:::
瀏覽人次:
17820
微共振腔極化子雷射
在微觀物理中，當半導體中的電子與電洞藉由庫倫作用力耦合而形成的準粒子稱為激子(Exciton)，此激子與光子(Photon) 在微共振腔中可介由強耦合(Strong coupling)作用形成同時具有光與物質特性的準粒子--極化子。極化子不但具有非常微小的有效質量(Effective mass)，也具有玻色子(Boson)的物理特性。此波色子的特性使得微共振腔極化子透過玻色-愛因斯坦凝聚的特性放出同調光，稱為極化子雷射。極化子雷射由於不需要滿足傳統光子雷射的居量反轉(Population inversion)條件，可在極低閾值下達成同調光輸出。在實際應用的方面，極化子雷射雖然擁有相較於傳統雷射較低的閾值能量，但極化子的產生是相當脆弱的，當激發能量增加時物質與光之間的耦合作用會被破壞，因此極化子雷射不適於高能控制。但其好處是可以利用外加電磁場與雷射控制，極高的可操控性與快速反應使得極化子雷射在未來光學積體電路上光源以及調變器的應用極具潛力。
由於VCSEL共振腔長僅數百奈米，屬於微共振腔的ㄧ種，在此維度下物質與光的交互作用將會增強有利於微共振腔極化子的產生。通常要具有實用性的元件須滿足兩大特點1.室溫操作2.電流激發。但強耦合的條件相當嚴苛，要達成此兩個條件相當不易。光激發的極化子雷射早在2000年開始就已經成功在低溫下觀察到，直到在2007年，英國南安普敦大學的Christopoulos等人才首次以光激發型式成功的在氮化鎵微共振腔中實現室溫操作的極化子雷射。其主要原因是因為早期的微共振腔多使用製程技術相當成熟的GaAs材料系統，但GaAs系統的激子束縛能僅有數個meV，而室溫熱擾動的能量則高達26meV，激子容易受熱擾動能量影響而解離成電子電洞對而消失，因此GaAs材料系統的微共振腔難以在室溫下有穩定的極化子產生。也因此許多寬能隙半導體例如氮化鎵以及氧化鋅(ZnO)等具有高激子束縛能的材料變成為了實現室溫操作極化子元件的熱門選項。
相較於光激發系統，電激發極化子元件的發展卻相對緩慢，到2008年才有第一個電激發的GaAs微共振腔極化子發光二極體被製作出來。在2011年本實驗室研究團隊也成功利用高品質的微共振腔首次在氮化鎵系統實現室溫電流激發的極化子二極體，朝實用性元件又邁進一步。有趣的是在2013年5月中德國的Schneider以及美國密西根大學的Bhattacharya等人在先後兩天內分別在國際知名期刊Nature以及Physical Review Letters上發表了電激發的砷化鎵(GaAs)極化子雷射，除了基本的樣品結構略有不同外，兩組研究團隊不約而同的使用低溫強磁場的系統進行量測並觀察到兩個閾值，一為極化子雷射的閾值另一為光子雷射的閾值。這些結果無疑地將刺激更多對極化子雷射與其相關應用的研究。為了實現實用的極子雷射的目標，在室溫操作的電激發操作便顯得格外重要。因此，氮化鎵微共振腔已被視為最有希望達到此目標的系統，因為其激子束縛能較室溫熱能量大，有助於極化子在室溫下的穩定操作。在2014年6月，Bhattacharya等人使用了嶄新的垂直注入橫向氮化鎵共振腔的方式實現了首次的室溫電激發氮化鎵極化子雷射並觀察到了雙閾值的雷射現象(一為極化子之雷射閾值另一為光子雷射閾值)。但是此共振腔製作不易，仍有相當大的改良空間。但可預期的是此蓬勃發展的極化子領域在未來的幾年其物理特性以及相關應用將會有顯著的進步並且有機會朝向可商業化的實用性元件邁進。
