Sumber Foton Tunggal Terang pada 1,3 μm Berdasarkan InAs Bilayer Quantum Dot di Micropillar
Abstrak
Tingkat penghitungan emisi foton tunggal yang tinggi pada panjang gelombang 1,3 μm yang mampu melakukan komunikasi kuantum berbasis serat dari titik-titik kuantum bilayer InAs/GaAs yang digabungkan dengan rongga mikropillar (diameter ~3 μm) dari reflektor Bragg terdistribusi diselidiki, yang efisiensi ekstraksi foton telah mencapai 3,3%. Mode rongga dan peningkatan Purcell telah diamati dengan jelas dalam spektrum mikrofotoluminesensi. Pada akhir deteksi penyiapan Hanbury-Brown dan Twiss, dua modul pencacah foton tunggal yang gugur mencatat laju penghitungan total ~62.000/dtk; pengukuran penghitungan kebetulan waktu menunjukkan emisi foton tunggal, dengan kemungkinan emisi multi-foton, yaitu, g
2
(0), hanya 0,14.
Latar Belakang
Informasi kuantum berbasis serat optik memerlukan sumber foton tunggal nyata (SPS) di pita telekomunikasi untuk menggantikan pseudo-SPS tradisional berdasarkan laser pulsa yang sangat membusuk. Quantum dot (QDs) individu yang dirakit sendiri berpotensi memancarkan foton tunggal nyata dan dengan demikian telah menarik minat yang besar [1,2,3,4]. Integrasi rongga reflektor Bragg (DBR) terdistribusi ke QD tunggal akan meningkatkan emisi terarahnya. Dibandingkan dengan InAs QD yang ditanam pada substrat InP yang memancarkan ~1,55 μm dengan material kaya indium yang cocok dengan kisi yang ditanam pada suhu rendah sebagai DBR [5, 6], QD InAs yang ditanam pada substrat GaAs menguntungkan pada integrasi yang mudah dengan kisi yang cocok GaAs/Al berkualitas tinggi0,9 Ga0,1 Sebagai DBR. Untuk mewujudkan SPS QD InAs/GaAs pada pita telekomunikasi, panjang gelombang emisinya harus memanjang dari biasanya ~0,9 hingga 1,3 atau 1,55 μm dan kerapatannya harus dijaga serendah 10
7
–10
8
cm
−2
untuk mewujudkan QD tunggal di wilayah mikro. Untuk membuat QDs InAs densitas rendah dengan molekul beam epitaksi (MBE), beberapa skema konstruktif telah diusulkan, seperti laju pertumbuhan sangat rendah [3], suhu pertumbuhan tinggi [7,8,9], dan kontrol jumlah deposisi yang tepat [10 ] dari QDs dan isolasi QDs dengan pertumbuhan pada substrat berpola mesa/lubang [11] atau etsa ke dalam mikropilar [12, 13]. Untuk memperpanjang panjang gelombang emisinya, beberapa teknik telah dikembangkan, seperti rekayasa regangan QDs [14], struktur metamorfik [2], dan struktur QD (BQD) bilayer regangan berpasangan [15,16,17]. Struktur BQD pada substrat GaAs efektif untuk mencapai emisi di atas 1,3 μm. BQD densitas tinggi telah diterapkan dalam dioda laser pada ~1,5 m yang beroperasi pada suhu kamar [15, 16]. Karena menghindari penggunaan lapisan metamorf dan laju pertumbuhan sangat rendah pada lapisan aktif, yang dapat menurunkan kualitas kristal [2], struktur BQD juga diinginkan untuk menumbuhkan QD densitas rendah dalam panjang gelombang telekomunikasi. BQD InAs/GaAs densitas rendah yang memancarkan pada 1,3 m telah diperoleh dalam pekerjaan kami sebelumnya [18]. Untuk mencapai tingkat penghitungan foton tunggal yang tinggi pada 1,3 μm untuk aplikasi berbasis serat [2, 19], efisiensi ekstraksi foton dari QD tunggal harus ditingkatkan. Dalam surat ini, dengan lebih mengoptimalkan kondisi pertumbuhan struktur BQD dan membuat struktur mikropilar, kami meningkatkan ekstraksi foton dari BQD InAs/GaAs tunggal yang memancarkan 1,3 μm secara signifikan. Tingkat penghitungan foton tunggal telah mencapai 62.000 hitungan/detik pada modul penghitungan foton tunggal InGaAs atau 3,45 M hitungan/detik pada lensa objektif pertama dengan mempertimbangkan efisiensi pengumpulan foton dari penyiapan spektroskopi mikroskop confocal. Ini adalah pertama kalinya melaporkan tingkat penghitungan emisi foton tunggal yang tinggi pada panjang gelombang telekomunikasi dengan menggunakan BQD InAs/GaAs. Intensitas emisi dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan memperkenalkan lapisan -doped tipe-n yang berdekatan dengan lapisan BQD untuk menghasilkan eksitasi bermuatan elektron [13].
Metode
Sampel yang diselidiki ditumbuhkan dengan MBE sumber padat (sistem VEECO Gen930) pada substrat GaAs semi-isolasi (100). Struktur sampel terdiri dari, secara berurutan, lapisan buffer GaAs setebal 300 nm, Al0,9 yang cocok dengan panjang gelombang 25,5 pasang. Ga0,1 Sebagai (113,7 nm)/GaAs (98,6 nm) DBR bawah, satu λ -rongga GaAs yang tidak didoping tebal, dan 8-pasangan Al0,9 Ga0,1 As/GaAs atas DBR dengan periode yang sama. Di tengah rongga GaAs, lapisan aktif untuk emisi telekomunikasi, yaitu, struktur BQD dengan lapisan pereduksi regangan InGaAs, ditumbuhkan pada 470 °C dalam mode pertumbuhan Stranski-Krastanov, yang lebih rendah dari suhu yang digunakan sebelumnya. bekerja. Rincian pertumbuhan lebih lanjut dilaporkan dalam Ref. [18]. Dalam karya ini, khususnya, susunan mikropilar dibuat pada sampel BQD yang digabungkan rongga DBR dengan fotolitografi dan pengetsaan plasma berpasangan induktif (ICP) dengan klorin (Cl2 ) dan campuran gas argon (Ar). Seperti yang ditunjukkan pada gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) pada Gambar 2a, mikropilar berdiameter ~3 m dan tinggi 7,75 μm, dengan dinding samping yang sangat halus. Sampel didinginkan dalam cryostat rendaman bebas kriogen dengan suhu yang disetel halus dari 4 hingga 50 K dan dieksitasi oleh laser He-Ne pada panjang gelombang 633 nm. Penyiapan mikroskop confocal dengan objektif (NA, 0,65) memfokuskan laser ke titik dengan diameter 2 m dan mengumpulkan pendaran secara efektif ke dalam spektrograf, yang memungkinkan pemindaian wilayah mikro untuk mencari garis spektral eksiton QD tunggal. Spektrum mikrofotoluminesensi (μPL) dideteksi oleh monokromator panjang fokus 0,3 m yang dilengkapi dengan detektor array linier InGaAs yang didinginkan dengan nitrogen cair untuk spektrograf. Untuk pengukuran reflektifitas, digunakan spektrofotometer (PerkinElmer 1050) dengan langkah pemindaian 2 nm dan titik cahaya 3 mm × 3 mm. Untuk menyelidiki masa pakai radiasi eksiton, papan penghitungan foton tunggal (TCSPC) berkorelasi-waktu dan laser berdenyut Ti:Sapphire (lebar pulsa, ~100 fs; frekuensi pengulangan, 80 MHz; panjang gelombang, 740 nm) digunakan untuk pengukuran PL yang diselesaikan dengan waktu. Untuk mengukur fungsi autokorelasi orde kedua g
(2)
(τ ), pendaran garis spektral QD dikirim ke penyiapan Hanbury-Brown and Twiss (HBT) yang digabungkan dengan serat [20] dan dideteksi oleh dua modul penghitungan foton tunggal avalanched InGaAs (IDQ 230; resolusi waktu, 200 ps; tingkat penghitungan gelap , ~80 hitungan/s; waktu mati, 30 s) dan modul penghitungan kebetulan waktu.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1a, b menunjukkan gambar AFM dari BQD yang ditumbuhkan masing-masing pada 480 dan 470 °C. Untuk sampel 480 °C, BQD memiliki diameter rata-rata 61 nm dan tinggi sekitar 10 nm. Untuk sampel 470 °C, diameter rata-rata adalah 75 nm dan tingginya 13 nm, lebih tinggi dan lebih besar daripada yang tumbuh pada 480 °C. Suhu yang lebih rendah berkontribusi pada peningkatan ukuran QD dan rasio aspek [21]. Untuk meningkatkan efisiensi pengumpulan foton, BQD disematkan di λ - Rongga GaAs yang tebal dan terjepit di antara 25,5 tumpukan DBR bawah dan 8 tumpukan DBR atas. Semua sama untuk kedua sampel, hanya kecuali suhu pertumbuhan BQD. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c, BQD paling terang dalam dua sampel yang kami amati sangat berbeda dalam spektrum PL. Intensitas PL sangat ditingkatkan pada suhu pertumbuhan yang lebih rendah, yang dapat dikaitkan dengan pengurangan relaksasi regangan dan dislokasi di sekitar BQDs [21]. Gambar 1d menunjukkan spektrum reflektifitas terukur dari DBR bawah, dengan nilai sekitar 99% pada kisaran 1310–1380 nm, menunjukkan cermin yang baik untuk mencerminkan emisi QD.
1 × 1 μm
2
gambar mikroskop kekuatan atom (AFM) dari BQD yang tidak tertutup tumbuh di a 480 dan b 470 °C. c Spektrum PL BQD yang tertanam di rongga DBR, tumbuh pada 480 °C (merah ) dan 470 °C (hitam ), diukur pada 4 K. d Spektrum reflektifitas DBR bawah, diukur pada suhu kamar
Gambar 2 menunjukkan gambar SEM dari mikropilar dan spektrum PL dari BQD khas yang tertanam di dalamnya. Gambar 2d menunjukkan spektrum PL sebagai fungsi suhu. Emisi dari BQD mencapai intensitas maksimal pada 30 K, menunjukkan resonansi rongga; lihat juga Gambar 2c. Faktor kualitas (Q) rongga mikropilar diperkirakan sekitar 361. Q yang rendah dikaitkan dengan offset reflektifitas kecil antara GaAs dan Al0,9 Ga0,1 Seperti pada panjang gelombang telekomunikasi, dan pasangan DBR yang digunakan di sini lebih sedikit daripada DBR konvensional yang digabungkan ke QD yang memancarkan pada <1 μm [12, 22].
a Gambar SEM dari struktur mikropilar (diameter ~3 μm). b Spektrum PL tipikal dari satu BQD dalam mikropilar pada 4 K. d Spektrum PL yang bergantung pada suhu dari BQD tipikal dalam mikropillar dan c intensitas PL terintegrasi sebagai fungsi dari detuning rongga eksiton di bawah daya eksitasi ~2 μW, garis merah :Pas Lorentzian
Spektrum PL yang bergantung pada daya eksitasi dari InAs/GaAs BQDs dalam mikropilar dipelajari dengan menggunakan laser He-Ne gelombang kontinu (cw) untuk eksitasi pita di atas, seperti yang ditunjukkan Gambar 3a. Mereka menunjukkan garis eksiton (X) pada 1325,6 nm dan garis eksiton bermuatan (X*) pada 1327,1 nm. Identifikasi garis emisi ini didukung oleh berbagai ketergantungan dayanya. Pada Gambar. 3b, intensitas PL terintegrasi dari garis X pada 1325,6 nm menunjukkan ketergantungan linier pada daya eksitasi di wilayah daya rendah dan jenuh pada daya eksitasi tinggi. Garis padat sesuai linier dengan data dalam plot logaritmik ganda. Garis X* pada 1327,1 nm menunjukkan ketergantungan daya eksitasi tak jenuh [23]. Investigasi selanjutnya dilakukan pada jalur X.
a Spektrum PL yang bergantung pada daya eksitasi (T = 4 K) dari BQD tipikal dalam mikropilar. b Intensitas PL terpadu dari eksiton (X) dan eksiton bermuatan (X*) sebagai fungsi daya eksitasi dalam skala log-log. Garis berwarna :pemasangan linier dari data eksperimen
Pengukuran PL yang diselesaikan dengan waktu dilakukan untuk menentukan peningkatan Purcell. Peluruhan emisi spontan dari garis BQD X pada resonansi rongga QD dan pada detuning jauh ditunjukkan pada Gambar 4a. Masa pakai radiasi yang dipasang adalah 0,66 ns untuk resonansi dan 1,25 ns untuk detuning jauh, sesuai dengan faktor peningkatan Purcell sebesar 1,9. Untuk mengonfirmasi emisi foton tunggal dari garis X pada 1325,6 nm, kami mengukur fungsi korelasi orde kedua g
(2)
(τ ) dengan pengaturan HBT di bawah kutipan cw dan eksitasi pulsa jenuh. Gambar 4b menunjukkan fungsi korelasi orde kedua terukur dari garis X sebagai fungsi waktu tunda τ di bawah eksitasi cw. Data dapat dilengkapi dengan ekspresi berikut:g
(2)
(τ ) = 1 − [1 − g
(2)
(0)]exp(−|τ |/T ) [24]. Hasil pas di g
2
(0) = 0,14, membuktikan pemancar foton tunggal dengan penekanan kuat emisi multi-foton pada penundaan waktu nol. Laju hitungan yang diukur pada detektor disajikan pada Gambar 4c, sebagai fungsi daya pompa. Ini menunjukkan ketergantungan linier dalam rezim pompa yang lemah dan menjadi jenuh dalam rezim pompa yang kuat. Pada saturasi, laju penghitungan sekitar 62.000 hitungan/detik dari dua detektor foton tunggal InGaAs, juga termasuk penghitungan gelap kedua detektor. Untuk menyimpulkan jumlah foton yang sesuai yang dikumpulkan di lensa pertama, kami mengkalibrasi semua kehilangan optik dengan menggunakan laser cw pada 1320 nm. Kehilangan transmisi termasuk objektif mikroskop, filter jarak jauh, cermin, dan lensa serta efisiensi monokromator, lensa, dan konektor antar serat adalah 10,46 dB. Efisiensi deteksi dan tingkat penghitungan gelap dari detektor InGaAs dengan waktu mati 30 s adalah masing-masing 18% dan ~150 hitungan/d. Berdasarkan laju penghitungan pada detektor foton tunggal InGaAs dan laju penghitungan foton terkoreksi dengan faktor [1−g
(2)
(0)]
1/2
[25], kami memperkirakan tingkat deteksi foton tunggal bersih setelah mengkompensasi kontribusi emisi multi-foton dan tingkat penghitungan gelap adalah 3,45 × 10
6
hitungan/s pada daya pompa jenuh pada lensa objektif pertama. Untuk mengevaluasi efisiensi ekstraksi foton dari struktur mikropilar, pengukuran di bawah eksitasi berdenyut juga dilakukan. Pada Gambar. 4d, e, kami mengamati laju penghitungan 48.000/dtk pada detektor foton tunggal pada daya pompa jenuh dengan g
2
(0) = 0,19, di bawah eksitasi laser tingkat pengulangan 80 MHz, yang memberikan efisiensi ekstraksi foton sebesar 3,3% setelah mengkompensasi kontribusi emisi multi-foton dan mempertimbangkan efisiensi penyiapan deteksi. Menurut pendapat kami, karena proses eksitasi non-resonansi [12, 26] dan efisiensi deteksi yang rendah serta waktu mati yang lama dari detektor InGaAs, laju penghitungan foton tunggal yang teramati mungkin diremehkan.
a Pengukuran yang diselesaikan dengan waktu pada (lingkaran putih ) dan mati (lingkaran hitam ) resonansi garis X di mikropillar, yang mengungkapkan faktor Purcell Fp = 1.9. b , d Fungsi korelasi orde kedua g
(2)
(τ ) untuk garis X di bawah eksitasi cw dan eksitasi laser pulsa 80 MHz pada daya pompa jenuh. c , e Intensitas PL yang bergantung pada daya dari puncak eksiton masing-masing pada 1325,6 nm di bawah cw dan eksitasi pulsa. Lingkaran hitam di c dan e menunjukkan tingkat hitungan yang direkam pada detektor InGaAs
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, kami telah menyajikan sumber foton tunggal yang terang pada 1325,6 nm dengan menggunakan bilayer regangan ganda InAs/GaAs QD dalam mikropillar Al0,9 Ga0,1 Rongga DBR As/GaAs. Emisi foton tunggal telah benar-benar ditingkatkan dengan mengoptimalkan suhu pertumbuhan QD dan membuat struktur mikropilar. Laju foton tunggal yang terdeteksi mencapai 62.000 hitungan/dtk, sesuai dengan laju emisi foton tunggal 3,45 MHz pada lensa objektif pertama. Efisiensi ekstraksi foton diperkirakan sekitar 3,3%, dengan rongga mikropilar Q ~300. Pengukuran autokorelasi orde kedua dengan modul penghitungan foton tunggal InGaAs menghasilkan g
(2)
(0) = 0,14, menunjukkan emisi foton tunggal bahkan pada laju hitungan tinggi. Ini adalah pertama kalinya untuk melaporkan tingkat emisi foton tunggal yang begitu tinggi pada pita telekomunikasi dengan menggunakan QD bilayer InAs/GaAs tunggal.
