Fonte de Fóton Único de Alto Desempenho a 1,3 µm Usando Pontos Quânticos de Camada Dupla InAs em Cavidades Micropilares

Resumo

Uma pronunciada alta taxa de contagem de emissão de fóton único no comprimento de onda de 1,3 µm capaz de comunicação quântica baseada em fibra a partir de pontos quânticos de camada dupla InAs/GaAs acoplados com uma cavidade micropilar (diâmetro ~3 µm) de refletores de Bragg distribuídos foi investigada, cuja eficiência de extração de fótons alcançou 3,3%. Modo de cavidade e aumento de Purcell foram observados claramente em espectros de microfotoluminescência. Na extremidade de detecção da configuração Hanbury-Brown e Twiss, dois módulos de contagem de fóton único de avalanche InGaAs registram taxa de contagem total de ~62.000/s; a medição de contagem de coincidência temporal demonstra emissão de fóton único, com possibilidade de emissão multi-fóton, i.e., g²(0), de apenas 0,14.

Fundamentação

Informação quântica baseada em fibra óptica requer fontes reais de fóton único (SPSs) na banda de telecom para substituir pseudo-SPSs tradicionais baseados em lasers de pulso fortemente atenuados. Pontos quânticos (QDs) auto-organizados individuais são potenciais para emitir fótons únicos reais e assim atraíram grande interesse [1,2,3,4]. A integração de uma cavidade de refletor de Bragg distribuído (DBR) a um único QD aumentará sua emissão direcional. Comparado a QDs InAs crescidos em substrato InP emitindo a ~1,55 µm com materiais ricos em índio compatíveis com rede crescidos a baixa temperatura como DBR [5, 6], QDs InAs crescidos em substrato GaAs são vantajosos na fácil integração de DBR GaAs/Al₀,₉Ga₀,₁As de alta qualidade e compatível com rede. Para realizar SPSs InAs/GaAs QD na banda de telecom, seu comprimento de onda de emissão deve estender do usual ~0,9 para 1,3 ou 1,55 µm e sua densidade deve manter-se tão baixa quanto 10⁷–10⁸ cm⁻² para realizar QDs únicos em uma microrregião. Para fabricar QDs InAs de baixa densidade por epitaxia de feixe molecular (MBE), alguns esquemas construtivos foram propostos, tais como taxa de crescimento ultra-baixa [3], alta temperatura de crescimento [7,8,9], e controle preciso da quantidade de deposição [10] de QDs e isolamento de QDs por crescimento em substrato com padrão de mesa/furo [11] ou gravação em micropilares [12, 13]. Para estender seu comprimento de onda de emissão, várias técnicas foram desenvolvidas, tais como engenharia de tensão de QDs [14], estruturas metamórficas [2], e estrutura de QD de camada dupla acoplada por tensão (BQD) [15,16,17]. Estrutura BQD em substrato GaAs é efetiva para alcançar emissão acima de 1,3 µm. BQDs de alta densidade foram aplicados em diodos laser a ~1,5 µm operando a temperatura ambiente [15, 16]. Como evita o uso de camada metamórfica e taxa de crescimento ultra-baixa na camada ativa, que pode deteriorar a qualidade do cristal [2], a estrutura BQD também é desejada para crescer QDs de baixa densidade em comprimento de onda de telecom. BQDs InAs/GaAs de baixa densidade emitindo a 1,3 µm foram obtidos em nosso trabalho prévio [18]. Para alcançar alta taxa de contagem de fótons únicos a 1,3 µm para aplicações baseadas em fibra [2, 19], a eficiência de extração de fótons de QDs únicos deve ser melhorada. Nesta carta, otimizando ainda mais as condições de crescimento da estrutura BQD e fabricando estrutura micropilar, melhoramos grandemente a extração de fótons de QDs únicos InAs/GaAs BQDs emitindo a 1,3 µm. A taxa de contagem de fóton único alcançou 62.000 contagens/s no módulo de contagem de fóton único InGaAs ou 3,45 M contagens/s na primeira lente objetiva considerando a eficiência de coleta de fótons da configuração de espectroscopia de microscópio confocal. Esta é a primeira vez que se relata alta taxa de emissão de fóton único em comprimento de onda de telecomunicação usando QDs de camada dupla InAs/GaAs. A intensidade de emissão pode ser ainda aumentada introduzindo uma camada δ-dopada tipo-n adjacente à camada BQD para produzir excitons carregados com elétrons [13].

Métodos

A amostra investigada foi crescida por MBE de fonte sólida (sistema VEECO Gen930) em substrato GaAs (100) semi-isolante. A estrutura da amostra consiste, em sequência, de uma camada buffer de GaAs de 300 nm de espessura, um DBR inferior de 25,5 pares com comprimento de onda compatível Al₀,₉Ga₀,₁As (113,7 nm)/GaAs (98,6 nm), uma cavidade de GaAs não dopada de um λ de espessura, e um DBR superior de 8 pares Al₀,₉Ga₀,₁As/GaAs com o mesmo período. No centro da cavidade de GaAs, a camada ativa para emissão de telecom, i.e., estrutura BQD com camada redutora de tensão InGaAs, foi crescida a 470 °C no modo de crescimento Stranski-Krastanov, que foi mais baixa que a temperatura usada em nosso trabalho prévio. Mais detalhes de crescimento são reportados em Ref. [18]. Neste trabalho, especificamente, arranjos de micropilares são fabricados nas amostras BQD acopladas a cavidade DBR por fotolitografia e gravação por plasma acoplado indutivamente (ICP) com mistura de gás cloro (Cl₂) e argônio (Ar). Como mostrado na imagem de microscópio eletrônico de varredura (MEV) na Fig. 2a, os micropilares têm diâmetro de ~3 µm e altura de 7,75 µm, com paredes laterais muito lisas. A amostra foi resfriada em criostato de banho livre de criogênio com temperatura finamente ajustada de 4 a 50 K e excitada por laser He-Ne em comprimento de onda de 633 nm. Configuração de microscópio confocal com objetiva (NA, 0,65) foca o laser em um ponto de diâmetro de 2 µm e coleta a luminescência efetivamente em um espectrógrafo, que permite varredura de microrregião para buscar linhas espectrais de exciton de QD único. Espectro de microfotoluminescência (µPL) foi detectado por monocromador de comprimento focal 0,3 m equipado com detector de array linear InGaAs resfriado a nitrogênio líquido para espectrógrafo. Para medição de refletividade, um espectrofotômetro (PerkinElmer 1050) foi usado com passo de varredura de 2 nm e ponto de luz de 3 mm × 3 mm. Para investigar tempo de vida radiativo do exciton, uma placa de contagem de fóton único correlacionada no tempo (TCSPC) e laser pulsado Ti:Safira (largura de pulso ~100 fs; frequência de repetição 80 MHz; comprimento de onda 740 nm) foram usados para medição de µPL resolvido no tempo. Para medir a função de autocorrelação de segunda ordem g²(τ), a luminescência da linha espectral do QD foi enviada a uma configuração Hanbury-Brown e Twiss (HBT) acoplada a fibra [20] e detectada por dois módulos de contagem de fóton único de avalanche InGaAs (IDQ 230; resolução temporal 200 ps; taxa de contagem escura ~80 contagens/s; tempo morto 30 µs) e módulo de contagem de coincidência temporal.

Resultados e Discussão

A Figura 1a, b mostra imagens AFM de BQDs crescidos a 480 e 470 °C, respectivamente. Para amostra 480 °C, os BQDs têm diâmetro médio de 61 nm e altura de cerca de 10 nm. Para amostra 470 °C, o diâmetro médio é 75 nm e a altura é 13 nm, mais alta e maior que a crescida a 480 °C. A temperatura mais baixa contribui para o aumento do tamanho e razão de aspecto dos QDs [21]. Para melhorar a eficiência de coleta de fótons, os BQDs foram embutidos em uma cavidade de GaAs de um λ de espessura e intercalados entre 25,5 DBRs inferiores e 8 superiores. Todos são os mesmos para as duas amostras, apenas exceto a temperatura de crescimento dos BQDs. Como mostrado na Fig. 1c, os BQDs mais brilhantes nas duas amostras que observamos são bastante diferentes em espectro PL. A intensidade de PL foi grandemente aumentada na temperatura de crescimento mais baixa, o que pode ser atribuído à relaxação de tensão reduzida e discordâncias ao redor dos BQDs [21]. Figura 1d mostra o espectro de refletividade medido do DBR inferior, com valor cerca de 99% em uma faixa de 1310-1380 nm, demonstrando um bom espelho para refletir emissão de QD.

A Figura 2 mostra a imagem MEV do micropilar e os espectros µPL de um BQD típico embutido nele. Figura 2d mostra os espectros µPL como função de temperatura. A emissão do BQD atinge sua intensidade máxima a 30 K, sugerindo ressonância de cavidade; ver também Fig. 2c. O fator de qualidade (Q) da cavidade micropilar é estimado em cerca de 361. O baixo Q é atribuído ao pequeno deslocamento de refletividade entre GaAs e Al₀,₉Ga₀,₁As no comprimento de onda de telecom, e menos pares de DBR foram usados aqui que os DBRs convencionais acoplados a QDs emitindo a <1 µm [12, 22].

A espectroscopia µPL dependente de potência de excitação de BQDs InAs/GaAs em micropilar foi estudada usando laser He-Ne de onda contínua (cw) para excitação acima da banda, como mostra Fig. 3a. Elas mostram linha de exciton (X) a 1325,6 nm e linha de exciton carregado (X*) a 1327,1 nm. A identificação destas linhas de emissão é suportada por suas várias dependências de potência. Na Fig. 3b, a intensidade PL integrada da linha X a 1325,6 nm mostrou dependência linear sobre a potência de excitação na região de baixa potência e saturada em alta potência de excitação. Linhas sólidas são ajustes lineares aos dados em gráfico log-log duplo. A linha X* a 1327,1 nm mostra dependência de potência de excitação não saturada [23]. As investigações seguintes foram realizadas na linha X.

Medidas de PL resolvido no tempo foram realizadas para determinar o aumento de Purcell. O decaimento de emissão espontânea da linha X do BQD em ressonância QD-cavidade e em desvio longo são mostrados na Fig. 4a. O tempo de vida radiativo ajustado é 0,66 ns para ressonância e 1,25 ns para desvio longo, correspondendo a um fator de aumento de Purcell de 1,9. Para confirmar a emissão de fóton único da linha X a 1325,6 nm, medimos a função de correlação de segunda ordem g²(τ) com configuração HBT sob excitação cw e pulsada saturada. Figura 4b mostra a função de correlação de segunda ordem medida da linha X como função do tempo de atraso τ sob excitação cw. Os dados puderam ser ajustados com a seguinte expressão: g²(τ) = 1 − [1 − g²(0)]exp(−|τ|/T) [24]. O ajuste resulta em g²(0) = 0,14, provando um emissor de fóton único com forte supressão de emissão multi-fóton em atraso temporal zero. A taxa de contagem medida nos detectores é apresentada na Fig. 4c, como função da potência de bombeamento. Mostra dependência linear no regime de bombeamento fraco e torna-se saturada no regime de bombeamento forte. Na saturação, a taxa de contagem é cerca de 62.000 contagens/s de dois detectores de fóton único InGaAs, também incluindo contagens escuras dos dois detectores. Para deduzir o número correspondente de fótons coletados na primeira lente, calibramos todas as perdas ópticas usando laser cw a 1320 nm. Perda de transmissão incluindo objetiva de microscópio, filtro passa-alta, espelhos, lente e eficiência do monocromador, lente e conectores entre fibras foi 10,46 dB. Eficiência de detecção e taxa de contagem escura do detector InGaAs com tempos mortos de 30 µs são 18% e ~150 contagens/s, respectivamente. Baseado na taxa de contagem nos detectores de fóton único InGaAs e taxa de contagem de fótons corrigida pelo fator [1−g²(0)]¹/² [25], estimamos a taxa líquida de detecção de fóton único após compensar contribuição de emissão multi-fóton e taxa de contagem escura é 3,45 × 10⁶ contagens/s na potência de bombeamento saturada na primeira lente objetiva. Para avaliar a eficiência de extração de fótons da estrutura micropilar, medição sob excitação pulsada também foi realizada. Na Fig. 4d, e, observamos taxa de contagem de 48.000/s nos detectores de fóton único na potência de bombeamento saturada com g²(0) = 0,19, sob excitação de laser a 80 MHz, o que dá eficiência de extração de fótons de 3,3% após compensar contribuição de emissão multi-fóton e considerar eficiência do setup de detecção. Em nossa opinião, devido ao processo de excitação não-ressonante [12, 26] e baixa eficiência de detecção e longo tempo morto do detector InGaAs, a taxa de contagem de fótons únicos observada pode ser subestimada.

Conclusões

Em conclusão, apresentamos uma fonte brilhante de fóton único a 1325,6 nm usando um único QD de camada dupla InAs/GaAs acoplado por tensão em cavidade DBR Al₀,₉Ga₀,₁As/GaAs micropilar. A emissão de fóton único foi realmente aumentada otimizando temperatura de crescimento de QD e fabricando estrutura micropilar. A taxa de fóton único detectada alcança 62.000 contagens/s, correspondendo a uma taxa de emissão de fóton único de 3,45 MHz na primeira lente objetiva. A eficiência de extração de fótons é estimada em cerca de 3,3%, com cavidade micropilar Q ~300. A medição de autocorrelação de segunda ordem com módulos de contagem de fóton único InGaAs resultou em g²(0) = 0,14, demonstrando emissão de fóton único mesmo em alta taxa de contagem. Esta é a primeira vez que se relata taxa tão alta de emissão de fóton único na banda de telecom usando um único QD de camada dupla InAs/GaAs.

Abreviações

AFM:

Microscopia de força atômica

BQD:

QD de camada dupla

cw:

Onda contínua

DBRs:

Refletores de Bragg distribuídos

HBT:

Hanbury-Brown e Twiss

ICP:

Plasma acoplado indutivamente

MBE:

Epitaxia de feixe molecular

QDs:

Pontos quânticos

SEM:

Microscópio eletrônico de varredura

SPSs:

Fontes de fóton único

TCSPC:

Contagem de fóton único correlacionada no tempo

µPL:

Microfotoluminescência