Aumento da emissão de fóton único por acoplamento perfeito do ponto quântico InAs / GaAs e modo de cavidade micropilar

Resumo

Propomos um processo de calibração preciso de Al _0.9 Ga _0.1 Cavidade micropilar As / GaAs DBR para coincidir com a emissão de exciton de ponto quântico (QD) único InAs / GaAs e alcançar ressonância de modo de cavidade e um grande aumento da intensidade de fotoluminescência (PL) de QD. A interação de matéria leve de QD único na cavidade micropilar DBR (Q ∼ 3800) sob regime de acoplamento fraco foi investigada por espectros de PL sintonizados por temperatura; um aumento pronunciado (14,6 vezes) da emissão de exciton QD foi observado na ressonância. A medição de autocorrelação de segunda ordem mostra g ⁽²⁾ (0) =0,070, e a taxa de contagem líquida estimada antes da primeira lente objetiva atingir 1,6 × 10 ⁷ contagens / s sob excitação de onda contínua, indicando emissão de fóton único altamente pura em altas taxas de contagem.

Introdução

A fonte de luz quântica que emite fótons únicos é o dispositivo-chave do processamento de informações quânticas [1-3]. Alta eficiência de extração de fótons, forte supressão de emissão de vários fótons e alta indistinguibilidade [4] dos fótons emitidos são desejados. Entre todas as maneiras de realizar fontes de luz quântica, como sistemas atômicos [5], conversão paramétrica [6] ou centros de vacância em diamante [7, 8], pontos quânticos semicondutores InAs / GaAs (QDs) são candidatos promissores para realizar fontes de luz quântica monolíticas práticas para comunicação quântica e outras aplicações, como detecção aprimorada quântica [9] ou imagens quânticas [10]. As vantagens dos InAs / GaAs QDs incluem largura de linha extremamente estreita [4], emissão estável e sob demanda com alta taxa de emissão de fóton único (pode ser aumentada pelo acoplamento da cavidade) [11], fácil de ajustar através de múltiplos campos físicos [12] –14], mais adequado para saída de acoplamento de matriz de fibra [15], e o comprimento de onda é sintonizável (840 ∼1300 nm no momento) para aplicações de informações quânticas de telecomunicações em potencial [16]. Apesar de suas vantagens, a questão chave para realizar uma fonte de fóton único QD prática é como melhorar ainda mais o brilho (ou seja, taxas de contagem) da fonte de fóton único, o que irá melhorar muito a eficiência da transmissão de informação quântica [4]. Portanto, é necessário melhorar a eficiência de extração da emissão de QD e melhorar seu brilho por meio do acoplamento de QDs com microcavidades, incluindo micropilares [11], microdisco [17], cristais fotônicos [18] e microestruturas como microlentes [19-22 ] Enquanto isso, a interação luz-matéria de diferentes sistemas e o efeito de acoplamento na faixa do visível e infravermelho foram extensivamente estudados [23-27]. Nos últimos anos, o estudo de QDs de semicondutores embutidos em cavidades micropilares e seus efeitos eletrodinâmicos na cavidade atraiu grande atenção para alto Q valor, volume de modo baixo [11] e sua conveniência na saída direta de acoplamento de fibra [28–33]. Além disso, um acoplamento ressonante perfeito do modo de cavidade com comprimento de onda de luminescência QD é outro desafio chave [34, 35]. Neste trabalho, um fenômeno de cruzamento pronunciado de energia de exciton e modo de cavidade micropilar (Q ∼ 3800) e um aumento da intensidade de emissão de exciton foram observados e um processo experimental de calibração de modo de cavidade preciso foi proposto, que pode alcançar um acoplamento perfeito do modo de cavidade micropilar e comprimento de onda de QDs e então produzir uma única fonte de fóton com alto brilho e alta pureza de fóton único.

Métodos

A amostra investigada foi cultivada por MBE de fonte sólida (sistema VEECO Gen930) em substrato semi-isolante de GaAs (001). A estrutura da amostra consiste em, em sequência, camada tampão GaAs de 500 nm de espessura, 25,5 pares Al _0,9 Ga _0.1 Como DBR inferior de / GaAs, um λ cavidade de GaAs de espessura e 15 pares Al _0,9 Ga _0.1 As / GaAs DBR superior com o mesmo período. No centro de um λ de espessura de GaAs, a camada ativa de QDs de InAs / GaAs para emissão de fóton único foi cultivada no modo de crescimento Stranski-Krastanov com gradiente de quantidade de deposição de índio no chip para que certas regiões satisfaçam a quantidade de deposição adequada para formação de QD único diluído com comprimento de onda de emissão de exciton em torno de 910 ∼930 nm [36]. A camada acima da camada InAs QDs é uma camada de revestimento de GaAs de 10 nm de espessura. Acima da camada de revestimento está um Be δ -camada de dopagem com uma densidade média de dopagem de folha de cerca de 2 × 10 ⁸ c m ⁻² para aumentar o brilho QD [37, 38], e as estruturas esquemáticas gerais da amostra formal foram demonstradas na Fig. 1b.

a Os espectros de reflexão à temperatura ambiente ( T =300K) da amostra pré-crescida com 6,5 pares inferior e 4 pares superior de DBR e a amostra formal após o processo preciso de calibração do modo de cavidade com 25,5 pares inferior e 15 pares superior de DBR. b Estruturas esquemáticas da amostra formal. c Imagem de microscópio eletrônico de varredura (SEM) da cavidade micropilar com diâmetro de 2,0 μ me altura de 6,5 μ m

Para acoplar perfeitamente o modo de cavidade DBR com o comprimento de onda de emissão do InAs QD, realizamos um processo preciso de calibração do modo de cavidade. O processo de calibração é o seguinte:em primeiro lugar, determine o comprimento de onda de emissão de exciton de QD único InAs / GaAs por μ Espectroscopia PL (geralmente, -920 nm a 10 K); em seguida, cultive uma amostra QD pré-crescida com menos Al _0,9 Ga _0.1 Períodos DBR As / GaAs (6,5 pares inferior e 4 pares DBR superior) com as espessuras definidas por λ / 4 n ( λ :o comprimento de onda central projetado da cavidade DBR, n :índice de refração do material); após o crescimento da amostra pré-crescida, meça seus espectros de reflexão óptica a 300 K e 77 K, respectivamente, para obter a taxa de deslocamento do modo de cavidade; em seguida, defina a razão de incompatibilidade de espessura DBR na mesma temperatura; pois aqui, definimos a posição do modo de cavidade medida da amostra pré-crescida (por exemplo, λ 1) e a razão de incompatibilidade é λ / λ 1 de modo que cresçamos a amostra formal (25,5 pares inferior e 15 pares DBR superior) com a espessura DBR (isto é, tempo de crescimento) multiplicando a razão de incompatibilidade. As amostras cultivadas por este método podem obter com precisão uma combinação de fase perfeita na microcavidade DBR conforme projetada, acoplando-se, assim, ao comprimento de onda de emissão de QDs de InAs simples e alcançando um aprimoramento ideal da emissão de QD.

Neste trabalho, os arranjos de micropilares foram fabricados nas amostras de QD acopladas à cavidade DBR por fotolitografia de feixe de elétrons (EBL) e condicionamento por plasma indutivo acoplado (ICP); o número de série é projetado e fabricado na superfície da amostra para identificar cada micropilar. Em medições de espectros de PL com temperatura ajustada, a amostra foi resfriada em um criostato de banho livre de criogenia com a temperatura ajustada de 4 K a 60 K e excitada por um laser He-Ne no comprimento de onda de 632,8 nm. A configuração do microscópio confocal com uma lente objetiva (NA, 0,70) focaliza o laser em um ponto com um diâmetro de 2 μ me coleta a luminescência efetivamente em um espectrógrafo, que permite a varredura da microrregião para pesquisar linhas espectrais de exciton QD únicas. Microfotoluminescência ( μ Os espectros PL) foram detectados por um monocromador de comprimento focal de 0,75 m equipado com um detector de CCD de Si resfriado com nitrogênio líquido para espectrógrafo. A fatia de atenuação foi ajustada no sistema espectral para sintonizar a potência de excitação, a fim de identificar o estilo do exciton. Para investigar o fenômeno de acoplamento do modo exciton e cavidade, o μ Os espectros de PL foram medidos em várias temperaturas estáveis variando de 6 a 45 K. Para investigar a vida útil radiativa do exciton, uma placa de contagem de fóton único correlacionada com o tempo (TCSPC) foi usada para μ resolvidos no tempo Medição de PL. 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 de Si (SPCM-AQR-15; resolução de tempo, 350 ps; taxa de contagem escura, 80 contagens / s; tempo morto, 45 ns) e um módulo de contagem de coincidência de tempo.

Resultados e discussão

A Figura 1a mostra os espectros de reflexão à temperatura ambiente ( T =300 K) da amostra pré-crescida com 6,5 pares inferior e 4 pares superior de DBR e a amostra formal após o processo de calibração do modo de cavidade com 25,5 pares inferior e 15 pares superior de DBR. O processo de calibração do modo de cavidade é comparar o modo de cavidade central fundamental medido (933,5 nm de amostra pré-crescida a 300 K) com o comprimento de onda de emissão de InAs QD (917,5 nm a 6,0 K) e, em seguida, converter ambos na mesma temperatura para obter a relação de incompatibilidade. Ao aumentar a amostra formal, multiplique o tempo de crescimento do DBR pela razão de incompatibilidade para obter a calibração precisa do modo de cavidade para acoplar com o comprimento de onda de emissão de QDs de InAs simples. Comparando os espectros de reflexão da amostra pré-crescida e da amostra formal, a posição do modo de cavidade foi movida de 933,5 para 941,0 nm, conforme esperado. A Figura 1c mostra a imagem do microscópio eletrônico de varredura (SEM) da cavidade micropilar. Conforme mostrado na imagem SEM, os micropilares com diâmetro de 2,0 μ me uma altura de 6,5 μ m têm paredes laterais muito lisas e aparência de estrutura de alta qualidade, e os InAs QDs foram incorporados em um λ cavidade de GaAs espesso e ensanduichado entre 25,5 pares inferiores e 15 pares de pilhas DBR superiores para aumentar a eficiência de coleta de fótons.

A Figura 2a mostra a linha de exciton (X) em 917,24 nm e a linha de modo de cavidade (CM) em 917,54 nm, que é a circunstância de não ressonância típica do QD embutido em uma cavidade micropilar. Para acoplar perfeitamente o modo de cavidade DBR com o comprimento de onda do InAs QD, foi realizado um processo preciso de calibração do modo de cavidade. Após a calibração, o modo cavidade acoplou-se perfeitamente ao QD, o que mostra na Fig. 2b onde existe apenas a linha X em 919,10 nm. Na ressonância, em comparação com a circunstância de não ressonância, a intensidade PL da linha X aumenta muito de 42k a 95k cps. A energia de desafinação do QD e CM é 73,4 μ e V com base nos resultados do ajuste. De acordo com as medições resolvidas no tempo de circunstância ressonante e não ressonante, o acoplamento perfeito de QD e o modo de cavidade reduz o tempo de vida de 0,908 para 0,689 ns, conforme mostrado na Fig. 2c. O forte aumento da intensidade de emissão e a diminuição do tempo de vida estão relacionados ao aumento da taxa de emissão espontânea para o exciton ressonante QD devido ao efeito Purcell [39].

a μ Espectros PL do excitão QD da amostra não calibrada a 6,0 K com a linha do excitão (X) e a linha do modo de cavidade (CM). b μ Espectros PL do exciton QD da amostra calibrada em 6,0 K. Linhas coloridas:ajuste de Lorentz dos dados experimentais. c Medições resolvidas no tempo de amostra não calibrada e a amostra calibrada a 6,0 K. d Dependente da potência de excitação μ Espectro de PL da amostra não calibrada a 6,0 K; detalhe:intensidade PL integrada de X e CM em função da potência de excitação em uma escala log-log

A excitação dependente da potência μ Espectros PL de InAs / GaAs QD acoplado com micropilar foi estudado usando laser He-Ne de onda contínua (CW) para excitação acima da banda, como mostra a Fig. 2d. O fator de qualidade ( Q ) da cavidade micropilar é estimado em 3800. A identificação dessas linhas de emissão é demonstrada por suas dependências de energia. Com o aumento da potência de excitação, a intensidade PL da linha X e da linha de modo de cavidade é aumentada obviamente. A intensidade PL integrada das linhas X e CM em uma escala log-log mostra uma dependência linear sob baixa potência de excitação e saturada sob alta potência de excitação. As linhas sólidas são ajustadas linearmente aos dados em um gráfico logarítmico duplo. Os resultados do ajuste mostram que a intensidade PL e a potência de excitação têm uma relação exponencial onde o n ( eu ∝ P ⁿ ) da linha X e CM são 0,85 e 0,87 respectivamente, indicando que o tipo de linha de emissão é a linha exciton. O desvio do expoente do valor ideal esperado para a linha de exciton ( n _X =1) pode ser devido ao efeito de centros de recombinação não radiativa na vizinhança dos QDs [4], que afetam a distribuição de portadores em diferentes densidades de portadores.

A Figura 3a mostra os espectros de PL ajustados pela temperatura da amostra não calibrada. De acordo com a Fig. 3a, a linha de exciton (X) e a linha do modo de cavidade (CM) se moveram em diferentes taxas de deslocamento, aumentando a temperatura de 6,0 para 45,0 K. A linha de CM mudou de 917,54 nm (6,0 K) para 918,01 nm (45,0 K) e a taxa de deslocamento do CM é 0,018 μ eV / K, enquanto a linha X mudou de 917,24 nm (6,0 K) para 919,07 nm (45,0 K) e a taxa de deslocamento X é de cerca de 0,069 μ eV / K. A taxa de mudança de emissão de exciton é maior do que a taxa de mudança do modo de cavidade, conforme esperado. Ao comparar as curvas das linhas X e CM, as duas curvas se cruzam na temperatura de 24,0 K, indicando um ponto onde o exciton e o modo de cavidade atingem a ressonância a 24,0 K. Na ressonância, há um aumento da emissão de exciton e o o aumento da emissão observado é de cerca de 14,6 vezes, onde a intensidade do pico de exciton PL aumentou de 6,5 × 10 ³ cps para 9,5 × 10 ⁴ cps. O fenômeno de cruzamento pronunciado do modo cavidade e energias excitantes é demonstrado na Fig. 3a, que indica que a interação luz-matéria está em conformidade com o regime de acoplamento fraco.

a Contorno de espectros de PL ajustados por temperatura da amostra não calibrada de 6,0 a 45,0 K. A função de correlação de segunda ordem g ⁽²⁾ ( τ ) da linha QD exciton (X) sob a excitação CW da amostra sem o processo de calibração ( b ) e a amostra calibrada ( c ) d A vida útil radiativa e g ⁽²⁾ (0) da emissão de exciton para a amostra calibrada sob diferentes potências de excitação

Para confirmar o efeito anti-agrupamento da emissão de fóton único da linha de excitons QD, a função de correlação de segunda ordem g ⁽²⁾ ( τ ) da amostra não calibrada e da amostra calibrada foi medida com a configuração de HBT sob excitação CW. A Figura 3b ec mostra a função de correlação de segunda ordem medida da linha X sob ressonância como uma função do tempo de atraso τ . Os dados podem ser ajustados com a seguinte expressão:\ (g ^ {(2)} (\ tau) =1- [1-g ^ {(2)} (0)] exp (- \ frac {\ mid \ tau \ mid} {T}) \) [40]. A Figura 3b mostra a função de correlação de segunda ordem da amostra sem o processo de calibração. A fim de obter um melhor desempenho de fóton único, a única linha QD exciton X da amostra não calibrada foi sintonizada em ressonância abaixo de 24,0 K para medir o g ⁽²⁾ ( τ ) A função de correlação de segunda ordem no retardo zero da amostra não calibrada sob ressonância sintonizada pela temperatura é g ⁽²⁾ (0) =0,258. A Figura 3c mostra o g ⁽²⁾ ( τ ) do exciton QD após o processo de calibração preciso sob 6,0 K, onde g ⁽²⁾ (0) =0,070. Ambos são inferiores a 0,5, o que indica um efeito anti-agrupamento óbvio e prova um emissor de fóton único com forte supressão da emissão de vários fótons em atraso de tempo zero. Devido ao processo preciso de calibração do modo de cavidade, o acoplamento perfeito entre o exciton QD e o modo de cavidade melhorou a pureza do fóton único de 74,2% para 93,0%. A Figura 3d mostra a vida útil radiativa e g ⁽²⁾ (0) da emissão de exciton para a amostra calibrada sob diferentes potências de excitação. O ajuste das curvas de \ (g ^ {(2)} (\ tau) =1-exp (- \ frac {\ mid \ tau \ mid} {T}) \) dá o tempo de vida radiativo do exciton ( T ), e a figura demonstra que T torna-se mais curto à medida que a potência de excitação aumenta, enquanto g ⁽²⁾ (0) na potência de excitação mais baixa é menor do que na potência de excitação saturada, indicando uma emissão de fóton único mais pura sob potência de excitação mais baixa.

Para obter a taxa líquida de contagem de fóton único do exciton QD após o processo de calibração preciso, estimamos toda a perda óptica, incluindo a eficiência de detecção de fóton e a perda de transmissão. A eficiência de detecção de fótons do detector de Si é de 33% e a perda de transmissão é de 81%, incluindo eficiência de coleta de lente objetiva (66%), eficiência de filtro passa-banda estreita (40%), colimador de fibra (80%) e eficiência de acoplamento de fibra multimodo (90%). Com base na taxa de contagem (1,0 × 10 ⁶ contagens / s) em dois detectores de fóton único de Si nas medições de coincidência e taxa de contagem de fótons corrigida pelo fator de [1− g ⁽²⁾ (0)] ^1/2 [41], estimamos que a taxa líquida de contagem de fóton único é 1,6 × 10 ⁷ contagens / s na primeira lente objetiva. Os resultados indicam que durante o estágio de crescimento da amostra, o acoplamento perfeito entre o modo de cavidade e o exciton QD pode produzir uma fonte de fóton único mais pura e brilhante por meio do processo de calibração preciso.

Conclusões

Em conclusão, apresentamos uma fonte de fóton único brilhante em 919 nm pela fabricação de InAs / GaAs QD em um micropilar Al _0,9 Ga _0.1 Cavidade DBR As / GaAs. Os espectros de PL sintonizados com a temperatura demonstram um aumento pronunciado (14,6 vezes) da emissão de exciton QD no cruzamento com o modo de cavidade sob o regime de acoplamento fraco. Com a ajuda do progresso preciso da calibração do modo de cavidade, é fácil obter uma combinação de fase perfeita na microcavidade DBR para alcançar uma distribuição espacial ideal do modo de cavidade como teoricamente projetado e, assim, alcançar um aprimoramento ideal da emissão QD. O acoplamento perfeito entre o exciton QD e o modo de cavidade aumentou a intensidade do PL em 2,3 vezes e a pureza do fóton único melhorou de 74,2 para 93,0%. A medição de autocorrelação de segunda ordem rendeu g ⁽²⁾ (0) =0,070 sob a ressonância da cavidade, indicando a emissão de um único fóton a uma alta taxa de contagem com 1,6 × 10 ⁷ conta / s antes da primeira lente objetiva. Este trabalho demonstra um método altamente viável para o acoplamento perfeito de QD com o modo de cavidade e a fabricação de fontes de fóton único de alta pureza e alto brilho.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados usados e / ou analisados durante o presente estudo estão disponíveis sem restrição do autor correspondente, mediante solicitação razoável.

Abreviações

DBR:: Refletor Bragg Distribuído
HBT:: Hanbury-Brown e Twiss
ICP:: Plasma indutivo acoplado
MBE:: Epitaxia de feixe molecular
QDs:: Pontos quânticos
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
NA:: Abertura numerica
CW:: Onda continua
SPSs:: Fontes de fóton único
CM:: Modo de cavidade
TCSPC:: Contagem de fóton único correlacionada com o tempo
SPCM:: Módulos de contagem de fóton único
μ PL:: Microfotoluminescência.

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