Моделирование бистабильного оптического отклика планарного полупроводникового микрорезонатора

Аннотация

Целью работы является изучение теоретических методов описания оптической бистабильности в брэгговских микрорезонаторах. В работе рассматривается феноменологический метод описания оптической бистабильности за счет нелинейного сдвига резонансной частоты экситона с ростом интенсивности резонансной накачки (т.н. синего сдвига экситона), а также альтернативного механизма, за счет ослабления силы экситонного осциллятора. Второй механизм менее исследован в литературе, поскольку до сих пор экспериментальное исследование экситон-поляритонных эффектов бистабильности и мультистабильности проходило, в основном, в брэгговских микрорезонаторах с экситонами Ванье — Мотта большого радиуса, в которых эффекты синего экситонного сдвига являются доминирующими. Однако в последнее время интерес исследователей привлекли структуры, содержащие т.н. Ван-дер-Ваальсовые полупроводниковые слои (двумерные слои дихалькогенидов переходных металлов). В таких системах, из-за эффекта диэлектрического усиления экситона, экситоны связаны сильнее, их размеры меньше, и их свойства оказываются ближе к свойствам экситонов Френкеля. В частности, можно ожидать большей роли ослабления с ростом интенсивности накачки силы экситонного осциллятора. В работе с помощью оптической матрицы рассеяния решены уравнения Максвелла для брэгговского микрорезонатора, содержащего в активной области квантовую яму с квазидвумерными экситонами, с нелинейным эффектом ослабления силы осциллятора с ростом интенсивности экситонной поляризации. Продемонстрировано возникновение оптической бистабильности, найдены диапазоны параметров системы и интенсивности света, при которой возможно наблюдение бистабильности из-за уменьшения экситонной силы осциллятора.

Полученные результаты

В результате выполнения работы был исследован и смоделирован оптический бистабильный отклик планарного полупроводникового микрорезонатора с нелинейной экситонной поляризацией квантовой ямы от внешнего поля по механизму уменьшения силы осциллятора. Построены S-образные зависимости |P|²(|E_ext|²) из двух подходов: микроскопического формализма матрицы рассеяния для решений уравнений Максвелла для брэгговского микрорезонатора с квантовой ямой и системы макроскопических уравнений Максвелла и Шредингера с нелинейной связью поля и поляризации для модельной системы в резонансном приближении. При наложении двух S-образных кривых были подобраны частоты и коэффициенты для макроуравнений, и, таким образом, последние описывают заданный микрорезонатор.

Были получены спектры пропускания микрорезонатора, найдены полосы матрицы рассеяния, соответствующей микрорезонатору, смоделированы распределения электрических полей в микрорезонаторе с/без квантовой ямы с нелинейным экситоном.