Для реалистичных параметров микрорезонаторов на основеGaAs время жизни осцилляций Раби может достигать 1 нс.2.За счет механизма парного рассеяния экситонов из некогерентногорезервуара в основное состояние, возможно установление незатухающихосцилляций населенности фотонной компоненты конденсата. Эффект будет иметьместо в том числе и в структурах, для которых характерна быстраядополнительная релаксация поляритонов верхней дисперсионной ветви.3.Эффект динамической компенсации потерь в экситон-фотоннойсистеме в присутствии нерезонансной накачки может быть интерпретирован втерминах неэрмитовой квантовой механики, как проявление поляритоннойсистемой свойств псевдоэрмитовости, когда она характеризуется наборомдействительным собственных частот.4.Присутствиеквантовыхфлуктуацийвсистемеэкситонныхполяритонов с нелинейным взаимодействием между экситонами приводит кпоявлению резкого скачка экситонной плотности, сопровождающегося переходомсистемы с нижней ветви бистабильности на верхнюю.

Данный скачок такжесопровождается резким всплеском значений функции когерентности второгопорядка. Значение накачки, при котором происходит скачок, а также амплитудаскачкаопределяютсяпараметрамисистемы:нелинейностью,скоростьюдиссипации, а также экситон-фотонной отстройкой.Апробация работыРезультаты работы прошли апробацию на следующих российских имеждународных конференциях:International Conference and School «Single dopants», Россия, СанктПетербург, 1-5 июня 2014 г.; Молодежная школа для молодых ученых «Лазернаяфизика и фотоника», Россия, Владимир/Суздаль, 11-17 ноября 2014 г.; SecondRussian-Britain Workshop for Young Scientists «Advanced Polaritonics andPhotonics», Россия, Владимир/Суздаль, 12-15 марта 2015 г.; XXIII Международная- 10 -научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов»,Россия, Москва, 11-15 апреля 2015г.; XII International Workshop on Quantum Optics(IWQO-2015), Россия, Москва/Троицк, 11-16 августа 2015 г.; The twenty fifthannual International Laser Physics Workshop, Армения, Ереван, 11-15 июля 2016г.По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи в журналах изперечня ВАК.Личный вклад автораПредставленные в диссертации результаты оригинальны и полученыавторомлично.Выборнаправленияисследования,постановказадачиинтерпретация полученных результатов производились совместно с научнымруководителем и соавторами статей.Структура и объем диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, трех глав,заключения и списка литературы из 115 наименований, изложена на 122страницах и содержит 33 рисунка.Содержание работыВовведенииобоснованаактуальностьдиссертационнойработы,сформулированы ее цели, аргументирована научная новизна исследований.Показана практическая значимость полученных результатов, представленывыносимые на защиту научные положения.

Описан личный вклад автора ипредставлены сведения об апробации работы и публикациях.Первая глава посвящена общему описанию исследуемых в диссертациизадач с точки зрения их использования для решения современных проблемфункционирования оптических сетей. Рассмотрены задачи взаимодействияоптического излучения с возбуждениями в твердом теле и приведены схемыреализации поляритонных устройств на их основе. Особое внимание уделено- 11 -рассмотрению экситонов в квантовой яме – низкоразмерной структуре, котораяудерживает экситон в одном из направления и в результате вызывает квантованиеего энергии в направлении пленения.

В частности, описывается процессвзаимодействия экситонов квантовой ямы и моды микрорезонатора, в которыйпомещена эта квантовая яма, в режиме сильной связи, при котором  P , X .Здесь  – коэффициент связи между экситонной и фотонной модами,  X –коэффициент затухания экситонной моды и  P – коэффициент затухания фотона,обусловленного несовершенством зеркал.

Такое взаимодействие приводит кобразованию двух новых собственных мод системы, которые называютсяполяритонами верхней и нижней ветви. В первой главе также представленкраткий обзор явлений, свойственных данным квазичастицам, а именно Рабиосцилляций [7] и Бозе-Эйнштейновской конденсации [1]. Далее рассмотренывозможные способы создания элементов оптических цепей на основе экситонныхполяритонов.

Показано, что устройства на основе поляритонов обладают рядомпреимуществ, таких как быстрое время переключения и низкая пороговаямощность. Продемонстрирована возможность интеграции нескольких оптическихэлементов в один микрорезонатор и каскадная реализация схем.Вторая глава посвящена исследованию возможности увеличения временижизни осцилляций Раби в полупроводниковом микрорезонаторе. Для этогопредложено использовать внешнюю непрерывную накачку, формирующуюнекогерентныйэкситонныйрезервуар,поляритонных состоянийикогерентность.действияПринциппополняющийподдерживающийтемпредложеннойсамымсхемынаселенностиихможновзаимнуюописатьследующим образом. Короткий (длительностью порядка сотни фемтосекунд)спектрально широкий лазерный импульс возбуждает суперпозицию поляритоновверхней и нижней веток в области k  0 , где k – волновой вектор, лежащий вплоскости микрорезонатора.

При этом непрерывная нерезонансная накачка(оптическая или токовая) формирует резервуар некогерентных экситонов,- 12 -характеризующихся большими значениями волнового вектора k . Поляритоны изрезервуара могут вынужденным (стимулированным) образом переходить восновное состояние на верхней и нижней поляритонных ветках ( k  0 ),поскольку именно эти состояния макроскопически заселены в результатедействия начального импульса.Для описания динамики подсистемы поляритонов верхней и нижнейдисперсионных ветвей используется подход матрицы плотности размерности2 2,длякоторойдиагональныеэлементыописываютнаселенностиполяритонных состояний, а недиагональные отвечают за относительную фазумежду верхним и нижним поляритонными состояниями [8]. Данный подходпозволяет перейти к кинетическим уравнениямдля компонент векторапсевдоспина  рассматриваемой двухуровневой системы (Раби осциллятора),длина которого нормирована на общее количество поляритонных частиц N .Последняя величина, в свою очередь, не сохраняется из-за взаимодействияполяритоннойподсистемыснекогерентнымрезервуаром,описываемымкинетическим уравнением на число частиц N R .

При этом под резервуаром вобобщенном виде понимаются все поляритонные состояния, для которыхсоставляющая волнового вектора, лежащая в плоскости микрорезонатора, неравна нулю. Влияние резервуара учтено в виде кинетических слагаемых,ответственных за вынужденные переходы частиц из резервуара в Рабиосциллятор (вероятность которых пропорциональна W1,2in , где индекс «1»соответствует нижнему состоянию, а индекс «2» - верхнему) и обратно(вероятность которых пропорциональна W1,2out ). Используемый подход позволяетявным образом учесть бозонную природу вынужденных переходов, когдаскорость перехода в конечное состояние пропорциональна не числу частиц N i вданном состоянии, а N i  1 .

Поэтому уравнения для населенностей также имеютвид полуклассических уравнений Больцмана.- 13 -За потерю когерентности и затухание Раби-осцилляций ответственныдиссипативныепроцессы,вкладкоторыхучитываетсявведениемсоответствующих релаксационных слагаемых, отвечающих за релаксациюнаселенностей поляритонных состояний, а также за дополнительную релаксациинедиагональных элементов матрицы плотности.Используемое представление наглядным образом демонстрирует эффектувеличения времени жизни осцилляций Раби.

Согласно предложенной моделивремя затухания осцилляций определятся временем релаксации  R поперечныхкомпонент вектора псевдоспина  x и  y . При этом анализ стационарныхрешений системы показывает, что чем больше мощность внешней накачки P , темболеевыраженисследуемыйэффект.Другимключевымпараметром,определяющим эффективность увеличения времени когерентности, являетсясоотношение скоростей вынужденных переходов из резервуара на верхнюю инижнюю ветвиW2in / W1in . Получено наглядное выражение, описывающеезависимость времени жизни осцилляций от параметров системы.Если скорости затухания поляритонных состояний верхней и нижней ветвейравны, что может быть достигнуто в столпообразных микрорезонаторах(micropillars), время жизни осцилляций Раби может быть увеличено вплоть донаносекунд (в отсутствии резервуара осцилляции затухают на пикосекундноммасштабе).

В то же время, для плоских микрорезонаторов характерно присутствиедополнительной релаксации верхнего поляритонного состояния. В таких системахданный процесс будет определяющим образом влиять на время затуханияосцилляций. Для компенсации разных времен жизни поляритонов верхней инижней веток предложено подстраивать частоту внешней накачки таким образом,чтобы она была близка к резонансу с верхней поляритонной веткой. При этомскорость заселения верхней ветки из резервуара оказывается выше скоростипереходов на нижнюю ветвь, что способствует компенсации дополнительныхпотерь для верхнего состояния.- 14 -В третьей главе было исследовано проявление квантовых свойств(псевдоэрмитовости экситон-фотонной системы в присутствии нерезонанснойнакачки) в динамике Раби осцилляций, а также влияние на нее нелинейныхэффектов.