Яркий однофотонный источник на 1,3 мкм на основе двухслойной квантовой точки InAs в Micropillar

Фон

Квантовая информация на основе оптического волокна требует реальных однофотонных источников (SPS) в телекоммуникационном диапазоне, чтобы заменить традиционные псевдо-SPS, основанные на сильно затухающих импульсных лазерах. Самоорганизующиеся отдельные квантовые точки (КТ) потенциально могут испускать реальные одиночные фотоны и поэтому вызывают большой интерес [1,2,3,4]. Интеграция резонатора распределенного брэгговского отражателя (DBR) в одиночную квантовую точку усилит его направленное излучение. По сравнению с квантовыми точками InAs, выращенными на подложке InP, излучающей на длине волны ~ 1,55 мкм, с материалами с согласованной решеткой, богатыми индием, выращенными при низкой температуре в виде РБО [5, 6], КТ InAs, выращенные на подложке GaAs, имеют преимущество в простоте интеграции согласованных по параметрам решеток. высококачественный GaAs / Al _0.9 Ga _0,1 Как DBR. Для реализации SPS с квантовыми точками InAs / GaAs в телекоммуникационном диапазоне длина волны излучения должна быть от обычной ~ 0,9 до 1,3 или 1,55 мкм, а их плотность должна оставаться на уровне 10 ⁷ –10 ⁸ см ⁻² реализовать одиночные КТ в микрообласти. Для изготовления квантовых точек InAs с низкой плотностью методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ) были предложены некоторые конструктивные схемы, такие как сверхнизкая скорость роста [3], высокая температура роста [7,8,9] и точный контроль количества осаждения [10 ] квантовых точек и выделение квантовых точек путем выращивания на подложке с меза / дырочным рисунком [11] или травления в микростолбики [12, 13]. Для увеличения длины волны излучения было разработано несколько методов, таких как инженерия деформации квантовых точек [14], метаморфических структур [2] и деформационно-связанных двухслойных квантовых точек (BQD) [15,16,17]. Структура BQD на подложке GaAs эффективна для достижения излучения выше 1,3 мкм. BQD высокой плотности применялись в лазерных диодах на ~ 1,5 мкм, работающих при комнатной температуре [15,16]. Поскольку она позволяет избежать использования метаморфического слоя и сверхнизкой скорости роста в активном слое, что может ухудшить качество кристалла [2], структура BQD также желательна для выращивания квантовых точек с низкой плотностью в телекоммуникационных длинах волн. В нашей предыдущей работе [18] были получены ДКТ InAs / GaAs с низкой плотностью излучения на длине волны 1,3 мкм. Для достижения высокой скорости счета одиночных фотонов на 1,3 мкм для волоконно-оптических приложений [2, 19] необходимо повысить эффективность вывода фотонов из одиночных квантовых точек. В этом письме, дополнительно оптимизируя условия роста структуры BQD и создавая микростолбиковую структуру, мы значительно улучшаем вывод фотонов из одиночных InAs / GaAs BQD, излучающих на 1,3 мкм. Скорость счета однофотонов достигла 62000 импульсов в секунду в модуле счета однофотонов InGaAs или 3,45 миллионов импульсов в секунду в первой линзе объектива с учетом эффективности сбора фотонов в установке конфокальной спектроскопии микроскопа. Это первый случай, когда сообщается о высокой скорости счета однофотонного излучения на телекоммуникационной длине волны с использованием BQD InAs / GaAs. Интенсивность излучения может быть дополнительно увеличена за счет введения δ-легированного слоя n-типа рядом со слоем BQD для создания заряженных электронов экситонов [13].

Методы

Исследуемый образец был выращен методом МПЭ с твердым источником (система VEECO Gen930) на полуизолирующей подложке (100) GaAs. Структура образца последовательно состоит из буферного слоя GaAs толщиной 300 нм и согласованного по длине волны Al _0,9 из 25,5 пар. Ga _0,1 As (113,7 нм) / GaAs (98,6 нм) нижний РБО, единица λ -толстый резонатор из нелегированного GaAs и 8-парный Al _0.9 Ga _0,1 As / GaAs верхний РБО с тем же периодом. В центре резонатора GaAs активный слой для телекоммуникационного излучения, то есть структура BQD с понижающим деформацию слоем InGaAs, выращивалась при 470 ° C в режиме роста Странского-Крастанова, что было ниже температуры, используемой в предыдущем примере. Работа. Более подробная информация о росте представлена ​​в ссылке. [18]. В этой работе, в частности, на образцах BQD, связанных с DBR-полостями, изготавливаются массивы микростолбиков с помощью фотолитографии и травления с использованием индуктивно-связанной плазмы (ICP) с хлором (Cl ₂ ) и газовой смеси аргона (Ar). Как показано на изображении, полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) на рис. 2а, микростолбы имеют диаметр ~ 3 мкм и высоту 7,75 мкм с очень гладкими боковыми стенками. Образец охлаждали в криостате без криогенной ванны с точной настройкой температуры от 4 до 50 К и возбуждали гелий-неоновым 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, что позволяет сканировать микрообласть для поиска спектральных линий одиночных экситонов КТ. Спектр микрофотолюминесценции (μPL) регистрировался монохроматором с фокусным расстоянием 0,3 м, снабженным охлаждаемым жидким азотом детектором с линейной решеткой для спектрографа InGaAs. Для измерения отражательной способности использовали спектрофотометр (PerkinElmer 1050) с шагом сканирования 2 нм и световым пятном 3 мм × 3 мм. Для исследования радиационного времени жизни экситона использовались плата для коррелированного по времени однофотонного счета (TCSPC) и импульсный лазер на Ti:Sapphire (длительность импульса ~ 100 фс, частота повторения 80 МГц, длина волны 740 нм). измерение μPL с временным разрешением. Для измерения автокорреляционной функции второго порядка g ⁽²⁾ ( τ ) люминесценция спектральной линии квантовых точек отправлялась на волоконно-оптическую установку Hanbury-Brown and Twiss (HBT) [20] и регистрировалась двумя модулями лавинного счета InGaAs (IDQ 230; временное разрешение 200 пс; скорость счета в темноте) , ~ 80 отсчетов / с; мертвое время 30 мкс) и модуль счета совпадений по времени.

Результаты и обсуждение

На рис. 1а, б представлены АСМ-изображения БКТ, выращенных при 480 и 470 ° C соответственно. Для образца с температурой 480 ° C средний диаметр BQD составляет 61 нм, а высота - около 10 нм. Для образца при 470 ° C средний диаметр составляет 75 нм, а высота - 13 нм, что выше и больше, чем у образца, выращенного при 480 ° C. Более низкая температура способствует увеличению размера КТ и аспектного отношения [21]. Чтобы повысить эффективность сбора фотонов, BQD были встроены в λ -толстый резонатор из GaAs, расположенный между 25,5 нижними и 8 верхними пакетами РБО. Все они одинаковы для двух образцов, за исключением температуры роста BQD. Как показано на рис. 1в, самые яркие ДКТ в двух наблюдаемых нами образцах сильно различаются по спектру ФЛ. Интенсивность ФЛ значительно увеличивалась при более низкой температуре роста, что можно объяснить уменьшением релаксации деформации и дислокации вокруг ДКТ [21]. На рисунке 1d показан измеренный спектр отражательной способности нижнего РБО со значением около 99% в диапазоне 1310–1380 нм, демонстрирующий хорошее зеркало для отражения излучения КТ.

1 × 1 мкм ² изображение, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), BQD без колпачков, выращенных на a 480 и b 470 ° С. c Спектры μPL BQD, встроенных в полости DBR, выращенных при 480 ° C ( красный ) и 470 ° C ( черный ), измеренная при 4 К. d Спектр отражения нижнего РБО, измеренный при комнатной температуре

На рис. 2 показаны СЭМ-изображение микростолба и спектры μPL типичного BQD, встроенного в него. На рис. 2г показаны спектры μPL в зависимости от температуры. Излучение BQD достигает максимальной интенсивности при 30 K, что свидетельствует о резонансе полости; также см. рис. 2c. Добротность (Q) полости микростолбика оценивается примерно в 361. Низкая добротность объясняется небольшим смещением отражательной способности между GaAs и Al _0,9 Ga _0,1 Как и в телекоммуникационной области, здесь было использовано меньше пар DBR, чем обычных DBR, связанных с квантовыми точками, излучающими на длине волны <1 мкм [12, 22].

а СЭМ-изображение микростолбиковой структуры (диаметр ~ 3 мкм). б Типичный спектр ФЛ одиночного BQD в микропилларе при 4 К. d Температурно-зависимые спектры μPL типичного BQD в микропиллярном и c интегральная интенсивность ФЛ как функция отстройки экситон-резонатор при мощности возбуждения ~ 2 мкВт, красная линия :Лоренцевский фитинг

Зависимые от мощности возбуждения спектры μPL InAs / GaAs BQD в микростолбе были исследованы с использованием непрерывного (непрерывного) гелий-неонового лазера для надзонного возбуждения, как показано на рис. 3a. Они показывают линию экситона (X) при 1325,6 нм и линию заряженного экситона (X *) при 1327,1 нм. Идентификация этих эмиссионных линий подтверждается их различными степенными зависимостями. На рис. 3б интегральная интенсивность ФЛ линии X на 1325,6 нм показала линейную зависимость от мощности возбуждения в области малой мощности и насыщения при высокой мощности возбуждения. Сплошные линии соответствуют данным на двойном логарифмическом графике. Линия X * при 1327,1 нм показывает ненасыщенную зависимость мощности возбуждения [23]. Следующие исследования были выполнены на линии X.

а Спектры μPL, зависящие от мощности возбуждения ( T =4 K) типичных BQD в микропилларе. б Интегральная интенсивность ФЛ экситона (X) и заряженного экситона (X *) как функция мощности возбуждения в логарифмическом масштабе. Цветные линии :линейная аппроксимация экспериментальных данных

Измерения фотолюминесценции с временным разрешением были выполнены для определения усиления Парселла. Затухание спонтанного излучения X-линии BQD при резонансе полости КТ и при большой отстройке показано на рис. 4а. Подгонка радиационного времени жизни составляет 0,66 нс для резонанса и 1,25 нс для дальней отстройки, что соответствует коэффициенту усиления Парселла, равному 1,9. Чтобы подтвердить однофотонное излучение линии X на длине волны 1325,6 нм, мы измерили корреляционную функцию второго порядка g ⁽²⁾ ( τ ) с установкой HBT при непрерывном цитировании и возбуждении насыщенными импульсами. На рисунке 4b показана измеренная корреляционная функция второго порядка линии X как функция времени задержки τ . при непрерывном возбуждении. Данные могут быть укомплектованы следующим выражением: g ⁽²⁾ ( τ ) =1 - [1 - г ⁽²⁾ (0)] ехр (- | τ | / Т ) [24]. Подгонка приводит к г ² (0) =0,14, что доказывает однофотонный излучатель с сильным подавлением многофотонного излучения при нулевой временной задержке. Скорость счета, измеренная на детекторах, представлена ​​на рис. 4в в зависимости от мощности накачки. Он показывает линейную зависимость в режиме слабой накачки и переходит в насыщение в режиме сильной накачки. При насыщении скорость счета составляет около 62000 отсчетов / с от двух детекторов одиночных фотонов InGaAs, включая темновые отсчеты двух детекторов. Чтобы определить соответствующее количество фотонов, собранных в первой линзе, мы калибруем все оптические потери, используя непрерывный лазер на 1320 нм. Потери при передаче, включая объектив микроскопа, длиннопроходный фильтр, зеркала и линзу, а также эффективность монохроматора, линзы и соединителей между волокнами составляли 10,46 дБ. Эффективность обнаружения и скорость темнового счета детектора InGaAs с мертвым временем 30 мкс составляют 18% и ~ 150 отсчетов / с соответственно. На основе скорости счета однофотонных детекторов InGaAs и скорректированной скорости счета фотонов в [1− g ⁽²⁾ (0)] ^1/2 [25], мы оцениваем чистую скорость обнаружения однофотонов после компенсации вклада многофотонного излучения и темновой скорости счета в 3,45 × 10 ⁶ отсчетов / с при мощности насыщенной накачки на первой линзе объектива. Для оценки эффективности вывода фотонов микростолбиком были также проведены измерения при импульсном возбуждении. На рис. 4d, e мы наблюдаем скорость счета 48000 / с на однофотонных детекторах при насыщенной мощности накачки с g ² (0) =0,19 при лазерном возбуждении с частотой повторения 80 МГц, что дает эффективность извлечения фотонов 3,3% после компенсации вклада многофотонного излучения и с учетом эффективности установки обнаружения. По нашему мнению, из-за нерезонансного процесса возбуждения [12, 26], низкой эффективности детектирования и большого мертвого времени детектора InGaAs наблюдаемая скорость счета одиночных фотонов может быть занижена.

а Измерения с временным разрешением на ( белый кружок ) и выключено (черный кружок ), резонансный линии X в микропилларе, что показывает фактор Парселла F _p =1,9. б , d Корреляционная функция второго порядка g ⁽²⁾ ( τ ) для линии X при непрерывном возбуждении и импульсном лазерном возбуждении 80 МГц при насыщенной мощности накачки. c , e Интенсивность ФЛ экситонного пика на 1325.6 нм в зависимости от мощности накачки при непрерывном и импульсном возбуждении соответственно. черные круги в c и е обозначают скорость счета, зарегистрированную на детекторах InGaAs

Выводы

В заключение мы представили яркий однофотонный источник на длине волны 1325,6 нм с использованием одинарной двухслойной квантовой точки InAs / GaAs с деформационной связью в микростолбике Al _0.9 Ga _0,1 Резонатор РБО на основе As / GaAs. Однофотонное излучение действительно было усилено за счет оптимизации температуры роста квантовых точек и изготовления микростолбиков. Обнаруженная скорость однофотонного излучения достигает 62000 импульсов в секунду, что соответствует скорости однофотонного излучения 3,45 МГц на первой линзе объектива. Эффективность вывода фотонов оценивается примерно в 3,3% с микропиллярной полостью Q ~ 300. Измерение автокорреляции второго порядка с помощью модулей счета однофотонов InGaAs дало g ⁽²⁾ (0) =0,14, демонстрируя однофотонное излучение даже при высокой скорости счета. Это первый случай, когда сообщается о столь высокой скорости однофотонной эмиссии в телекоммуникационном диапазоне с использованием одной двухслойной квантовой точки InAs / GaAs.

Сокращения

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

BQD:

Двухслойный QD

cw:

Непрерывная волна

DBR:

Распределенные брэгговские отражатели

HBT:

Хэнбери-Браун и Твисс

ICP:

Индуктивно-связанная плазма

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

QD:

Квантовые точки

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

СПС:

Однофотонные источники

TCSPC:

Коррелированный по времени счет одиночных фотонов

μPL:

Микрофотолюминесценция