WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 11 Взаимодействие когерентных оптических связанных мод в близко расположенных трехмерных ZnO-микрорезонаторах цилиндрической формы © А.Н. Грузинцев¶, В.Т. Волков, М.А. Князев, Е.Е. Якимов Институт проблем технологии микроэлектроники Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия (Получена 23 января 2006 г. Принята к печати 29 марта 2006 г.) Исследованы люминесцентные свойства пар двух близко расположенных трехмерных ZnO-микрорезонаторов цилиндрической формы диаметром 1.8 мкм с разными расстояниями между ними, полученных методом электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления. Обнаружены узкие пики свечения в экситонной области спектра оксида цинка, обусловленные одномодовой лазерной генерацией.

Проведен теоретический расчет энергии обменного взаимодействия связанных мод двух микрорезонанторов в зависимости от расстояния между ними. Обнаружено уширение линии стимулированной ультрафиолетовой люминесценции на связанных фотонных модах двух микрорезонаторов при их сближении.

PACS: 78.45.+h, 78.66.Hf, 42.60.Da 1. Введение лишь в резонаторах микрометрового размера. Авторами [6,7] предложено использовать связанные или слабо В последние годы широкозонный полупроводник ZnO связанные квантовые моды трехмерных фотонных точек (ширина запрещенной зоны Eg = 3.37 эВ) интенсивно для лазерной генерации полупроводниковых лазеров.

исследуется в связи с перспективой создания на его В этом случае полупроводник в форме параллелепипеда, основе коротковолновых полупроводниковых лазерных цилиндра или шара с размером порядка световой длины диодов. Благодаря большой энергии связи экситона в ок- волны, помещенный в прозрачную среду с меньшим сиде цинка, 60 мэВ, удалось получить стимулированную показателем преломления, имеет несколько связанных экситонную люминесценцию на объемных монокристал- состояний — мод для излучаемого им света. Время лах [1,2] и эпитаксиальных пленках [3,4] не только при жизни моды определяет добротность микрорезонатора криогенных температурах, но и вплоть до 550 K. и порог оптической накачки для стимулированного Лазерное излучение с длиной волны 397 нм было излучения. В работе [8] исследованы люминесцентполучено нами [5] на поликристаллических неэпитакси- ные свойства тонкопленочных ZnO-микрорезонаторов альных пленках ZnO, нанесенных методом магнетрон- цилиндрической формы диаметром от 0.3 до 2.7 мкм, ного распыления на окисленные подложки кремния. полученных методом электронно-лучевой литографии и Стимулированная люминесценция наблюдалась при ком- реактивного ионного травления. Обнаружены узкие пики натной температуре в области рекомбинации электрон- свечения в экситонной области спектра оксида цинно-дырочной плазмы при оптическом возбуждении им- ка, обусловленные лазерным квантованием фотонных пульсным азотным лазером. При этом пороговая мощ- волновых функций. Показано возникновение стимулиность накачки была довольно высока и составля- рованной ультрафиолетовой люминесценции на связанных фотонных модах микрорезонаторов для плотности ла 35 МВт/см2. Столь большая величина обусловлена возбуждения более 0.3 МВт/см2. Удалось уменьшить не только поликристаллическим характером пленки, пороговую мощность более чем на 2 порядка величины но и отсутствием обратной связи вдоль пленки для по сравнению с одномерным резонатором — пленкой [5].

стимулированных квантов света. Имеется резонатор В данной работе мы рассмотрим влияние обменного Фабри–Перо с полным внутренним отражением на верхвзаимодействия связанных оптических мод двух трехней и нижней гранях пленки с однопроходной лазерной мерных микрорезонаторов ZnO (диаметром 1.8 мкм) генерацией в горизонтальной плоскости. Для понижения цилиндрической формы, расположенных на различном порога лазерной генерации желательно изготовить резорасстоянии друг от друга, на спектральную форму стинаторы с зеркалами на боковых гранях структуры, что мулированного экситонного излучения при оптическом требует наличия ровных сколов оптического качества.

возбуждении.

Однако существует другой технологический путь изготовления трехмерных резонаторов высокой добротности для полупроводниковых лазеров. Дело в том, что 2. Эксперимент ввиду малого времени жизни ( 10 пс) возбужденных экситонных состояний полупроводниковой среды многоТонкопленочные ZnO-микрорезонаторы цилиндричепроходный режим лазерной генерации может развиться ской формы диаметром 1.8 мкм и высотой 0.25 мкм ¶ были получены методом электронно-лучевой литограE-mail: gran@ipmt-hpm.ac.ru фии и реактивного ионного травления в плазме аргоВзаимодействие когерентных оптических связанных мод в близко расположенных трехмерных... выделения эффектов квантования и обменного взаимодействия фотонных состояний трехмерных микрорезонаторов исследовались также образцы в виде сплошной пленки ZnO–SiO2–Si и в виде массива изолированных цилиндров диаметром 1.8 мкм той же высоты.

Спектры люминесценции исследовались при возбуждении импульсным азотным лазером с длиной волны излучения 337.1 нм, длительностью импульса 9 нс и пиковой мощностью 1.5 кВт. Лазерный луч фокусировался в пятно диаметром 0.2 мм, что обеспечивало плотность оптического возбуждения I0 = 5МВт/см2. Спектры фотолюминесценции пар микрорезонаторов с различным расстоянием между ними исследовались при комнатной температуре и различной мощности накачки. Для этого между образцом и лазером помещался поглотитель света с заданным коэффициентом пропускания.

Возбуждающий свет лазера падал на микрорезонаторы перпендикулярно их поверхности, а люминесценция регистрировалась под углом 45, что уменьшало вклад отраженного лазерного излучения. Люминесценция регистрировалась с помощью монохроматора МДР-23, фотоумножителя ФЭУ-106 и усилителя переменных сигналов „Unipan-237“, соединенного с компьютером.

Спектральное разрешение во всех экспериментах было не хуже 0.2 нм.

3. Результаты и их обсуждение Экспресный и неразрушающий метод ФЛ в сочетании с расчетами является весьма информативным для исследования квантовых свойств нанообъектов. Спектры ФЛ изолированных микроцилиндров ZnO представлены на рис. 2 в сравнении со спектром сплошной пленки. Как видно, спектры при одинаковой плотности мощности Рис. 1. Изображение массива пар цилиндрических микрорезолазерного возбуждения 0.4 МВт/см2 существенно разлинаторов ZnO диаметром 1.8 мкм, снятое в электронно-лучевом чаются. В отличие от пленки ZnO (рис. 2, кривая 1) микроскопе, с расстоянием между циллиндрами в паре: 0 (a) спектры экситонной ФЛ микроцилиндров (кривая 2) и 0.3 мкм (b).

имеют тонкую структуру, обусловленную наличием связанных и слабо связанных мод трехмерных резонаторов с положениями максимумов при 3.26, 3.31, 3.35 и 3.38 эВ.

на предварительно отожженных структур ZnO–SiO2–Si, На одной из этих мод (3.26 эВ) возникает лазерная полученных методом магнетронного распыления [5,8].

генерация при увеличении мощности лазерного возбужИонное травление позволяло получать вертикальные дения (кривая 3). Оценки энергетического положения стенки цилиндрических микрорезонаторов, из которых связанных мод в трехмерных микрорезонаторах цилинформировались пары с разным расстоянием между содрической формы в приближении абсолютно зеркальных седними цилиндрами: 0, 0.1, 0.2 и 0.3 мкм. На рис. границ приведены в работе [7]:

представлены изображения массива из 100 пар микрорезонаторов диаметром 1.8 мкм (вид сверху), полученные En,n,nr = {( c2/)[(nz + 1)/L]z с помощью электронно-лучевого микроскопа. В данном 2 случае расстояние между цилиндрами пары составля- +( c2/)n,nr /r2}1/2, (1) ло 0 мкм (рис. 1, a) и 0.3 мкм (рис. 1, b). Массивы где, L и r — диэлектрическая проницаемость, высота из 10 10 одинаковых пар цилиндрических фотонных и радиус микроцилиндра, nz = 0, 1, 2,... —число поточек были изготовлены на площади 100 100 мкм2, приблизительно равной площади фокусного пятна воз- луволн света вдоль высоты цилиндра, а n,nr —нули буждающего лазера. Массив одинаковых пар формиро- цилиндрической функции Бесселя с соответствующими вался для увеличения интенсивности сигнала их фото- значениями азимутального и радиального квантовых люминесценции (ФЛ) при оптических измерениях. Для чисел. Формула (1) дает лишь приближенные значения Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1404 А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, М.А. Князев, Е.Е. Якимов энергий, так как из-за неполной зеркальности стенок цилиндра для света даже при его полном внутреннем отражении часть энергии связанной моды проникает за границу микрорезонатора. Это приводит к росту эффективных размеров микроцилиндра, зависящему в общем случае от квантовых чисел данной моды. Точное решение задачи возможно лишь численными методами [9] для каждого конкретного микроцилиндра. Отметим лишь, что для затухающего светового поля связанной моды вне боковых стенок цилиндра может быть использовано асимптотическое разложение затухающих цилиндрических функций:

=(/)1/2 exp(-)/1/2, (2) где = {2/c2 - (1/)[(nz + 1)/L]2}1/2 — величина волнового вектора затухающей световой волны, — Рис. 2. Спектры фотолюминесценции (PL) пленки ZnO частота света, а — расстояние до оси цилиндра при возбуждении азотным лазером с плотностью мощнорадиуса. При сближении двух цилиндров внешнее сти 0.4 МВт/см2 (1) и массива одиночных микрорезонаторов поле затухающей электромагнитной волны может быть диаметром 1.8 мкм при возбуждении с плотностью мощности 0.4 (2) и 5 МВт/см2 (3). Температура измерения 300 K.

представлено в виде суммы двух волн (2):

1/2 1/ = A exp(-1)/1 + B exp(-2)/2, (3) где 1 и 2 — расстояния до оси первого и второго микроцилиндров, A и B — нормировочные постоянные, а — волновой вектор затухающей волны пары, отличный от волновых векторов 1 и 2 изолированных цилиндров из-за обменного взаимодействия мод. Сохранение граничных условий на поверхности каждого из цилиндров дает уравнение связи собственных частот (волновых векторов) связанных мод пары цилиндров в зависимости от частоты (волновых векторов) мод изолированных цилиндров и расстояния R между цилиндрами в паре:

( - 1)( - 2) =exp(-2R)/{4R(12)1/2}, (4) где 1 и 2 — радиусы микроцилиндров пары. В случае обменного взаимодействия одинаковых мод пары одинаРис. 3. Спектры фотолюминесценции при возбуждении азотковых микроцилиндров 2 = 1 = 0, 1 = 2 = имеем ным лазером с плотностью мощности 5 МВт/см2 массивов пар цилиндрических микрорезонаторов ZnO диаметром 1.8 мкм с ( - 0)2 = exp(-2R)/4R. (5) расстоянием между цилиндрами в паре: 0.3 (1), 0.2 (2), 0.1 (3) и 0 мкм (4). Температура измерения 300 K.

Видно, что уравнение (5) дает два новых волновых вектора — величина одного меньше, второго больше 0, и разность между ними (расщепление моды) увеличивается при уменьшении расстояния между микрорезонаторасположенных цилиндрических трехмерных микрорерами в паре.

зонаторов ZnO может быть объяснено расщеплением Экспериментально это наблюдается в спектральной связанной моды на два состояния, разность собственных форме линии лазерной генерации пар микроцилинэнергий которых зависит от расстояния между резонатодров ZnO (рис. 3). При большом расстоянии между рами.

цилиндрами в паре, 0.3 мкм (кривая 1), спектр их стимулированной люминесценции практически совпадает со спектром свечения изолированных микроцилиндров 4. Заключение того же диаметра (рис. 2, кривая 3). С уменьшением расстояния между цилиндрами в паре (рис. 3) наблю- В заключение укажем возможность применения обнадается уширение линии лазерной генерации в несколько руженного эффекта расщепления связанных фотонных раз именно из-за обменного взаимодействия связанных состояний трехмерных микро- и нанорезонаторов в кванмод (5). Таким образом, обнаруженное изменение спект- товых вычислениях. Получение одномодовой лазерной ра одномодового режима лазерной генерации пар близко генерации в резонаторе дает когерентное фотонное Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Взаимодействие когерентных оптических связанных мод в близко расположенных трехмерных... состояние большой интенсивности при комнатной температуре. В паре близко расположенных резонаторов имеется уже два когерентных фотонных состояния, разность частот которых определяется величиной слабого обменного взаимодействия мод. На основе этих двух состояний возможно создание кубита квантового компьютера с управляемой фазой. Величину слабой связи (расщепления) между модами цилиндров в электрооптическом материале ZnO можно регулировать внешним электрическим полем.

Данная работа была выполнена при финансовой поддержке Программы РАН „Квантовые вычисления“ и грантов РФФИ (проекты № 04-02-16437 и № 05-02-39010).

Список литературы [1] J.M. Hvam. Phys. Rev. B, 4, 4459 (1971).

[2] C. Klingshirn. Adv. Mater. Opt. Electron., 3, 103 (1994).

[3] D.M. Bagnall, Y.F. Chen, M.Y. Shen, Z. Zhu, T. Goto. J. Cryst.

Growth, 184/185, 605 (1998).

[4] Z.K. Tang, G.K. Wong, P. Yu, M. Kawasaki, A. Ohotomo, H. Koinuma, Y. Segawa. Appl. Phys. Lett., 72, 3270 (1998).

[5] A.N. Gruzintsev, V.T. Volkov, C. Barthou, P. Benalloul, J.-M. Friqerio. Thin Sol. Films, 459, 262 (2004).

[6] M. Obert, B. Wild, G. Bacher, A. Forhel, R. Andre. Phys. Status Solidi A, 190, 357 (2002).

[7] T. Gutbrod, M. Bayer, A. Forhel, J.P. Reithmaier, T.L. Reinecke, S. Rudin, P.A. Knipp. Phys. Rev. B, 57, 9950 (1998).

[8] А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, С.В. Дубонос, М.А. Князев, Е.Е. Якимов. ФТП, 38, 1473 (2004).

[9] A.V. Maslov, C.Z. Ning. Appl. Phys. Lett., 83, 1237 (2003).

Редактор Л.В. Шаронова Coherent binding optical modes interaction of two neighbouring three-dimensional ZnO-microresonators of a cylinder shape A.N. Gruzintsev, V.T. Volkov, M.A. Knyasev, E.E. Yakimov Institute of Microelectronics Technology Problems, Russian Academy of Sciences, 142432 Chernogolovka, Russia

Abstract

Luminescent properties of pairs of two neighbouring three-dimensional ZnO microresonators, having a cylinder shape with the diameter of 1.8 µm and a different distance between resonators, obtained by electron-beam lithography and by dry ion plasma methods, have been studied. Narrow peaks of the zinc oxide emission in the excitionic spectral range, related to the one photon binding modes lasing, have been detected. A theoretical calculation of the two microresonators binding modes exchange interaction as a function of the resonator spacing was made.

Broadening of the binding photon modes gas been observed when the microresonators spacing decreasing.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.