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2012 Fiscal Year Annual Research Report

多体クーロン相互作用を含む利得理論計算の実用化と高品質量子細線レーザーによる検証

Research Project

Project/Area Number 23360135
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

秋山 英文  東京大学, 物性研究所, 准教授 (40251491)

Project Period (FY) 2011-04-01 – 2014-03-31
Keywords量子細線 / 半導体レーザー / 光学利得 / 多体効果 / 理論計算
Research Abstract

キャリア間多体クーロン相互作用を平均場近似で取り入れたレーザーのモード利得を定量的に計算する理論の定式化とコード化を進めた。計算パラメータをk・p 摂動論に基づいて決定し、1 次元量子細線系と2 次元量子井戸系用の定量計算コードを、Linux マシン上のFortran数値計算コードとして完成させた。また、等価な計算をMathematica上のコードに作り直した。遮蔽されたクーロン相互作用の波数依存性を無視する近似を行うと解析的に処理できる部分が増えて計算が容易になり、しかも計算結果を大きくは変えないということが解ってきたので、この方式での半定量計算の定式化とコード化も開始した。普及しているTDDFT計算用の量子化学計算ソフトGaussianを用いた量子化学計算も行った。上記の計算コードの使い勝手向上に役立てた。
実験では、2点励起内部発光減衰透過計測法を開発し、オリジナルの顕微分光計測系を用いてその実証実験を行った。さらに、ハッキ-パオリ-キャシディ法と組み合わせた評価計測により、ダイナミックレンジの高い利得吸収スペクトルの精密定量測定を確立した。高品質T 型量子細線レーザー素子をMBEへき開再成長法により、また3周期量子井戸レーザー素子をMBE成長・フォトリソグラフィー・ドライエッチングにより作製した。さらに10周期量子井戸やパラメータを変えた量子井戸レーザーのMBE成長までを行った。これらの試料に、上記定量計測法を適用し、得られた定量的利得スペクトルやピーク利得値について、理論計算との比較を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

実験データを理論計算と比較するに当たり、キャリアの温度を決定する必要があり、その試行錯誤を行ってきたが、その結果ケナード・ステファノフ関係式(詳細平衡関係式、久保・マーティン・シュヴィンガー関係式、ルーズブルック・ショックレー関係式など分野によって様々な呼ばれ方がされている)という関係式を手がかりに、キャリア温度やさらには非平衡分布を評価する優れた方法が見出された(論文投稿・受理決定済み)。
また、比較検討のため進めてきたTDDFTの理論計算でも、計算結果に一部実験結果から得られた補正を加えることにより、pH変化に伴い複数のイオン化状態の平衡が存在し濃度変化する溶液中分子の濃度をけっている方法が見出され、生物発光のpHに伴う色変化のスペクトル解析に有用な結果が得られた。

Strategy for Future Research Activity

当初計画どおりに、1 次元量子細線系と2 次元量子井戸系用のキャリア間多体クーロン相互作用を平均場近似で取り入れ、レーザーのモード利得を定量的に計算する理論の数値計算コードの開発・試用と、理論により得られた定量的利得スペクトルやピーク利得値を実験と比較して検証する方針で研究を進める。これまでよりも更に高品質を持つT 型量子細線レーザー素子、量子井戸レーザー素子を作製し、利得吸収スペクトルの精密定量測定を行い、計算と比較をする。研究の進捗により新たに見出されてきた、非平衡分布の寄与や、TDDFT理論計算の優れた点を考慮に入れつつ、基礎研究を推進する。

  • Research Products

    (34 results)

All 2013 2012

All Journal Article (12 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (22 results)

  • [Journal Article] Gain-switched pulses from InGaAs ridge-quantum-well lasers limited by intrinsic dynamical gain suppression2013

    • Author(s)
      Shaoqiang Chen, Masahiro Yoshita, Takashi Ito, Toshimitsu Mochizuki, Hidefumi Akiyama,and Hiroyuki Yokoyama
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: Vol. 21, Issue 6 Pages: 7570-7576

    • DOI

      10.1364/OE.21.007570

  • [Journal Article] Blue 6-ps short-pulse generation in gain-switched InGaN vertical-cavity-surface-emitting lasers via optical pumping2012

    • Author(s)
      Shaoqiang Chen, Makoto Okano, Baoping Zhang, Masahiro Yoshita, Hidefumi Akiyama, and Yoshihiko Kanemitsu
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett

      Volume: 101 Pages: 191108

    • DOI

      10.1063/1.4766290

  • [Journal Article] Biexciton Luminescence from Individual Isoelectronic Traps in Nitrogen Delta-Doped GaAs2012

    • Author(s)
      Kengo Takamiya, Toshiyuki Fukushima, Shuhei Yagi, Yasuto Hijikata, Toshimitsu Mochizuki, Masahiro Yoshita, Hidefumi Akiyama, Shigeyuki Kuboya, Kentaro Onabe, Ryuji Katayama, and Hiroyuki Yaguchi
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 5 Pages: 111201

    • DOI

      10.1143/APEX.5.111201

  • [Journal Article] Electrical and Optical Properties of GaNAs/GaAs MQW p-i-n Junctions2012

    • Author(s)
      Kohei Arimoto, Masahiro Shiraga, Hideto Shirai, Shunsuke Takeda, Masato Ohmori, Hidefumi Akiyama, Toshimitsu Mochizuki, Kenzo Yamaguchi, Hayato Miyagawa, Noriaki Tsurumachi, Shunsuke Nakanishi, and Shyun Koshiba
    • Journal Title

      Transactions of the Materials Research Society of Japan

      Volume: 37 Pages: 193-196

    • DOI

      10.14723/tmrsj.37.193

  • [Journal Article] Fano-resonance gain by dephasing electron-hole Cooper pairs in semiconductors2012

    • Author(s)
      Kenji Kamide, Masahiro Yoshita, Hidefumi Akiyama, Makoto Yamaguchi, Tetsuo Ogawa
    • Journal Title

      J. Phys. Soc. Jpn

      Volume: 81 Pages: 093706

    • DOI

      10.1143/JPSJ.81.093706

  • [Journal Article] Observation of high Rydberg states of one-dimensional excitons in GaAs quantum wires by magneto-photoluminescence excitation spectroscopy2012

    • Author(s)
      Makoto Okano, Yoshihiko Kanemitsu, Shaoqiang Chen, Toshimitsu Mochizuki, Masahiro Yoshita, Hidefumi Akiyama, Loren N. Pfeiffer, and Ken W. West
    • Journal Title

      Phys. Rev

      Volume: B 86 Pages: 085312

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.86.085312

  • [Journal Article] Applicability of continuum absorption in semiconductor quantum wells to absolute absorption-strength standards2012

    • Author(s)
      Masahiro Yoshita, Kenji Kamide, Hidekatsu Suzuura, and Hidefumi Akiyama
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett

      Volume: 101 Pages: 032108

    • DOI

      10.1063/1.4737900

  • [Journal Article] Metal-to-insulator transition in anatase TiO2 thin films induced by growth rate modulation2012

    • Author(s)
      T. Tachikawa, M. Minohara, Y. Nakanishi, Y. Hikita, M. Yoshita, H. Akiyama, C. Bell, and H. Y. Hwang
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett

      Volume: 101 Pages: 022104

    • DOI

      10.1063/1.4733724

  • [Journal Article] Analysis of gain-switching characteristics including strong gain saturation effects in low-dimensional semiconductor lasers2012

    • Author(s)
      Shaoqiang Chen, Masahiro Yoshita, Takashi Ito, Toshimitsu Mochizuki, Hidefumi Akiyama, Hiroyuki Yokoyama, Kenji Kamide, and Tetsuo Ogawa
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys

      Volume: 51 Pages: 098001

    • DOI

      10.1143/JJAP.51.098001

  • [Journal Article] Waveguide two-point differential-excitation method for quantitative absorption measurements of nanostructures2012

    • Author(s)
      Toshimitsu Mochizuki, Masahiro Yoshita, Shun Maruyama, Changsu Kim, Keisuke Fukuda, Hidefumi Akiyama, Loren N. Pfeiffer, Ken W. West
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys

      Volume: 51 Pages: 106601

    • DOI

      10.1143/JJAP.51.106601

  • [Journal Article] Theoretical Study of Absorption and Fluorescence Spectra of Firefly Luciferin in Aqueous Solutions2012

    • Author(s)
      Miyabi Hiyama, Hidefumi Akiyama, Kenta Yamada, and Nobuaki Koga
    • Journal Title

      Photochemistry and Photobiology

      Volume: 88 Pages: 889-898

    • DOI

      10.1111/j.1751-1097.2012.01126.x

  • [Journal Article] Sub-5-ps optical pulse generation from a 1.55-μm distributed-feedback laser diode with nanosecond electric pulse excitation and spectral filtering2012

    • Author(s)
      Shaoqiang Chen,
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 20 Pages: 24843

    • DOI

      10.1364/OE.20.024843

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 1.55um帯10MHz繰り返しチャープパルス増幅ファイバーレーザー光源の開発2013

    • Author(s)
      伊藤隆,
    • Organizer
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学
    • Year and Date
      20130327-20130330
  • [Presentation] 1.55um帯Erファイバーレーザー光のチャープパルス増幅2013

    • Author(s)
      伊藤隆,
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      20130326-20130329
  • [Presentation] Which forms of oxyluciferin are generated in firefly bioluminescence?2013

    • Author(s)
      王瑜,
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      20130326-20130329
  • [Presentation] ホタル生物発光の温度に依存した色変化の評価2013

    • Author(s)
      望月敏光,
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      20130326-20130329
  • [Presentation] 半導体電子正孔系の光学スペクトルに基づく非平衡励起子密度分布の導出2013

    • Author(s)
      石川陽,
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      20130326-20130329
  • [Presentation] THzパルスを用いたGaAs量子井戸の束縛キャリアの活性化2013

    • Author(s)
      篠北啓介,
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      20130326-20130329
  • [Presentation] 半導体デバイスの動的電子相関” “低次元半導体レーザーの低しきい値光学利得と高速光非線形性” 科研費新学術領域研究「半導体における動的相関電子系の光科学」2012

    • Author(s)
      秋山英文
    • Organizer
      第7回DYCEシンポジウム
    • Place of Presentation
      東京都
    • Year and Date
      20121226-20121226
  • [Presentation] 太陽電池の詳細平衡条件と非平衡性・相互作用効果2012

    • Author(s)
      秋山英文
    • Organizer
      応用物理学会・量子エレクトロニクス研究会
    • Place of Presentation
      長野県・軽井沢・上智大学セミナーハウス
    • Year and Date
      20121221-20121221
  • [Presentation] GaAs単一量子井戸における光励起キャリアの非線形伝導現象2012

    • Author(s)
      篠北啓介,
    • Organizer
      日本物理学会2013年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] Short-pulse generation in gain switched InGaN VCSELs via optical pumping2012

    • Author(s)
      Shaoqiang Chen,
    • Organizer
      日本物理学会2013年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] 半導体レーザーの大電流利得スイッチング動作による光パルス発生2012

    • Author(s)
      横山冬矢、
    • Organizer
      日本物理学会2013年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] GaAs量子井戸レーザーの利得スイッチパルスから評価した光学利得とキャリアの非平衡性2012

    • Author(s)
      伊藤隆、
    • Organizer
      日本物理学会2013年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] Kennard-Stepanov関係式に基づく低温半導体蛍光温度計2012

    • Author(s)
      望月敏光,
    • Organizer
      日本物理学会2013年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] 窒素δドープGaAs中の単一等電子トラップからの発光のフォトルミネッセンス励起分光測定2012

    • Author(s)
      高宮健吾,
    • Organizer
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学
    • Year and Date
      20120911-20120914
  • [Presentation] 利得スイッチ1.55μm DFB-LDからのサブ5ps幅光パルスの発生2012

    • Author(s)
      陳 少強,
    • Organizer
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学
    • Year and Date
      20120911-20120914
  • [Presentation] 量子細線・井戸における非平衡電子正孔系2012

    • Author(s)
      秋山英文
    • Organizer
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学
    • Year and Date
      20120911-20120914
  • [Presentation] Dynamically correlated electron-hole carriers in clean quantum-wire and -well lasers2012

    • Author(s)
      H. Akiyama
    • Organizer
      DYCE International Workshop
    • Place of Presentation
      Kussharo, Hokkaido, JAPAN
    • Year and Date
      20120810-20120810
  • [Presentation] Magneto-photoluminescence excitation spectroscopy in T-shaped GaAs quantum wires2012

    • Author(s)
      Makoto Okano,
    • Organizer
      The International Conference on the Physics of Semiconductors
    • Place of Presentation
      Zurich, Switzerland
    • Year and Date
      20120729-20120803
  • [Presentation] "Kennard-Stepanov relation and non-equilibrium characteristics of photo-excited carriers in semiconductor quantum wells2012

    • Author(s)
      Shun Maruyama,
    • Organizer
      the International Conference on the Physics of Semiconductors
    • Place of Presentation
      Zurich, Switzerland
    • Year and Date
      20120729-20120803
  • [Presentation] Biexciton Emission from Single Isoelectronic Traps Formed by NitrogenNitrogen Pairs in GaAs2012

    • Author(s)
      K, Takamiya,
    • Organizer
      International Conference on the Physics of Semiconductors
    • Place of Presentation
      Zurich, Switzerland
    • Year and Date
      20120729-20120803
  • [Presentation] Spectroscopic study on oxyluciferinluciferase complex in firefly bioluminescent reaction solution and clues to understand the color tuning mechanism2012

    • Author(s)
      Yu Wang,
    • Organizer
      17th International Symposium on Bioluminescence and Chemiluminescence
    • Place of Presentation
      Guelph, Ontario, Canada
    • Year and Date
      20120528-20120602
  • [Presentation] Characteristics and applications of nonlinear gain in low-dimensional semiconductor lasers2012

    • Author(s)
      H. Akiyama
    • Organizer
      DYCE-ASIA Workshop
    • Place of Presentation
      Tokyo, JAPAN
    • Year and Date
      20120424-20120424

URL: 

Published: 2014-07-24  

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