Fonte de fóton único brilhante a 1,3 μm com base no ponto quântico InAs Bilayer no micropilar

Resumo

Uma alta taxa de contagem pronunciada de emissão de fóton único no comprimento de onda de 1,3 μm que é capaz de comunicação quântica baseada em fibra de pontos quânticos de bicamada InAs / GaAs acoplados com uma cavidade micropilar (diâmetro ~ 3 μm) de refletores de Bragg distribuídos foi investigada, cuja eficiência de extração de fótons atingiu 3,3%. O modo de cavidade e o realce de Purcell foram observados claramente em espectros de microfotoluminescência. No final da detecção da configuração de Hanbury-Brown e Twiss, os dois módulos de contagem de fóton único em escala registram uma taxa de contagem total de ~ 62.000 / s; a medição de contagem de coincidência de tempo demonstra a emissão de um único fóton, com a possibilidade de emissão de vários fótons, ou seja, g ² (0), de apenas 0,14.

Histórico

As informações quânticas baseadas em fibra óptica requerem fontes reais de fóton único (SPSs) na banda de telecomunicações para substituir os pseudo-SPSs tradicionais baseados em lasers de pulso fortemente deteriorados. Pontos quânticos individuais automontados (QDs) são potenciais para emitir fótons únicos reais e, portanto, têm atraído grande interesse [1,2,3,4]. A integração de uma cavidade do refletor Bragg distribuído (DBR) a um único QD aumentará sua emissão direcional. Em comparação com InAs QDs crescidos em substrato de InP emitindo a ~ 1,55 μm com materiais ricos em índio com correspondência de rede crescidos a uma temperatura baixa como DBR [5, 6], InAs QDs crescidos em substrato de GaAs são vantajosos na fácil integração de rede combinada GaAs / Al de alta qualidade _0,9 Ga _0.1 Como DBR. Para realizar SPSs de QD de InAs / GaAs na banda de telecomunicações, seu comprimento de onda de emissão deve se estender do usual ~ 0,9 a 1,3 ou 1,55 μm e sua densidade deve ser mantida tão baixa quanto 10 ⁷ –10 ⁸ cm ⁻² para realizar QDs únicos em uma microrregião. Para fabricar InAs QDs de baixa densidade por epitaxia de feixe molecular (MBE), alguns esquemas construtivos foram propostos, como taxa de crescimento ultrabaixa [3], alta temperatura de crescimento [7,8,9] e controle preciso da quantidade de deposição [10 ] de QDs e o isolamento de QDs por crescimento em um substrato padronizado de mesa / buraco [11] ou ataque em micropilares [12, 13]. Para estender seu comprimento de onda de emissão, várias técnicas foram desenvolvidas, como engenharia de deformação de QDs [14], estruturas metamórficas [2] e estrutura de dupla camada acoplada de deformação (BQD) [15,16,17]. A estrutura do BQD no substrato de GaAs é eficaz para atingir emissões acima de 1,3 μm. BQDs de alta densidade foram aplicados em diodos de laser em ~ 1,5 μm operando em temperatura ambiente [15, 16]. Uma vez que evita o uso de camada metamórfica e taxa de crescimento ultrabaixo na camada ativa, o 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 de InAs / GaAs de baixa densidade emitindo a 1,3 μm foram obtidos em nosso trabalho anterior [18]. Para atingir uma alta taxa de contagem de fótons únicos em 1,3 μm para aplicações baseadas em fibra [2, 19], a eficiência de extração de fótons de QDs individuais deve ser melhorada. Nesta carta, otimizando ainda mais as condições de crescimento da estrutura de BQD e fabricando uma estrutura de micropilar, melhoramos a extração de fótons de BQDs de InAs / GaAs que emitem a 1,3 μm significativamente. A taxa de contagem de fóton único atingiu 62.000 contagens / s no módulo de contagem de fóton único InGaAs ou contagens de 3,45 M / s na primeira lente objetiva, considerando a eficiência de coleta de fótons da configuração de espectroscopia do microscópio confocal. Esta é a primeira vez que relata uma alta taxa de contagem de emissão de fóton único em comprimento de onda de telecomunicação usando BQDs InAs / GaAs. A intensidade de emissão pode ser aumentada pela introdução de uma camada dopada do tipo n δ adjacente à camada BQD para produzir excitons carregados de elétrons [13].

Métodos

A amostra investigada foi cultivada por MBE de fonte sólida (sistema VEECO Gen930) em substrato semi-isolante (100) GaAs. A estrutura da amostra consiste, em sequência, em uma camada tampão de GaAs de 300 nm de espessura, um Al de comprimento de onda correspondente de 25,5 pares _0,9 Ga _0.1 Como (113,7 nm) / GaAs (98,6 nm) DBR inferior, um λ cavidade de GaAs não dopada de espessura e um Al de 8 pares _0,9 Ga _0.1 As / GaAs DBR superior com o mesmo período. No centro da cavidade de GaAs, a camada ativa para emissão de telecom, ou seja, a estrutura BQD com camada redutora de deformação InGaAs, foi cultivada a 470 ° C no modo de crescimento Stranski-Krastanov, que era inferior à temperatura usada em nosso anterior trabalhos. Mais detalhes de crescimento são relatados na Ref. [18]. Neste trabalho, especialmente, arranjos de micropilares são fabricados nas amostras de BQD acopladas à cavidade DBR por fotolitografia e condicionamento por plasma indutivo acoplado (ICP) com cloro (Cl ₂ ) e gás de mistura de árgon (Ar). Conforme mostrado na imagem do microscópio eletrônico de varredura (SEM) 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 um criostato de banho livre de criogenia com a temperatura finamente ajustada de 4 a 50 K e excitada por um laser He-Ne no comprimento de onda de 633 nm. A configuração do microscópio confocal com uma objetiva (NA, 0,65) focaliza o laser em um ponto com um diâmetro de 2 μm e coleta a luminescência efetivamente em um espectrógrafo, que permite uma varredura da microrregião para pesquisar linhas espectrais de exciton QD únicas. O espectro de microfotoluminescência (μPL) foi detectado por um monocromador de comprimento focal de 0,3 m equipado com um detector de matriz linear InGaAs resfriado por nitrogênio líquido para espectrógrafo. Para medição da refletividade, um espectrofotômetro (PerkinElmer 1050) foi usado com uma etapa de varredura de 2 nm e ponto de luz de 3 mm x 3 mm. Para investigar a vida útil radiativa do exciton, uma placa de contagem de fóton único correlacionada com o tempo (TCSPC) e um laser pulsado Ti:Sapphire (largura de pulso, ~ 100 fs; frequência de repetição, 80 MHz; comprimento de onda, 740 nm) foram usados para medição μPL resolvida no tempo. Para medir a função de autocorrelação de segunda ordem g ⁽²⁾ ( τ ), a luminescência da linha espectral QD foi enviada para uma configuração Hanbury-Brown e Twiss (HBT) acoplada a fibra [20] e detectada por dois módulos de contagem de fóton único avalanched InGaAs (IDQ 230; resolução de tempo, 200 ps; taxa de contagem de escuridão , ~ 80 contagens / s; tempo morto, 30 μs) e um módulo de contagem de coincidência de tempo.

Resultados e discussão

A Figura 1a, b mostra imagens AFM de BQDs crescidos a 480 e 470 ° C, respectivamente. Para amostra de 480 ° C, os BQDs têm um diâmetro médio de 61 nm e uma altura de cerca de 10 nm. Para amostra de 470 ° C, o diâmetro médio é de 75 nm e a altura é de 13 nm, mais alto e maior do que o cultivado a 480 ° C. A temperatura mais baixa contribui para o aumento do tamanho do QD e da proporção de aspecto [21]. Para aumentar a eficiência da coleta de fótons, os BQDs foram incorporados em um λ cavidade de GaAs espessa e imprensada entre 25,5 pilhas DBR inferiores e 8 superiores. Todos são iguais para as duas amostras, exceto a temperatura de crescimento dos BQDs. Como mostrado na Fig. 1c, os BQDs mais brilhantes nas duas amostras que observamos são bastante diferentes no espectro PL. A intensidade da PL foi bastante aumentada na temperatura de crescimento mais baixa, o que pode ser atribuído ao relaxamento de tensão reduzido e deslocamento em torno dos BQDs [21]. A Figura 1d mostra o espectro de refletividade medido do DBR inferior, com um valor de cerca de 99% na faixa de 1310–1380 nm, demonstrando um bom espelho para refletir a emissão QD.

1 × 1 μm ² Imagem de microscopia de força atômica (AFM) de BQDs sem cobertura cultivados em a 480 e b 470 ° C. c Espectros μPL de BQDs embutidos em cavidades DBR, crescidos a 480 ° C ( vermelho ) e 470 ° C ( preto ), medido a 4 K. d Espectro de refletividade do DBR inferior, medido à temperatura ambiente

A Figura 2 mostra a imagem SEM do micropilar e os espectros μPL de um BQD típico incorporado nele. A Figura 2d mostra os espectros μPL em função da temperatura. A emissão do BQD atinge sua intensidade máxima em 30 K, sugerindo uma ressonância de cavidade; veja também a 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 Al _0,9 Ga _0.1 Como no comprimento de onda de telecom, e menos pares de DBRs foram usados aqui do que os DBRs convencionais acoplados a QDs que emitem a <1 μm [12, 22].

a Imagem SEM da estrutura micropilar (diâmetro ~ 3 μm). b Espectro de PL típico de um único BQD em micropilar a 4 K. d Espectros μPL dependentes da temperatura de um BQD típico em micropilar e c sua intensidade PL integrada em função da desafinação da cavidade de excitação sob potência de excitação ~ 2 μW, linha vermelha :Encaixe Lorentziano

O espectro de μPL dependente da potência de excitação de BQDs InAs / GaAs em uma micropilar foi estudado usando um laser He-Ne de onda contínua (cw) para excitação acima da banda, como mostra a Fig. 3a. Eles mostram a linha de exciton (X) em 1325,6 nm e a linha de exciton carregada (X *) em 1327,1 nm. A identificação dessas linhas de emissão é suportada por suas várias dependências de energia. Na Fig. 3b, a intensidade PL integrada da linha X em 1325,6 nm mostrou uma dependência linear da potência de excitação na região de baixa potência e saturada em alta potência de excitação. As linhas sólidas são ajustadas linearmente aos dados em um gráfico logarítmico duplo. A linha X * em 1327,1 nm mostra uma dependência de potência de excitação não saturada [23]. As investigações a seguir foram realizadas na linha X.

a Espectros μPL dependentes da potência de excitação ( T =4 K) de BQDs típicos em micropilar. b Intensidade PL integrada de exciton (X) e exciton carregado (X *) em função da potência de excitação em uma escala log-log. Linhas coloridas :ajuste linear dos dados experimentais

As medições de PL resolvidas no tempo foram realizadas para determinar o aumento de Purcell. O decaimento da emissão espontânea da linha BQD X na ressonância da cavidade QD e na desafinação distante são mostrados na Fig. 4a. A vida útil radiativa ajustada é de 0,66 ns para ressonância e 1,25 ns para desafinação distante, correspondendo a um fator de aumento de Purcell de 1,9. A fim de confirmar a emissão de fóton único da linha X em 1325,6 nm, medimos a função de correlação de segunda ordem g ⁽²⁾ ( τ ) com uma configuração de HBT sob citação cw e excitação de pulso saturado. A Figura 4b mostra a função de correlação de segunda ordem medida da linha X como uma função do tempo de atraso τ sob excitação cw. Os dados podem ser ajustados com a seguinte expressão: g ⁽²⁾ ( τ ) =1 - [1 - g ⁽²⁾ (0)] exp (- | τ | / T ) [24]. O ajuste resulta em g ² (0) =0,14, provando um emissor de fóton único com uma forte supressão da emissão de vários fótons em atraso de tempo zero. A taxa de contagem medida nos detectores é apresentada na Fig. 4c, em função da potência da bomba. Ele mostra uma dependência linear no regime de bomba fraca e torna-se saturado no regime de bomba forte. Na saturação, a taxa de contagem é de cerca de 62.000 contagens / s de dois detectores de fóton único InGaAs, incluindo também as contagens de escuridão dos dois detectores. Para deduzir o número correspondente de fótons coletados na primeira lente, calibramos toda a perda óptica usando um laser cw a 1320 nm. A perda de transmissão, incluindo objetiva do microscópio, filtro passa-longa, espelhos e lente e a eficiência do monocromador, lente e conectores entre as fibras foi de 10,46 dB. A eficiência de detecção e a taxa de contagem de escuridão do detector InGaAs com tempos mortos de 30 μs são 18% e ~ 150 contagens / s, respectivamente. Com base na taxa de contagem em detectores de fóton único InGaAs e taxa de contagem de fótons corrigida pelo fator de [1− g ⁽²⁾ (0)] ^1/2 [25], estimamos a taxa líquida de detecção de fóton único após compensar a contribuição da emissão de vários fótons e a taxa de contagem de escuridão é 3,45 × 10 ⁶ conta / s na potência da bomba saturada na primeira lente objetiva. Para avaliar a eficiência de extração de fótons da estrutura micropilar, a medição sob excitação pulsada também foi realizada. Na Fig. 4d, e, observamos uma taxa de contagem de 48.000 / s nos detectores de fóton único na potência da bomba saturada com g ² (0) =0,19, sob taxa de repetição de excitação do laser de 80 MHz, o que dá uma eficiência de extração de fótons de 3,3% após compensar a contribuição da emissão de multi-fótons e considerando a eficiência do ajuste 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 observada de fótons únicos pode ser subestimada.

a Medições resolvidas pelo tempo em ( círculo branco ) e desligado ( círculo preto ) ressonante da linha X na micropilar, que revela um fator de Purcell de F _p =1,9. b , d Função de correlação de segunda ordem g ⁽²⁾ ( τ ) para a linha X sob excitação cw e excitação de laser de pulso de 80 MHz na potência de bomba saturada. c , e Bomba de intensidade PL dependente da potência do pico de exciton em 1325,6 nm sob cw e excitação de pulso, respectivamente. Os círculos pretos em c e e denotam a taxa de contagem registrada nos detectores InGaAs

Conclusões

Em conclusão, apresentamos uma fonte de fóton único brilhante em 1325,6 nm usando uma única camada de InAs / GaAs QD acoplada a uma única cepa em um micropilar Al _0,9 Ga _0.1 Cavidade DBR As / GaAs. A emissão de fóton único foi realmente aprimorada pela otimização da temperatura de crescimento QD e fabricação da estrutura de micropilar. A taxa de fóton único detectado atinge 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 uma cavidade micropilar Q ~ 300. A medição de autocorrelação de segunda ordem com módulos de contagem de fóton único InGaAs rendeu g ⁽²⁾ (0) =0,14, demonstrando a emissão de um único fóton mesmo em alta taxa de contagem. Esta é a primeira vez que reportamos uma taxa tão alta de emissão de fóton único na banda de telecomunicações usando uma única camada dupla de InAs / GaAs QD.

Abreviações

AFM:: Força atômica microscópica
BQD:: Bilayer QD
cw:: Onda continua
DBRs:: Refletores Bragg Distribuídos
HBT:: Hanbury-Brown e Twiss
ICP:: Plasma indutivo acoplado
MBE:: Epitaxia de feixe molecular
QDs:: Pontos quânticos
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
SPSs:: Fontes de fóton único
TCSPC:: Contagem de fóton único correlacionada com o tempo
μPL:: Microfotoluminescência

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