Высокопроизводительный 1,3 мкм однофотонный источник на основе InAs бислойных квантовых точек в микропиллярных резонаторах

Аннотация

Исследован выраженный высокий счетный уровень однофотонной эмиссии на длине волны 1,3 мкм, способный к волоконно-основанной квантовой коммуникации, от InAs/GaAs бислойных квантовых точек, связанных с микропилляром (диаметр ~3 мкм) полостью распределенных брагговских отражателей (DBR), эффективность извлечения фотонов которой достигла 3,3 %. Режим полости и Перселловское усиление четко наблюдались в микрофоtolюминесцентных спектрах. На детекционном конце установки Ганбери-Брауна-Твисса два лавинных однофотонных счетчика фиксируют общий счетный уровень ~62 000/с; измерение временных совпадений демонстрирует однофотонную эмиссию с вероятностью мультифотонной эмиссии g²(0) всего 0,14.

Предыстория

Волоконно-основанная квантовая информация требует настоящих однофотонных источников (SPS) в телеком диапазоне для замены традиционных псевдо-SPS на основе сильно затухающих пульсных лазеров. Самособранные индивидуальные квантовые точки (QD) потенциально способны излучать настоящие однофотоны и поэтому привлекли большой интерес. Интеграция распределенного брагговского отражателя (DBR) полости с отдельной QD усилит ее направленную эмиссию. По сравнению с InAs QD, выросшими на InP подложке с излучением ~1,55 мкм с решетко-согласованными индий-богатыми материалами, выросшими при низкой температуре как DBR, InAs QD на GaAs подложке выгодны легкой интеграцией решетко-согласованных высококачественных GaAs/Al₀.₉Ga₀.₁As DBR. Для реализации InAs/GaAs QD SPS в телеком диапазоне их длина волны эмиссии должна вытянуться от обычной ~0,9 до 1,3 или 1,55 мкм, а их плотность должна оставаться низкой как 10⁷–10⁸ см⁻² для реализации одиночных QD в микрoregионе. Для фабрикации низкоплотных InAs QD молекулярно-лучевым эпитаксией (MBE) предложены некоторые конструктивные схемы, такие как ультранизкая скорость роста, высокая температура роста и точный контроль количества осаждаемого материала QD и изоляция QD ростом на меза/дырявисто-паттернированном субстрате или травлением в микропилляры. Для расширения длины волны эмиссии разработаны несколько техник, такие как деформационная инженерия QD, метаморфные структуры и деформационно-связанная бислойная QD (BQD) структура. BQD структура на GaAs подложке эффективна для достижения эмиссии выше 1,3 мкм. Высокоплотные BQD применялись в лазерных диодах при ~1,5 мкм при комнатной температуре. Поскольку она избегает использования метаморфного слоя и ультранизкой скорости роста в активном слое, которые могут ухудшить кристаллическое качество, BQD структура также желательна для выращивания низкоплотных QD в телеком длине волны. Низкоплотные InAs/GaAs BQD с излучением 1,3 мкм получены в нашей предыдущей работе. Для достижения высокого счетного уровня однофотонов при 1,3 мкм для волоконно-основанных приложений эффективность извлечения фотонов из одиночных QD должна быть улучшена. В этом письме, дальнейшей оптимизацией условий роста BQD структуры и фабрикацией микропиллярной структуры, мы значительно улучшаем извлечение фотонов из одиночных InAs/GaAs BQD, излучающих при 1,3 мкм. Однофотонный счетный уровень достиг 62 000 счетов/с на InGaAs однофотонном счетном модуле или 3,45 М счетов/с на первом объективе линзы с учетом эффективности сбора фотонов конфокальной микроскопической спектроскопической установки. Это первый раз, когда сообщается о таком высоком счетном уровне однофотонной эмиссии в телеком диапазоне с использованием одиночных InAs/GaAs бислойных QD. Интенсивность эмиссии может быть дополнительно усилена введением n-типа δ-легированного слоя рядом со BQD слоем для производства электронно-заряженных экситонов.

Методы

Исследуемый образец вырос твердотелым MBE (VEECO Gen930 система) на полупроводящей (100) GaAs подложке. Структура образца состоит, по порядку, из 300-нм толстого GaAs буферного слоя, 25,5-парного длины волны-согласованного Al₀.₉Ga₀.₁As (113,7 нм)/GaAs (98,6 нм) нижнего DBR, одного λ-толстого нелегированного GaAs полости и 8-парного Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs верхнего DBR с тем же периодом. В центре GaAs полости активный слой для телеком эмиссии, то есть BQD структура с InGaAs деформационно-сглаживающим слоем, рос при 470 °C в режиме Срански-Крастанова, что было ниже температуры, использованной в нашей предыдущей работе. Больше деталей роста сообщено в ссылке. В этой работе специально массивы микропилляров фабрицировали на DBR полость-связанных BQD образцах фотолитографией и индуктивно-связанной плазмой (ICP) травлением с хлором (Cl₂) и аргоном (Ar) смешанным газом. Как показано на SEM изображении на Рисунке 2a, микропилляры имеют диаметр ~3 мкм и высоту 7,75 мкм, с очень гладкими боковыми стенками. Образец охлаждали в беспельно-беспеленном криостате с температурой тонко настроенной от 4 до 50 К и возбуждали He-Ne лазером на длине волны 633 нм. Конфокальная микроскопическая установка с объективом (NA, 0,65) фокусирует лазер в пятно диаметром 2 мкм и эффективно собирает люминесценцию в спектрограф, позволяя сканирование микрoreгиона для поиска одиночных QD экситонных спектральных линий. Микрофоtolюминесценция (μPL) спектр детектировался 0,3-м фокальным расстоянием монохроматором, оснащенным жидкостно-азото-хлажденным InGaAs линейно-массивным детектором для спектрографа. Для рефлектометрии использовали спектрофотометр (PerkinElmer 1050) со шагом сканирования 2 нм и световым пятном 3 мм × 3 мм. Для исследования радиативного времени жизни экситона использовали плату временно-коррелированного однофотонного подсчета (TCSPC) и импульсный Ti:Сапфир лазер (ширина импульса ~100 фс; частота повторения 80 МГц; длина волны 740 нм) для временно-разрешенных μPL измерений. Для измерения функции вторичной автокорреляции g²(τ), QD спектральная линия люминесценции направляла в волоконно-связанную установку Ганбери-Брауна-Твисса (HBT) и детектировалась двумя InGaAs лавинными однофотонными счетными модулями (IDQ 230; временное разрешение 200 пс; темновой счетный уровень ~80 счетов/с; мертвое время 30 мкс) и модулем временных совпадений.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1a, b показывает AFM изображения BQD, выросших при 480 и 470 °C соответственно. Для образца 480 °C BQD имеют средний диаметр 61 нм и высоту около 10 нм. Для образца 470 °C средний диаметр 75 нм и высота 13 нм, выше и больше, чем при 480 °C. Более низкая температура способствует увеличению размера QD и соотношения сторон. Для усиления эффективности сбора фотонов BQD были встроены в λ-толстую GaAs полость и размещены между 25,5 нижними и 8 верхними DBR стеками. Все одинаковы для двух образцов, за исключением температуры роста BQD. Как показано на рис. 1c, самые яркие BQD в двух образцах, которые мы наблюдали, довольно отличаются в PL спектре. PL интенсивность сильно усилилась при более низкой температуре роста, что можно атрибутировать к сниженной релаксации деформаций и дислокациям вокруг BQD. Рисунок 1d показывает измеренный спектр отражаемости нижнего DBR, со значением около 99 % в диапазоне 1310–1380 нм, демонстрируя хорошее зеркало для отражения QD эмиссии.

Рисунок 2 показывает SEM изображение микропилляра и μPL спектры типичной BQD, встроенной в него. Рисунок 2d показывает μPL спектры как функцию температуры. Эмиссия от BQD достигает максимальной интенсивности при 30 К, предполагая резонаанс полости; см. также рис. 2c. Качественный фактор (Q) микропиллярной полости оценивается примерно 361. Низкий Q атрибутирован малому смещению отражаемости между GaAs и Al₀.₉Ga₀.₁As в телеком длине волны, и здесь использовано меньше пар DBR, чем в конвенциональных DBR, связанных с QD, излучающими при <1 мкм.

Зависимость μPL спектров от мощности возбуждения InAs/GaAs BQD в микропилляре изучали с использованием непрерывной волны (cw) He-Ne лазера для выше-полосного возбуждения, как показано на рис. 3a. Они показывают экситонную линию (X) при 1325,6 нм и заряженную экситонную линию (X*) при 1327,1 нм. Идентификация этих эмиссионных линий поддерживается их различной зависимостью от мощности. На рис. 3b интегрированная PL интенсивность X линии при 1325,6 нм показала линейную зависимость от мощности возбуждения в области низкой мощности и насыщение при высокой мощности возбуждения. Сплошные линии — линейная аппроксимация данных в двойном логарифмическом масштабе. X* линия при 1327,1 нм показывает ненасыщенную зависимость от мощности возбуждения. Последующие исследования проводили на X линии.

Временнно-разрешенные PL измерения проводили для определения Перселловского усиления. Спонтанное распад эмиссии BQD X линии на QD-полость резонаансе и при дальнем детеюнинге показаны на рис. 4a. Аппроксимированное радиативное время жизни 0,66 нс для резонаанса и 1,25 нс для дальнего детеюнинга, соответствующее Перселловскому фактору усиления 1,9. Для подтверждения однофотонной эмиссии X линии при 1325,6 нм измеряли функцию вторичной корреляции g²(τ) с HBT установкой под cw и насыщенным пульсным возбуждением. Рисунок 4b показывает измеренную функцию вторичной корреляции X линии как функцию задержки времени τ под cw возбуждением. Данные могли быть аппроксимированы выражением: g²(τ) = 1 − [1 − g²(0)]exp(−|τ|/T). Аппроксимация дает g²(0) = 0,14, доказывая однофотонный излучатель с сильным подавлением мультифотонной эмиссии при нулевой временной задержке. Счетный уровень, измеренный на детекторах, представлен на рис. 4c как функция мощности насоса. Он показывает линейную зависимость в слабом режиме насоса и насыщение в сильном режиме. При насыщении счетный уровень составляет около 62 000 счетов/с от двух InGaAs однофотонных детекторов, также включая темновые счеты двух детекторов. Для вывода соответствующего числа фотонов, собранных в первой линзе, калибровали все оптические потери с использованием cw лазера при 1320 нм. Потери передачи включая микроскопический объектив, длинноволновой фильтр, зеркала, линзу и эффективность монохроматора, линзы и соединителей между волокнами составили 10,46 дБ. Детекционная эффективность и темновой счетный уровень InGaAs детектора с мертвым временем 30 мкс — 18 % и ~150 счетов/с соответственно. Основываясь на счетном уровне на InGaAs однофотонных детекторах и скорректированном счетном уровне фотонов фактором [1−g²(0)]¹ᐟ², оцениваем чистый однофотонный детекционный уровень после компенсации вклада мультифотонной эмиссии и темнового счетного уровня как 3,45 × 10⁶ счетов/с при насыщенной мощности насоса на первом объективе линзы. Для оценки эффективности извлечения фотонов микропиллярной структуры также выполняли измерения под пульсным возбуждением. На рис. 4d, e наблюдаем счетный уровень 48 000/с на однофотонных детекторах при насыщенной мощности насоса с g²(0) = 0,19, под 80 МГц частотой повторения лазера, что дает эффективность извлечения фотонов 3,3 % после компенсации вклада мультифотонной эмиссии и с учетом эффективности детекционной установки. По нашему мнению, из-за нерезонантного процесса возбуждения и низкой детекционной эффективности и длинного мертвого времени InGaAs детектора, наблюдаемый счетный уровень однофотонов может быть занижен.

Заключение

В заключении, мы представили яркий однофотонный источник при 1325,6 нм, используя одиночную деформационно-связанную бислойную InAs/GaAs QD в микропиллярной Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs DBR полости. Однофотонная эмиссия действительно усилена оптимизацией температуры роста QD и фабрикацией микропиллярной структуры. Детектируемый однофотонный уровень достигает 62 000 счетов/с, соответствующий однофотонной эмиссионной скорости 3,45 МГц на первом объективе линзы. Эффективность извлечения фотонов оценивается примерно 3,3 % с Q ~300 микропиллярной полостью. Измерение вторичной автокорреляции с InGaAs однофотонными счетными модулями дало g²(0) = 0,14, демонстрируя однофотонную эмиссию даже при высоком счетном уровне. Это первый раз, когда сообщается о таком высоком уровне однофотонной эмиссии в телеком диапазоне с использованием одиночной InAs/GaAs бислойной QD.