Peningkatan emisi foton tunggal dengan penggabungan sempurna mode quantum dot InAs/GaAs dan rongga mikropillar

Hasil dan diskusi

Gambar 1a menunjukkan spektrum refleksi pada suhu kamar (T =300 K) sampel pra-tumbuh dengan 6,5 pasang DBR bawah dan 4 pasang DBR atas dan sampel formal setelah proses kalibrasi mode rongga dengan 25,5 pasang tumpukan DBR bawah dan 15 pasang DBR atas. Proses kalibrasi mode rongga adalah untuk membandingkan mode rongga dasar pusat yang diukur (933,5 nm sampel pra-tumbuh pada 300 K) dengan panjang gelombang emisi InAs QD (917,5 nm pada 6,0 K), dan kemudian mengubah keduanya menjadi suhu yang sama untuk mendapatkan rasio ketidaksesuaian. Saat menumbuhkan sampel formal, kalikan waktu pertumbuhan DBR dengan rasio ketidakcocokan untuk mencapai kalibrasi mode rongga yang akurat untuk digabungkan dengan panjang gelombang emisi QD InAs tunggal. Membandingkan spektrum refleksi sampel pra-tumbuh dan sampel formal, posisi mode rongga dipindahkan dari 933,5 ke 941,0 nm seperti yang diharapkan. Gambar 1c menunjukkan gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) dari rongga mikropilar. Seperti yang ditunjukkan pada gambar SEM, mikropilar dengan diameter 2,0 μ m dan tinggi 6,5 μ m memiliki dinding samping yang sangat halus dan tampilan struktur berkualitas tinggi, dan QD InAs disematkan dalam λ - Rongga GaAs yang tebal dan terjepit di antara 25,5 pasang tumpukan DBR bawah dan 15 pasang tumpukan DBR atas untuk meningkatkan efisiensi pengumpulan foton.

Gambar 2a menunjukkan garis eksiton (X) pada 917,24 nm dan garis mode rongga (CM) pada 917,54 nm yang merupakan keadaan non-resonansi khas QD yang tertanam dalam rongga mikropillar. Untuk menggabungkan mode rongga DBR dengan panjang gelombang InAs QD dengan sempurna, proses kalibrasi mode rongga yang presisi dilakukan. Setelah kalibrasi, mode rongga digabungkan dengan QD dengan sempurna, yang ditunjukkan pada Gambar. 2b di mana hanya ada garis X pada 919,10 nm. Pada resonansi, dibandingkan dengan keadaan non-resonansi, intensitas PL dari garis X meningkat pesat dari 42k menjadi 95k cps. Energi pemutusan QD dan CM adalah 73,4 μ e V berdasarkan hasil pemasangan. Menurut pengukuran waktu yang diselesaikan dari keadaan resonansi dan non-resonansi, kopling sempurna QD dan mode rongga mengurangi masa pakai dari 0,908 menjadi 0,689 ns seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c. Peningkatan kuat intensitas emisi dan penurunan masa pakai terkait dengan peningkatan laju emisi spontan untuk eksitasi QD resonansi karena efek Purcell [39].

a μ Spektrum PL dari eksitasi QD dari sampel yang tidak dikalibrasi pada 6,0 K dengan garis eksiton (X) dan garis mode rongga (CM). b μ Spektrum PL dari rangsangan QD dari sampel yang dikalibrasi pada 6,0 K. Garis berwarna:Pemasangan Lorentz dari data eksperimen. c Pengukuran yang diselesaikan dengan waktu dari sampel yang tidak dikalibrasi dan sampel yang dikalibrasi pada 6,0 K. d μ . bergantung pada daya eksitasi Spektrum PL dari sampel yang tidak dikalibrasi pada 6,0 K; inset:intensitas PL terintegrasi dari X dan CM sebagai fungsi daya eksitasi dalam skala log-log

μ . yang bergantung pada daya eksitasi Spektrum PL dari InAs/GaAs QD yang digabungkan dengan mikropilar dipelajari dengan menggunakan laser He-Ne gelombang kontinu (CW) untuk eksitasi pita di atas seperti yang ditunjukkan Gambar 2d. Faktor kualitas (Q ) dari rongga mikropilar diperkirakan 3800. Identifikasi garis emisi ini ditunjukkan oleh ketergantungan dayanya. Dengan peningkatan daya eksitasi, intensitas PL dari garis X dan garis mode rongga jelas ditingkatkan. Intensitas PL terintegrasi dari garis X dan garis CM dalam skala log-log menunjukkan ketergantungan linier di bawah daya eksitasi rendah dan jenuh di bawah daya eksitasi tinggi. Garis padat sesuai linier dengan data dalam plot logaritmik ganda. Hasil fitting menunjukkan bahwa intensitas PL dan daya eksitasi memiliki hubungan eksponensial dimana n (Aku P ⁿ ) garis X dan CM berturut-turut adalah 0,85 dan 0,87, menunjukkan bahwa jenis garis emisi adalah garis eksiton. Penyimpangan eksponen dari nilai ideal yang diharapkan untuk garis exciton (n _X =1) mungkin karena efek dari pusat rekombinasi nonradiatif di sekitar QDs [4], yang mempengaruhi distribusi pembawa pada kepadatan pembawa yang berbeda.

Gambar 3a menunjukkan spektrum PL yang disetel suhu dari sampel yang tidak dikalibrasi. Menurut Gambar 3a, garis exciton (X) dan garis mode rongga (CM) bergerak pada tingkat pergeseran yang berbeda dengan meningkatkan suhu dari 6,0 menjadi 45,0 K. Garis CM bergeser dari 917,54 nm (6,0 K) menjadi 918,01nm (45,0 K) dan tingkat pergeseran CM adalah 0,018 μ eV/K, sedangkan garis X bergeser dari 917,24 nm (6,0 K) menjadi 919,07 nm (45,0 K) dan laju pergeseran X sekitar 0,069 μ eV/K. Tingkat pergeseran emisi eksiton lebih besar dari tingkat pergeseran mode rongga seperti yang diharapkan. Dengan membandingkan kurva garis X dan CM, kedua kurva berpotongan pada suhu 24,0 K, menunjukkan titik di mana mode eksiton dan rongga mencapai resonansi pada 24,0 K. Pada resonansi, terjadi peningkatan emisi eksiton dan peningkatan emisi yang diamati adalah sekitar 14,6 kali lipat di mana intensitas puncak PL eksiton meningkat dari 6,5×10 ³ cps menjadi 9,5×10 ⁴ cps Fenomena persilangan yang nyata dari mode rongga dan energi eksitasi ditunjukkan pada Gambar. 3a, yang menunjukkan bahwa interaksi materi cahaya sesuai dengan rezim kopling yang lemah.

a Kontur spektrum PL yang disetel suhu dari sampel yang tidak dikalibrasi dari 6,0 hingga 45,0 K. Fungsi korelasi orde kedua g ⁽²⁾ (τ ) dari garis eksiton QD (X) di bawah eksitasi CW sampel tanpa proses kalibrasi (b ) dan sampel yang dikalibrasi (c ). d Masa pakai radiasi dan g ⁽²⁾ (0) dari emisi eksiton untuk sampel yang dikalibrasi di bawah daya eksitasi yang berbeda

Untuk mengkonfirmasi efek anti-bunching dari emisi foton tunggal dari garis eksitasi QD, fungsi korelasi orde kedua g ⁽²⁾ (τ ) dari sampel yang tidak dikalibrasi dan sampel yang dikalibrasi diukur dengan pengaturan HBT di bawah eksitasi CW. Gambar 3b dan c menunjukkan fungsi korelasi orde kedua terukur dari garis X di bawah resonansi sebagai fungsi waktu tunda τ . Data dapat dilengkapi dengan ekspresi berikut:\(g^{(2)}(\tau)=1-[1-g^{(2)}(0)]exp(-\frac {\mid \tau \mid }{T})\) [40]. Gambar 3b menunjukkan fungsi korelasi orde kedua sampel tanpa proses kalibrasi. Untuk mendapatkan kinerja foton tunggal yang lebih baik, garis eksiton X QD tunggal dari sampel yang tidak dikalibrasi disetel ke resonansi di bawah 24,0 K untuk mengukur g ⁽²⁾ (τ ). Fungsi korelasi orde kedua pada penundaan nol dari sampel yang tidak dikalibrasi di bawah resonansi yang disetel suhu adalah g ⁽²⁾ (0)=0.258. Gambar 3c menunjukkan g ⁽²⁾ (τ ) dari rangsangan QD setelah proses kalibrasi presisi di bawah 6,0 K, di mana g ⁽²⁾ (0) =0,070. Keduanya kurang dari 0,5, yang menunjukkan efek anti-bunching yang jelas dan membuktikan pemancar foton tunggal dengan penekanan kuat emisi multi-foton pada penundaan waktu nol. Karena proses kalibrasi mode rongga yang presisi, penggabungan sempurna antara eksitasi QD dan mode rongga meningkatkan kemurnian foton tunggal dari 74,2% menjadi 93,0%. Gambar 3d menunjukkan masa pakai radiasi dan g ⁽²⁾ (0) dari emisi eksiton untuk sampel yang dikalibrasi di bawah daya eksitasi yang berbeda. Pemasangan kurva dari \(g^{(2)}(\tau)=1-exp(-\frac {\mid \tau \mid }{T})\) memberikan masa hidup radiasi eksiton (T ), dan gambar tersebut menunjukkan bahwa T menjadi lebih pendek saat daya eksitasi meningkat, sementara g ⁽²⁾ (0) pada daya eksitasi yang lebih rendah lebih kecil dari pada daya eksitasi jenuh, menunjukkan emisi foton tunggal yang lebih murni di bawah daya eksitasi yang lebih rendah.

Untuk mendapatkan tingkat penghitungan foton tunggal bersih dari rangsangan QD setelah proses kalibrasi yang tepat, kami memperkirakan semua kehilangan optik termasuk efisiensi deteksi foton dan kehilangan transmisi. Efisiensi deteksi foton dari detektor Si adalah 33%, dan kehilangan transmisi adalah 81% termasuk efisiensi pengumpulan lensa objektif (66%), efisiensi filter bandpass sempit (40%), kolimator serat (80%), dan efisiensi kopling serat multimode (90%). Berdasarkan tingkat hitungan (1,0×10 ⁶ hitungan/dtk) pada dua detektor foton tunggal Si dalam pengukuran kebetulan dan laju penghitungan foton terkoreksi dengan faktor [1−g ⁽²⁾ (0)] ^1/2 [41], kami memperkirakan tingkat penghitungan foton tunggal bersih adalah 1,6×10 ⁷ hitungan/s pada lensa objektif pertama. Hasilnya menunjukkan bahwa selama tahap pertumbuhan sampel, penggabungan sempurna antara mode rongga dan eksitasi QD dapat menghasilkan sumber foton tunggal yang lebih murni dan lebih cerah melalui proses kalibrasi yang tepat.