Fuente brillante de fotón único a 1,3 μm basada en punto cuántico bicapa InAs en micropilar

Resumen

Se investigó una tasa de recuento alto pronunciado de emisión de un solo fotón a la longitud de onda de 1,3 μm que es capaz de comunicación cuántica basada en fibra a partir de puntos cuánticos bicapa de InAs / GaAs acoplados con una cavidad micropilar (diámetro ~ 3 μm) de reflectores Bragg distribuidos, cuya eficiencia de extracción de fotones ha alcanzado el 3,3%. El modo de cavidad y la mejora de Purcell se han observado claramente en los espectros de microfotoluminiscencia. Al final de la detección de la configuración de Hanbury-Brown y Twiss, los dos módulos de conteo de fotón único en avalancha registran una tasa de conteo total de ~ 62 000 / s; la medición del recuento de coincidencia de tiempo demuestra la emisión de un solo fotón, con la posibilidad de emisión de múltiples fotones, es decir, g ² (0), de solo 0,14.

Antecedentes

La información cuántica basada en fibra óptica requiere fuentes de fotón único (SPS) reales en la banda de telecomunicaciones para reemplazar los pseudo-SPS tradicionales basados en láseres de pulso fuertemente decaídos. Los puntos cuánticos individuales autoensamblados (QD) tienen el potencial de emitir fotones individuales reales y, por lo tanto, han atraído un gran interés [1, 2, 3, 4]. La integración de una cavidad reflectora distribuida de Bragg (DBR) en un solo QD mejorará su emisión direccional. En comparación con los QD de InAs cultivados en sustrato de InP que emiten a ~ 1,55 μm con materiales ricos en indio emparejados en celosía cultivados a baja temperatura como DBR [5, 6], los QD de InAs cultivados en sustrato de GaAs son ventajosos en la fácil integración de materiales de celosía emparejados GaAs / Al _0.9 de alta calidad Ga _0.1 Como DBR. Para realizar SPS QD de InAs / GaAs en la banda de telecomunicaciones, su longitud de onda de emisión debe extenderse desde la habitual ~ 0,9 a 1,3 o 1,55 μm y su densidad debe mantenerse tan baja como 10 ⁷ –10 ⁸ cm ⁻² para realizar QD individuales en una microrregión. Para fabricar QD de InAs de baja densidad mediante epitaxia de haz molecular (MBE), se han propuesto algunos esquemas constructivos, como la tasa de crecimiento ultrabaja [3], la temperatura de crecimiento alta [7,8,9] y el control preciso de la cantidad de deposición [10 ] de QD y el aislamiento de QD por crecimiento en un sustrato con patrón mesa / agujero [11] o grabado en micropilares [12, 13]. Para ampliar su longitud de onda de emisión, se han desarrollado varias técnicas, como la ingeniería de deformación de QD [14], estructuras metamórficas [2] y estructura de QD bicapa acoplada por deformación (BQD) [15,16,17]. La estructura de BQD en el sustrato de GaAs es eficaz para lograr emisiones superiores a 1,3 μm. Se han aplicado BQD de alta densidad en diodos láser a ~ 1,5 μm que funcionan a temperatura ambiente [15, 16]. Dado que evita el uso de una capa metamórfica y una tasa de crecimiento ultrabaja en la capa activa, que podría deteriorar la calidad del cristal [2], también se desea que la estructura BQD crezca QD de baja densidad en la longitud de onda de las telecomunicaciones. En nuestro trabajo anterior se obtuvieron BQD de InAs / GaAs de baja densidad que emiten a 1,3 μm [18]. Para lograr una alta tasa de recuento de fotones individuales a 1,3 μm para aplicaciones basadas en fibra [2, 19], se debe mejorar la eficiencia de extracción de fotones de QD individuales. En esta carta, al optimizar aún más las condiciones de crecimiento de la estructura de BQD y fabricar una estructura micropilar, mejoramos la extracción de fotones de BQD de InAs / GaAs individuales que emiten a 1,3 μm en gran medida. La tasa de recuento de fotones únicos ha alcanzado 62.000 recuentos / s en el módulo de recuento de fotones únicos InGaAs o 3,45 M recuentos / s en la primera lente de objetivo, considerando la eficiencia de recolección de fotones de la configuración de espectroscopía de microscopio confocal. Esta es la primera vez que se informa de una alta tasa de recuento de emisión de fotón único en la longitud de onda de las telecomunicaciones mediante el uso de BQD de InAs / GaAs. La intensidad de emisión se puede mejorar aún más mediante la introducción de una capa dopada δ de tipo n adyacente a la capa BQD para producir excitones cargados de electrones [13].

Métodos

La muestra investigada se cultivó mediante MBE de fuente sólida (sistema VEECO Gen930) sobre un sustrato de GaAs semiaislante (100). La estructura de la muestra consta, en secuencia, de una capa tampón de GaAs de 300 nm de espesor, un Al _0.9 de longitud de onda de 25,5 pares Ga _0.1 Como DBR inferior (113,7 nm) / GaAs (98,6 nm), uno λ -cavidad de GaAs sin dopar de espesor y un Al _0.9 de 8 pares Ga _0.1 As / GaAs superior DBR con el mismo período. En el centro de la cavidad de GaAs, la capa activa para la emisión de telecomunicaciones, es decir, la estructura BQD con la capa reductora de deformación de InGaAs, se cultivó a 470 ° C en el modo de crecimiento Stranski-Krastanov, que era más bajo que la temperatura utilizada en nuestra anterior trabajo. Se informan más detalles de crecimiento en la Ref. [18]. En este trabajo, especialmente, se fabrican matrices micropilares en las muestras de BQD acopladas a la cavidad DBR mediante fotolitografía y grabado con plasma acoplado inductivo (ICP) con cloro (Cl ₂ ) y gas de mezcla de argón (Ar). Como se muestra en la imagen del microscopio electrónico de barrido (SEM) en la Fig. 2a, los micropilares tienen un diámetro de ~ 3 μm y una altura de 7,75 μm, con paredes laterales muy lisas. La muestra se enfrió en un criostato de baño sin criógeno con la temperatura finamente ajustada de 4 a 50 K y se excitó con un láser He-Ne a una longitud de onda de 633 nm. La configuración del microscopio confocal con un objetivo (NA, 0,65) enfoca el láser en un punto con un diámetro de 2 μm y recopila la luminiscencia de manera efectiva en un espectrógrafo, lo que permite un escaneo de microrregión para buscar líneas espectrales de excitón QD individuales. El espectro de microfotoluminiscencia (μPL) se detectó mediante un monocromador de longitud focal de 0,3 m de largo equipado con un detector de matriz lineal InGaAs refrigerado con nitrógeno líquido para espectrógrafo. Para la medición de la reflectividad, se utilizó un espectrofotómetro (PerkinElmer 1050) con un paso de exploración de 2 nm y un punto de luz de 3 mm x 3 mm. Para investigar la vida útil radiativa del excitón, se utilizó una placa de recuento de fotón único correlacionada en el tiempo (TCSPC) y un láser pulsado Ti:Zafiro (ancho de pulso, ~ 100 fs; frecuencia de repetición, 80 MHz; longitud de onda, 740 nm) para Medición de μPL resuelta en el tiempo. Para medir la función de autocorrelación de segundo orden g ⁽²⁾ ( τ ), la luminiscencia de la línea espectral QD se envió a una configuración Hanbury-Brown y Twiss (HBT) acoplada con fibra [20] y se detectó mediante dos módulos de conteo de fotón único con avalancha de InGaAs (IDQ 230; resolución de tiempo, 200 ps; tasa de recuento de oscuridad , ~ 80 conteos / s; tiempo muerto, 30 μs) y un módulo de conteo de coincidencia de tiempo.

Resultados y discusión

La Figura 1a, b muestra imágenes AFM de BQD cultivadas a 480 y 470 ° C, respectivamente. Para una muestra de 480 ° C, las BQD tienen un diámetro medio de 61 nm y una altura de aproximadamente 10 nm. Para una muestra de 470 ° C, el diámetro medio es de 75 nm y la altura es de 13 nm, más alta y más grande que la que se cultiva a 480 ° C. La temperatura más baja contribuye a aumentar el tamaño de QD y la relación de aspecto [21]. Para mejorar la eficiencia de la colección de fotones, los BQD se integraron en un λ -cavidad de GaAs gruesa e intercalada entre 25.5 pilas DBR inferiores y 8 superiores. Todos son iguales para las dos muestras, solo excepto la temperatura de crecimiento de las BQD. Como se muestra en la Fig. 1c, los BQD más brillantes en las dos muestras que observamos son bastante diferentes en el espectro PL. La intensidad de PL se incrementó en gran medida a la temperatura de crecimiento más baja, lo que puede atribuirse a la reducción de la relajación de la cepa y la dislocación alrededor de las BQD [21]. La Figura 1d muestra el espectro de reflectividad medido del DBR inferior, con un valor de aproximadamente el 99% en un rango de 1310-1380 nm, lo que demuestra un buen espejo para reflejar la emisión de QD.

1 × 1 μm ² Imagen de microscopía de fuerza atómica (AFM) de BQD descubiertos cultivados a a 480 y b 470 ° C. c Espectros μPL de BQD incrustados en cavidades DBR, cultivados a 480 ° C ( rojo ) y 470 ° C ( negro ), medido a 4 K. d Espectro de reflectividad del DBR inferior, medido a temperatura ambiente

La Figura 2 muestra la imagen SEM del micropilar y los espectros μPL de un BQD típico incrustado en él. La Figura 2d muestra los espectros de μPL en función de la temperatura. La emisión del BQD alcanza su intensidad máxima a 30 K, lo que sugiere una resonancia de cavidad; ver también la Fig. 2c. El factor de calidad (Q) de la cavidad micropilar se estima en aproximadamente 361. El bajo Q se atribuye a la pequeña compensación de reflectividad entre GaAs y Al _0.9 Ga _0.1 Como en la longitud de onda de las telecomunicaciones, aquí se utilizaron menos pares DBR que los DBR convencionales acoplados a QD que emiten a <1 μm [12, 22].

un Imagen SEM de la estructura micropilar (diámetro ~ 3 μm). b Espectro PL típico de un solo BQD en micropilar a 4 K. d Espectros μPL dependientes de la temperatura de un BQD típico en micropilar y c su intensidad PL integrada en función de la desafinación de la cavidad del excitón bajo la potencia de excitación ~ 2 μW, línea roja :Ajuste Lorentziano

Los espectros μPL dependientes de la potencia de excitación de las BQD de InAs / GaAs en un micropilar se estudiaron utilizando un láser de He-Ne de onda continua (cw) para la excitación por encima de la banda, como muestra la Fig. 3a. Muestran la línea de excitones (X) a 1325,6 nm y la línea de excitones cargados (X *) a 1327,1 nm. La identificación de estas líneas de emisión está respaldada por sus diversas dependencias energéticas. En la Fig. 3b, la intensidad PL integrada de la línea X a 1325,6 nm mostró una dependencia lineal de la potencia de excitación en la región de baja potencia y saturada a una alta potencia de excitación. Las líneas continuas se ajustan linealmente a los datos en una gráfica logarítmica doble. La línea X * a 1327,1 nm muestra una dependencia de la potencia de excitación no saturada [23]. Las investigaciones siguientes se realizaron en la línea X.

un Espectros μPL dependientes de la potencia de excitación ( T =4 K) de BQD típicas en micropilar. b Intensidad PL integrada de excitón (X) y excitón cargado (X *) en función de la potencia de excitación en una escala logarítmica. Líneas de colores :ajuste lineal de los datos experimentales

Las mediciones de PL resueltas en el tiempo se llevaron a cabo para determinar la mejora de Purcell. La disminución de emisión espontánea de la línea BQD X en la resonancia de la cavidad QD y en la desafinación lejana se muestra en la Fig. 4a. La vida útil radiativa ajustada es de 0,66 ns para resonancia y 1,25 ns para desafinación lejana, lo que corresponde a un factor de mejora de Purcell de 1,9. Para confirmar la emisión de fotón único de la línea X a 1325,6 nm, medimos la función de correlación de segundo orden g ⁽²⁾ ( τ ) con una configuración HBT con cita de cw y excitación de pulso saturado. La figura 4b muestra la función de correlación de segundo orden medida de la línea X en función del tiempo de retardo τ bajo excitación cw. Los datos podrían ajustarse con la siguiente expresión: g ⁽²⁾ ( τ ) =1 - [1 - g ⁽²⁾ (0)] exp (- | τ | / T ) [24]. El ajuste da como resultado g ² (0) =0,14, lo que demuestra un emisor de fotón único con una fuerte supresión de la emisión de fotones múltiples con retardo de tiempo cero. La tasa de recuento medida en los detectores se presenta en la Fig. 4c, en función de la potencia de la bomba. Muestra una dependencia lineal en el régimen de bombeo débil y se satura en el régimen de bombeo fuerte. En saturación, la tasa de recuento es de alrededor de 62.000 recuentos / s de dos detectores de fotón único InGaAs, que también incluyen los recuentos oscuros de los dos detectores. Para deducir el número correspondiente de fotones recogidos en la primera lente, calibramos toda la pérdida óptica utilizando un láser de cw a 1320 nm. La pérdida de transmisión, incluido el objetivo del microscopio, el filtro de paso largo, los espejos y la lente, y la eficiencia del monocromador, la lente y los conectores entre las fibras, fue de 10,46 dB. La eficiencia de detección y la tasa de recuento oscuro del detector InGaAs con tiempos muertos de 30 μs son 18% y ~ 150 recuentos / s, respectivamente. Basado en la tasa de recuento de los detectores de fotón único InGaAs y la tasa de recuento de fotones corregida por el factor de [1− g ⁽²⁾ (0)] ^1/2 [25], estimamos que la tasa neta de detección de fotones únicos después de compensar la contribución de la emisión de fotones múltiples y la tasa de recuento de oscuridad es de 3,45 × 10 ⁶ cuenta / sa la potencia de bombeo saturada en el primer objetivo. Para evaluar la eficiencia de extracción de fotones de la estructura micropilar, también se realizó la medición bajo excitación pulsada. En la Fig. 4d, e, observamos una tasa de conteo de 48,000 / s en los detectores de fotón único a la potencia de bomba saturada con g ² (0) =0,19, por debajo de 80 MHz de tasa de repetición de excitación láser, lo que da una eficiencia de extracción de fotones del 3,3% después de compensar la contribución de la emisión de fotones múltiples y teniendo en cuenta la eficiencia de la configuración de detección. En nuestra opinión, debido al proceso de excitación no resonante [12, 26] y la baja eficiencia de detección y el largo tiempo muerto del detector InGaAs, la tasa de conteo observado de fotones individuales puede estar subestimada.

un Mediciones con resolución temporal en ( círculo blanco ) y apagado ( círculo negro ) resonante de la línea X en micropilar, que revela un factor de Purcell de F _p =1,9. b , d Función de correlación de segundo orden g ⁽²⁾ ( τ ) para la línea X bajo excitación cw y excitación láser de pulso de 80 MHz a potencia de bomba saturada. c , e Intensidad PL dependiente de la potencia de bombeo del pico de excitón a 1325,6 nm bajo excitación de cw y de pulso, respectivamente. Los círculos negros en c y e denotar la tasa de recuento registrada en los detectores de InGaAs

Conclusiones

En conclusión, hemos presentado una fuente de fotón único brillante a 1325,6 nm mediante el uso de una única bicapa acoplada por cepa InAs / GaAs QD en un micropilar Al _0.9 Ga _0.1 Cavidad As / GaAs DBR. La emisión de un solo fotón realmente se ha mejorado optimizando la temperatura de crecimiento QD y fabricando la estructura micropilar. La tasa de fotón único detectado alcanza los 62.000 recuentos / s, lo que corresponde a una tasa de emisión de fotón único de 3,45 MHz en el primer objetivo. Se estima que la eficiencia de extracción de fotones es de aproximadamente 3.3%, con una cavidad micropilar Q ~ 300. La medición de autocorrelación de segundo orden con módulos de recuento de fotones únicos InGaAs arrojó g ⁽²⁾ (0) =0,14, lo que demuestra la emisión de un solo fotón incluso a una alta tasa de recuento. Esta es la primera vez que se informa una tasa tan alta de emisión de un solo fotón en la banda de telecomunicaciones mediante el uso de una única QD bicapa de InAs / GaAs.

Abreviaturas

AFM:: Microscopía de fuerza atómica
BQD:: Bicapa QD
cw:: Onda continua
DBR:: Reflectores distribuidos de Bragg
HBT:: Hanbury-Brown y Twiss
ICP:: Plasma acoplado inductivo
MBE:: Epitaxia de haz molecular
QD:: Puntos cuánticos
SEM:: Microscopio electrónico de barrido
SPS:: Fuentes de fotón único
TCSPC:: Recuento de fotones individuales correlacionados en el tiempo
μPL:: Microfotoluminiscencia

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