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氧化锌微共振腔极化激元激光器

导读: 宽能隙材料具有较大的激子束缚能与耦合强度,可以在室温中观察到由微共振腔光子与半导体激子间强耦合作用所形成之激子极化激元。

  宽能隙材料具有较大的激子束缚能与耦合强度,可以在室温中观察到由微共振腔光子与半导体激子间强耦合作用所形成之激子极化激元(Exciton-polariton),在探讨光与物质间交互作用的研究上具有极大的发展潜力。激子极化激元的波色子特性以及极低的有效质量可以在较高的临界温度达到玻色-爱因斯坦凝聚并自发放射出同调光子,此不需要达到居量反转的条件下即可放射出同调光的过程称为极化激元激光器(Polariton laser),其临界能量远低于传统的光子激光器(Photon laser)组件。氧化锌(ZnO)材料具有相当大的共振强度与激子束缚能(~60meV)一直被视为最适合被用来实现室温微共振腔极化激元激光器的材料系统。

  在先前的研究报导中已经有多个研究团队在室温下成功观察氧化锌微共振腔极化激元的存在。在最近,已经有国外的团队成功地在氧化锌微共振腔中实现了极化激元激光器,但其操作温度却只在120K的低温下,对于未来在极化激元组件的实际应用上的进展有限。来自台湾交通大学的卢廷昌教授团队日前成功的利用混合型的氧化锌微共振腔结构在室温下达成超低阈值的极化激元激光器,其阈值功率密度较同一样品上的光子激光器低了一个数量级之多。

  此微共振腔是由有机金属化学气相沉积系统(MOCVD)所外延生长的分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector, DBR)、3/2波长厚度的氧化锌有源层以及电子枪蒸镀的介质DBR。可通过不同的氧化锌层厚度在同一片样品上达成不同的激子-光子调变参数(exciton-photon detuning, δ)来达到调控极化激元特性的目的。接着利用角度解析光致发光(Angle-resolved Photoluminescence, ARPL)技术去测量出极化激元色散曲线。

  测量结果显示在 δ = -119 meV时,随着激发光强度增强极化激元发光波长会由于极化激元-极化激元间散射而随之蓝移,在色散分布上高能量的极化激元也会因为极化激元间的散射而朝能量低的部分驰豫并达到极化激元激光器。在 δ = -45 meV时,由于注入载子密度高于氧化锌的激子饱和密度使的激子解离成为电子空穴对而脱离强耦合条件,并形成传统的光子激光器。此外,由线宽加宽、色散曲线的蓝移以及偏振态的不同都可以来说明极化激元激光器以及传统的光子激光器间发光机制的差异。此结果使我们对于氧化锌微共振腔的光与物质间交互作用有更多的理解,此结果对未来实现低功耗的紫外同调光源以及具实用价值的极化激元光电组件有着很大的影响力。

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