Fuente de Fotón Único de Alto Rendimiento a 1.3 µm Usando Puntos Cuánticos Bilayer InAs en Cavidades de Micropilares

Resumen

Se investigó una pronunciada alta tasa de cuenta de emisión de fotón único a longitud de onda 1.3 µm capaz de comunicación cuántica basada en fibra desde puntos cuánticos bilayer InAs/GaAs acoplados con cavidad de micropilar (diámetro ~3 µm) de reflectores Bragg distribuidos, cuya eficiencia de extracción de fotón alcanzó 3.3 %. Modo de cavidad y realce Purcell observados claramente en espectros de microfotoluminiscencia. En extremo de detección de configuración Hanbury-Brown y Twiss, dos módulos de conteo de fotón único avalanchados InGaAs registran tasa total de ~62,000/s; medición de conteo de coincidencia temporal demuestra emisión de fotón único, con posibilidad de emisión multi-fotón, i.e., g²(0), de solo 0.14.

Antecedentes

Información cuántica basada en fibra óptica requiere fuentes reales de fotón único (SPS) en banda de telecomunicaciones para reemplazar pseudo-SPS basados en láseres de pulso fuertemente atenuados. Puntos cuánticos (QDs) autoensamblados individuales son potenciales para emitir fotones únicos reales y han atraído gran interés. La integración de cavidad reflector Bragg distribuido (DBR) a un QD único realzará su emisión direccional. Comparado a QDs InAs crecidos en sustrato InP emitiendo ~1.55 µm con materiales ricos en indio lattice-matched crecidos a baja temperatura como DBR, QDs InAs en sustrato GaAs son ventajosos por fácil integración de DBR GaAs/Al₀.₉Ga₀.₁As lattice-matched de alta calidad. Para realizar SPS InAs/GaAs QD en banda telecom, su longitud de onda emisión debe extenderse de usual ~0.9 a 1.3 o 1.55 µm y su densidad mantenerse tan baja como 10⁷–10⁸ cm⁻² para realizar QDs únicos en microrregión. Para fabricar QDs InAs baja densidad por epitaxia haz molecular (MBE), se han propuesto esquemas constructivos: tasa crecimiento ultralenta, alta temperatura crecimiento, y control preciso cantidad deposición de QDs y aislamiento QDs por crecimiento en sustrato patternizado mesa/hoyos o grabado en micropilares. Para extender longitud de onda emisión, se han desarrollado técnicas: ingeniería tensión QDs, estructuras metamórficas, y estructura QD bilayer acoplada por tensión (BQD). Estructura BQD en sustrato GaAs es efectiva para lograr emisión >1.3 µm. BQDs alta densidad se aplicaron en diodos láser ~1.5 µm operando temperatura ambiente. Al evitar uso de capa metamórfica y tasa crecimiento ultralenta en capa activa, que podrían deteriorar calidad cristalina, estructura BQD también deseada para crecer QDs baja densidad en longitud onda telecom. BQDs InAs/GaAs baja densidad emitiendo 1.3 µm obtenidos en trabajo previo. Para lograr alta tasa cuenta fotones únicos 1.3 µm para aplicaciones fibra, eficiencia extracción fotón desde QDs únicos debe mejorarse. En esta carta, optimizando condiciones crecimiento estructura BQD y fabricando estructura micropilar, mejoramos extracción fotón desde QDs InAs/GaAs BQDs emitiendo 1.3 µm grandemente. Tasa cuenta fotón único alcanzó 62,000 cuentas/s en módulo conteo fotón único InGaAs o 3.45 M cuentas/s en primera lente objetivo considerando eficiencia colección microscopio confocal. Primera vez se reporta tan alta tasa emisión fotón único en longitud onda telecomunicaciones usando QDs bilayer InAs/GaAs. Intensidad emisión puede mejorarse más introduciendo capa δ-dopada n-tipo adyacente a capa BQD para producir excitones cargados electrón.

Métodos

Muestra investigada crecida por MBE fuente sólida (VEECO Gen930) en sustrato GaAs semi-aislante (100). Estructura muestra consiste, en secuencia: capa buffer GaAs 300 nm, DBR inferior 25.5-pares wavelength-matched Al₀.₉Ga₀.₁As (113.7 nm)/GaAs (98.6 nm), cavidad GaAs no dopada 1 λ-gruesa, y DBR superior 8-pares Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs mismo período. En centro cavidad GaAs, capa activa para emisión telecom, estructura BQD con capa reductora tensión InGaAs, crecida a 470 °C en modo Stranski-Krastanov, temperatura menor que trabajo previo. Detalles crecimiento en Ref. [18]. En este trabajo, arrays micropilares fabricados en muestras BQD acopladas cavidad DBR por fotolitografía y grabado plasma acoplado inductivamente (ICP) con mezcla gas cloro (Cl₂) y argón (Ar). Como muestra imagen SEM Fig. 2a, micropilares diámetro ~3 µm y altura 7.75 µm, con paredes laterales muy lisas. Muestra enfriada en criostato baño libre criógeno con temperatura finamente ajustada 4–50 K y excitada por láser He-Ne longitud onda 633 nm. Configuración microscopio confocal con objetivo (NA, 0.65) enfoca láser en spot diámetro 2 µm y colecta luminiscencia efectivamente en espectrógrafo, permitiendo escaneo microrregión buscar líneas espectrales excitón QD único. Microfotoluminiscencia (μPL) detectada por monocromador longitud focal 0.3 m equipado detector array lineal InGaAs enfriado nitrógeno líquido para espectrógrafo. Para medición reflectividad, espectrofotómetro (PerkinElmer 1050) usado con paso escaneo 2 nm y spot luz 3 mm × 3 mm. Investigar vida radiante excitón, tabla conteo fotón único correlacionado tiempo (TCSPC) y láser pulsado Ti:Zafiro (ancho pulso ~100 fs; frecuencia repetición 80 MHz; longitud onda 740 nm) usados para μPL resuelto tiempo. Medir función autocorrelación segundo orden g²(τ), luminiscencia línea espectral QD enviada a configuración Hanbury-Brown y Twiss (HBT) acoplada fibra y detectada por dos módulos conteo fotón único avalanchado InGaAs (IDQ 230; resolución tiempo 200 ps; tasa cuenta oscura ~80 cuentas/s; tiempo muerto 30 µs) y módulo conteo coincidencia tiempo.

Resultados y Discusión

Figura 1a,b muestra imágenes AFM BQDs crecidos 480 y 470 °C respectivamente. Muestra 480 °C: BQDs diámetro medio 61 nm altura ~10 nm. Muestra 470 °C: diámetro medio 75 nm altura 13 nm, más altos y grandes que 480 °C. Temperatura menor contribuye a mayor tamaño y relación aspecto QDs. Para mejorar eficiencia colección fotón, BQDs embebidos en cavidad GaAs 1 λ-gruesa y sandwich entre 25.5 DBR inferior y 8 superior. Todos iguales para dos muestras, salvo temperatura crecimiento BQDs. Fig. 1c muestra BQDs más brillantes observados en dos muestras bastante diferentes en espectro PL. Intensidad PL grandemente realzada a menor temperatura crecimiento, atribuible a relajación tensión reducida y dislocaciones alrededor BQDs. Fig. 1d muestra espectro reflectividad DBR inferior, valor ~99 % rango 1310–1380 nm, demostrando buen espejo reflejar emisión QD.

Figura 2 muestra imagen SEM micropilar y espectros μPL BQD típico embebido. Fig. 2d muestra espectros μPL función temperatura. Emisión BQD alcanza intensidad máxima 30 K, sugiriendo resonancia cavidad; ver también Fig. 2c. Factor calidad (Q) micropilar estimado ~361. Q bajo atribuido a pequeño offset reflectividad entre GaAs y Al₀.₉Ga₀.₁As en longitud onda telecom, y menos pares DBR usados que DBRs convencionales acoplados QDs emitiendo <1 µm.

Espectros μPL dependientes potencia excitación estudiados usando láser He-Ne onda continua (cw) excitación sobre-banda, Fig. 3a. Muestran línea excitón (X) 1325.6 nm y línea excitón cargado (X*) 1327.1 nm. Identificación líneas emisión soportada por sus diversas dependencias potencia. Fig. 3b, intensidad PL integrada línea X 1325.6 nm mostró dependencia lineal potencia excitación en región baja potencia y saturó en alta potencia. Línea X* 1327.1 nm muestra dependencia potencia no-saturada. Investigaciones siguientes realizadas en línea X.

Medidas PL resueltas tiempo determinaron realce Purcell. Descomposición emisión espontánea línea X BQD en resonancia QD-cavidad y lejos desintonía mostradas Fig. 4a. Vida radiante ajustada 0.66 ns resonancia y 1.25 ns lejos desintonía, correspondiendo factor realce Purcell 1.9. Confirmar emisión fotón único línea X 1325.6 nm, medimos función correlación segundo orden g²(τ) con configuración HBT bajo excitación cw y pulso saturado. Fig. 4b muestra g²(τ) función tiempo retardo τ bajo excitación cw. Datos ajustados expresión: g²(τ) = 1 − [1 − g²(0)]exp(−|τ|/T). Ajuste resulta g²(0) = 0.14, probando emisor fotón único con fuerte supresión emisión multi-fotón retardo tiempo cero. Tasa cuenta medida detectores presentada Fig. 4c, función potencia bomba. Muestra dependencia lineal régimen bomba débil y satura régimen bomba fuerte. En saturación, tasa cuenta ~62,000 cuentas/s desde dos detectores fotón único InGaAs, incluyendo cuentas oscuras dos detectores. Deducir número fotones colectados primera lente, calibramos pérdida óptica usando láser cw 1320 nm. Pérdida transmisión incluyendo objetivo microscopio, filtro pasa-alto, espejos, lente y eficiencia monocromador, lente, conectores fibra fue 10.46 dB. Eficiencia detección y tasa cuenta oscura detector InGaAs con tiempos muerto 30 µs son 18 % y ~150 cuentas/s respectivamente. Basado en tasa cuenta detectores InGaAs y tasa cuenta fotón corregida factor [1−g²(0)]¹/², estimamos tasa neta detección fotón único tras compensar contribución emisión multi-fotón y tasa cuenta oscura es 3.45 × 10⁶ cuentas/s en potencia bomba saturada en primera lente objetivo. Evaluar eficiencia extracción fotón estructura micropilar, medida bajo excitación pulsada también realizada. Fig. 4d,e observamos tasa cuenta 48,000/s detectores fotón único potencia bomba saturada con g²(0) = 0.19, bajo excitación láser 80 MHz repetición, dando eficiencia extracción fotón 3.3 % tras compensar contribución emisión multi-fotón y considerando eficiencia configuración detección. En nuestra opinión, debido proceso excitación no-resonante y baja eficiencia detección y largo tiempo muerto detector InGaAs, tasa cuenta fotones únicos observada puede ser subestimada.

Conclusiones

En conclusión, presentamos fuente fotón único brillante a 1325.6 nm usando QD bilayer InAs/GaAs único en cavidad DBR Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs micropilar. Emisión fotón único realzada optimizando temperatura crecimiento QD y fabricando estructura micropilar. Tasa detección fotón único alcanza 62,000 cuentas/s, correspondiendo tasa emisión fotón único 3.45 MHz en primera lente objetivo. Eficiencia extracción fotón estimada ~3.3 %, con cavidad micropilar Q ~300. Medición autocorrelación segundo orden con módulos conteo fotón único InGaAs rindió g²(0) = 0.14, demostrando emisión fotón único incluso en alta tasa cuenta. Primera vez se reporta tan alta tasa emisión fotón único en banda telecom usando QD bilayer InAs/GaAs único.