Введение к работе
Актуальность темы Физика низхоразмерных систем и систем с брэгговским ограничением света является в настоящее время бурно развивающимся направлением полупроводниковой науки. Как ннзкоразмерные объекты ( квантовые ямы, квантовые провода, квантовые точки ),так и структуры с брэгговским ограничением света широко используются для создания различных устройств телекоммуникационной техники, причем низкоразмерные объекты играют роль активной среды, а брэгговские отражатели в них исполняют функции собственно зеркала , но не активной среды [1]. Естественной выглядит попытка использовать брэгговскую структуру и в том, и в другом качестве, однако единственный шаг, который был сделан в этом направлении к настоящему времени, - это изготовление GaAs/AlAs брэгговских отражателей, рассчитанных на длины волн, где GaAs обладает заметным логдощением.и описание их оптических свойств .
Новым классом объектов, технологически реализованным в начале 90-х годов, являются полупроводниковыг микрорезонаторы с квантовыми ямами, структуры, в которых локализованные в квантовых ямах носители заряда взаимодействуют с локализованной в резонаторе Фабри - Перо оптической модой [2,3]. В последние годы появился ряд экспериментальных работ по оптической спектроскопии михрорезонаторов, однако расшифровка оптических спектров таких объектов является весьма сложной задачей, и до последнего времени не было получено теоретического описания спектров отражения, поглощения и пропускания света от таких структур, оставалось неясным, как влияют параметры резонатора и экситона на форму спектральных линий, их чягчо. Теоретический анализ до недавнего времени ограничивался рассмотрением взаимодействия оптических мод с экситонами в метсрорезояаторах рамками теории возмущений , моделью связані х осцилляторов и т.п. [4,5], хотя вопрос взаимодействия света с квантоворазмериыми объектами был решен в рамках теории нелокального диэлектрическ го отклика [6,7].
Методика расчета распространения света через слоистую среду изложена в [Я].
Следует также отметить что с настоящему времени выполнены отдельные
эксперименты [9] и теоретические исследования [10] взаимодействия объемного
зкситона и локализованной оптической моды в кшсрорезонаторе , однако целый рад
вопросов остался невыясненным: например, какова зависимость наблюдаемых свойств
системы от величины нерадиационного затухания экситопа?
Перечисленные выше проблемы оптики полупроводников определяют актуальность темы лиссертзштнной работы, целью которой являлось изучение влияния зкситонного и межзонного поглощения, света в брэгговских отражателях и теоретическое описание взаимодействия экситоиных состояний с локализованной оптической модой в полупроводниковых микрорезонаторах.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
- показана возможность усиления экситонной модуляции спектра отражения в
брэгговских структурах;
-получено дисперсионное уравнение для продольных и поперечных поляритонов в микрорезонаторе;
- рассмотрено взаимодействие локализованной оптической моды с объемным
экситоном в пагупроводнюсовом микрорезоигторе при нормальном и наклонном
падении света s- и р- поляризаций, для соответстя^кзщего поляритона была рассчитана
зависимость величины расщепления от силы осциллятора н нерадиационного затухания,
проиллюстрирован переход режим сильной связи - режим слабой связи;
были рассчитаны спектры отражения пропускания и поглощения света полупроводниковым микрорезонатором с одной или несколькими квантовыми ямами при нормальном и наклонном падении света для s- и р- поляризаций;
рассчитана тонкая структура линии поляритона , образованного el-Ihl зкситонным переходом и локализованной оптической модой в р- поляризации при
наклонном падения света, что в спектрах отражения и погяоїдания может проявляется как триплет,
проанализированы свойства микрорезонагора с цепочкой брэгтовским образом упорядоченных одинаковых квантовых ям в полости, показано, что при расположении N квантовых ям в пучностях поля спектр имеет двухмодовую структуру , а расщепление увеличивается в '-JW раз.
показано, что при антибрэгговеком расположении двух квантовых ям или двух "брэгговских" наборов квантовых ям поляритонный спектр характеризуется появлением третьей моды, которую можно наблюдать в спектрах отражения и поглощения света;
- установлено, что дифракция света на решетке квантовых проводов в
микрорезонаторе может приводить к появлению дополнительных собственных мод;
Научная н практическая значимость работы состоит в том, что в ней разработана методика, позволяющая рассчитывать спектры отражения, пропускания и поглощения света полупроводниковыми микрорезонатррамн с встроенными в них квантоворазмерными объектами при нормальном и наклонном падении света s-. и р-поляризации, по измеренным экспериментальным спектрам прешоконно определять параметры экситоновд также рассчитывать дисперсию поляритонов в микрорезонаторах.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на Международном симпозиуме по наноструктурам (1995, Репино, Россия), Международной Конференции по Гетероэпитаксин Полупроводников (1995 , Монпелье, Франция), а также на семинарах ФТИ им А.Ф. Иоффе и универа етов городов Монпелье, Регенсбурга, Павии. Публижашш^Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах (том числе 7 статей в научных журналах и 3 в материалах конференций)
Структура и об-ьем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 плав и заключения, изложенных на страницах машинописного текста. Дигсертация включает также 34
рисунка.
Основные положения, выносимые ка зашиту:
-
Амплитуда экситонной модуляции спектра отражения света в брэгговских структурах может быть существенно усилена по сравнению со спектром отражения полубесконечным слоем.
-
Коэффициент отражения бесконечного брэгговского отражателя немонотонно зависит от уровня поглощения, достигая минимума, соответствующего переходу от режима брэгговского отражения к режиму металлического отражения.
-
В результате взаимодействия объемного экситона и локализованной оптической моды в полупроводниковом микрорезонаторе возникают двумерные поляритонные моды. При изменении силы осциллятора экситона имеет место переход от режима слабой связи к режиму сильной связи, что сопровождается переходом от одаомодового к двухмодовому поведению в спектре отражения.
4. В спектрах отражения, пропускания и поглощения света полупроводниковым
мжрорезонатором с одной квантовой ямой в случае взаимодействия локализованной
оптической моды с el-hhl-экситоиом содержится одна . или две особенности в
резонансной области, в случае взаимодействия с el-lhl-экситоном - от одной до трех
особенностей в зависимости от параметров иикроргаонатора и квантовой ямы, а также
взаимной ориентации поляризации света и осей симметрии структуры.
-
При резонансны? условиях микрорезонатор с N одинаковыми квантовыми ямами характеризуется в общем случае N + 1 полярктониыми модами, однако при брэгтовсхом упорядочении квантовых ям и расположении 'и% в пучностях поля в полости поляритонный спектр выгладит как результат ьзэимодействия одного экситона с локализованной оптической модой, причем величина расщепления увеличивается примерно в -JN раз.
-
При антнбрэгговском расположении двух квантовых ям или двух "брэгговских" наборов квантовых ям поляритон ш спектр характеризуется появлением третьей моды, которую можно наблюдать в спектрах отражения к поглощения света.
-
При антибрэгговсхом расположении двух квантовых ям или двух "брэгговских" наборов квантовых ям поляритонный спектр характеризуется появлением третьей моды, которую можно наблюдать в спектрах отражения и поглощения света.
-
Взаимодействие локализованной оптичесхой моды с двумя близкими по энергии экситонными резонансами приводит к трехмодовому поведению в спектрах отражения и двойному антяпересеченио в дисперсионных кривых,
-
Дифракция света на решетке квантовых проводов в полости резонатора может приводить к появлению дополнительных собственных мод. Им соответствуют волны, распространяющиеся і направлениях, отличных от направления начальной волны. В оптических спектрах может проявляться разное количество особенностей, от одной до четырех.