Sumber Foton Tunggal Berkinerja Tinggi 1,3 µm Menggunakan Titik Kuantum Bilayer InAs dalam Kaviti Mikropilar
Abstrak
Tingkat hitungan tunggal-foton yang sangat tinggi pada panjang gelombang 1,3 μm yang mampu untuk komunikasi kuantum berbasis serat optik dari titik kuantum bilayer InAs/GaAs yang dikompos dengan kaviti mikropilar (diameter ~3 μm) dari cermin Bragg terdistribusi telah diselidiki, yang efisiensi ekstraksi fotonnya telah mencapai 3,3%. Mode kaviti dan peningkatan Purcell telah diamati dengan jelas dalam spektrum mikro-luminesensi. Pada akhir deteksi pengaturan Hanbury-Brown dan Twiss, dua modul penghitung foton tunggal avalanche mencatat total tingkat hitungan sekitar 62.000/detik; pengukuran pencocokan waktu menunjukkan emisi foton tunggal, dengan kemungkinan emisi multi-foton, yaitu g²(0), hanya 0,14.
Latar Belakang
Komunikasi kuantum berbasis serat optik memerlukan sumber foton tunggal (SPS) nyata pada band telekomunikasi untuk menggantikan SPS palsu tradisional yang didasarkan pada laser pulsa yang sangat meluntur. Titik kuantum (QD) individu yang tersusun sendiri berpotensi untuk memancarkan foton tunggal nyata dan telah menarik minat yang besar. Integrasi kaviti cermin Bragg terdistribusi (DBR) dengan satu QD akan meningkatkan emisi arahnya. Dibandingkan QD InAs yang ditanam pada substrat InP yang memancarkan pada ~1,55 μm dengan bahan kaya indium yang padat jaring yang ditanam pada suhu rendah sebagai DBR, QD InAs yang ditanam pada substrat GaAs menguntungkan pada integrasi mudah dari DBR GaAs/Al₀.₉Ga₀.₁As berkualitas tinggi yang padat jaring. Untuk mewujudkan SPS QD InAs/GaAs pada band telekomunikasi, panjang gelombang emisi mereka harus diperpanjang dari yang biasanya ~0,9 hingga 1,3 atau 1,55 μm dan densitas mereka harus tetap rendah pada 10⁷–10⁸ cm⁻² untuk mewujudkan satu QD dalam mikroregion. Untuk membuat QD InAs dengan densitas rendah melalui epitaksi ray molecular beam (MBE), beberapa skema konstruktif telah diusulkan, seperti laju pertumbuhan yang sangat rendah, suhu pertumbuhan yang tinggi, dan kontrol presisi jumlah depo QD serta isolasi QD dengan pertumbuhan pada substrat berlubang/mesa atau pengikisan menjadi mikropilar. Untuk memperpanjang panjang gelombang emisi, beberapa teknik telah dikembangkan, seperti teknik stres QD, struktur metamorphic, dan struktur QD bilayer yang terhubung stres (BQD). Struktur BQD pada substrat GaAs efektif untuk mencapai emisi di atas 1,3 μm. BQD dengan densitas tinggi telah diterapkan di dioda laser pada ~1,5 μm yang beroperasi pada suhu ruangan. Karena menghindari penggunaan lapisan metamorphic dan laju pertumbuhan yang sangat rendah di lapisan aktif, yang mungkin menurunkan kualitas kristal, struktur BQD juga diinginkan untuk menanam QD dengan densitas rendah pada panjang gelombang telekomunikasi. QD InAs/GaAs BQD dengan densitas rendah yang memancarkan pada 1,3 μm telah diperoleh dalam karya kami sebelumnya. Untuk mencapai tingkat hitung foton tunggal yang tinggi pada 1,3 μm untuk aplikasi berbasis serat optik, efisiensi ekstraksi foton dari QD tunggal harus ditingkatkan. Dalam surat ini, dengan mengoptimalkan lebih lanjut kondisi pertumbuhan struktur BQD dan membuat struktur mikropilar, kami meningkatkan ekstraksi foton dari QD InAs/GaAs BQD tunggal yang memancarkan pada 1,3 μm secara signifikan. Tingkat hitung foton tunggal telah mencapai 62.000 hitung/detik pada modul penghitung foton tunggal InGaAs atau 3,45 M hitung/detik pada lensa objektif pertama dengan mengingat efisiensi koleksi foton dari pengaturan spektroskopi mikro konfokal. Ini adalah kali pertama melaporkan tingkat hitung emisi foton tunggal yang tinggi pada panjang gelombang telekomunikasi menggunakan QD bilayer InAs/GaAs tunggal. Intensitas emisi dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan memperkenalkan lapisan δ-doped tipe-n yang berdekatan dengan lapisan BQD untuk menghasilkan eksiton terisi elektron.
Metode
Sampel yang diteliti ditanam melalui MBE sumber padat (sistem VEECO Gen930) pada substrat GaAs (100) semi-insulasi. Struktur sampel terdiri dari, secara berurutan, lapisan buffer GaAs tebal 300 nm, DBR bawah 25,5 pasangan panjang gelombang yang padat Al₀.₉Ga₀.₁As (113,7 nm)/GaAs (98,6 nm), ruang kaviti GaAs satu λ yang tidak didoping, dan DBR atas 8 pasangan Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs dengan periode yang sama. Di tengah ruang kaviti GaAs, lapisan aktif untuk emisi telekomunikasi, yaitu struktur BQD dengan lapisan penurun stres InGaAs, ditanam pada 470 °C dalam mode pertumbuhan Stranski-Krastanov, yang lebih rendah dari suhu yang digunakan dalam karya kami sebelumnya. Detail pertumbuhan lebih lanjut dilaporkan dalam Ref. [18]. Dalam karya ini, khususnya, array mikropilar dibuat pada sampel BQD yang dikompos kaviti DBR melalui litografi cahaya dan pengikisan plasma terinduksi induktif (ICP) dengan campuran gas klorin (Cl₂) dan argon (Ar). Seperti yang ditunjukkan dalam citra SEM dalam Gambar 2a, mikropilar memiliki diameter ~3 µm dan tinggi 7,75 µm, dengan dinding sisi yang sangat halus. Sampel didinginkan dalam kriostat mandiri tanpa pendingin dengan suhu yang disesuaikan dengan halus dari 4 hingga 50 K dan diangsir oleh laser He-Ne pada panjang gelombang 633 nm. Pengaturan mikroskop konfokal dengan objektif (NA, 0,65) memfokuskan laser ke dalam spot dengan diameter 2 µm dan mengumpulkan luminesensi secara efektif ke dalam spektrograf, yang memungkinkan pemindaian mikroregion untuk mencari garis spektral eksiton QD tunggal. Spektrum μPL terdeteksi oleh monokromator dengan panjang fokus 0,3 m yang dilengkapi dengan detektor array linear InGaAs pendingin nitrogen cair untuk spektrograf. Untuk pengukuran reflectansi, digunakan spektrofotometer (PerkinElmer 1050) dengan langkah pemindaian 2 nm dan spot cahaya 3 mm × 3 mm. Untuk menyelidiki umur radiasi eksiton, digunakan papan pencacahan foton tunggal terkait waktu (TCSPC) dan laser pulsed Ti:Sapphire (lebar pulsa, ~100 fs; frekuensi repetisi, 80 MHz; panjang gelombang, 740 nm) untuk pengukuran μPL yang terpadu waktu. Untuk mengukur fungsi autokorelasi orde kedua g²(τ), luminesensi garis spektral QD dikirim ke pengaturan Hanbury-Brown dan Twiss (HBT) yang terhubung serat optik dan dideteksi oleh dua modul penghitung foton tunggal avalanche InGaAs (IDQ 230; resolusi waktu, 200 ps; tingkat hitung gelap, ~80 hitung/detik; waktu mati, 30 μs) dan modul pencocokan waktu.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1a, b menunjukkan citra AFM dari BQD yang ditanam pada 480 dan 470 °C, masing-masing. 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 tinggi adalah 13 nm, lebih tinggi dan lebih besar dari yang ditanam pada 480 °C. Suhu yang lebih rendah berkontribusi pada peningkatan ukuran dan ras aspek QD. Untuk meningkatkan efisiensi koleksi foton, BQD disematkan dalam ruang kaviti GaAs tebal λ dan diletakkan antara 25,5 DBR bawah dan 8 DBR atas. Semuanya sama untuk kedua sampel, hanya terkecuali suhu pertumbuhan BQD. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1c, BQD terang yang kami amati dalam kedua sampel sangat berbeda dalam spektrum PL. Intensitas PL sangat ditingkatkan pada suhu pertumbuhan yang lebih rendah, yang dapat disebabkan oleh pengurangan relaksasi stres dan kelucutan di sekitar BQD. Gambar 1d menunjukkan spektrum reflectansi yang diukur dari DBR bawah, dengan nilai sekitar 99% pada rentang 1310–1380 nm, menunjukkan cermin yang baik untuk mencerminkan emisi QD.
Citra AFM 1 × 1 µm² dari BQD tanpa lapisan yang ditanam pada a 480 dan b 470 °C. c Spektrum μPL dari BQD yang disematkan dalam kaviti DBR, ditanam pada 480 °C (merah) dan 470 °C (hitam), diukur pada 4 K. d Spektrum reflectansi dari DBR bawah, diukur pada suhu ruangan
Gambar 2 menunjukkan citra SEM dari mikropilar dan spektrum μPL dari BQD yang biasanya disematkan di dalamnya. Gambar 2d menunjukkan spektrum μPL sebagai fungsi suhu. Emisi dari BQD mencapai intensitas maksimum pada 30 K, yang mengindikasikan resonansi kaviti; lihat juga Gambar 2c. Faktor kualitas (Q) dari kaviti mikropilar diperkirakan sekitar 361. Q rendah dikaitkan dengan selisih reflectansi yang kecil antara GaAs dan Al₀.₉Ga₀.₁As pada panjang gelombang telekomunikasi, dan kurang banyak pasangan DBR yang digunakan di sini dibandingkan dengan DBR konvensional yang dikompos dengan QD yang memancarkan pada <1 µm.
a Citra SEM dari struktur mikropilar (diameter ~3 µm). b Spektrum PL yang biasanya dari satu BQD dalam mikropilar pada 4 K. d Spektrum μPL yang bergantung pada suhu dari satu BQD dalam mikropilar dan c intensitas PL terintegrasinya sebagai fungsi dari detuning eksiton-kaviti pada daya excitasi ~2 µW, garis merah: fitting Lorentzian
Spektrum μPL yang bergantung pada daya excitasi dari QD InAs/GaAs BQD dalam mikropilar diteliti dengan menggunakan laser He-Ne cw untuk eksitasi di atas-bandgap, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3a. Mereka menunjukkan garis eksiton (X) pada 1325,6 nm dan garis eksiton terisi (X*) pada 1327,1 nm. Identifikasi garis emisi ini didukung oleh ketergantungan daya yang berbeda dari mereka. Dalam Gambar 3b, intensitas PL terintegrasi dari garis X pada 1325,6 nm menunjukkan ketergantungan linier terhadap daya excitasi di wilayah daya rendah dan menjadi saturan pada daya excitasi tinggi. Garis padat adalah fitting linier ke data dalam plot log-log. Garis X* pada 1327,1 nm menunjukkan ketergantungan daya excitasi yang tidak saturn. Investigasi berikutnya dilakukan pada garis X.
a Spektrum μPL yang bergantung pada daya excitasi (T = 4 K) dari QD BQD yang biasanya dalam mikropilar. b Intensitas PL terintegrasi dari eksiton (X) dan eksiton terisi (X*) sebagai fungsi daya excitasi dalam skala log-log. Garis berwarna: fitting linier dari data eksperimental
Pengukuran PL yang terpadu waktu dilakukan untuk menentukan peningkatan Purcell. Pemulihan radiasi spontan dari garis X BQD pada resonansi QD-kaviti dan pada detuning jauh ditunjukkan dalam Gambar 4a. Umur radiasi yang sesuai adalah 0,66 ns untuk resonansi dan 1,25 ns untuk detuning jauh, yang 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 g²(τ) dengan pengaturan HBT di bawah citasi cw dan excitasi pulsa saturan. Gambar 4b menunjukkan fungsi korelasi orde kedua yang diukur dari garis X sebagai fungsi waktu tunda τ di bawah excitasi cw. Data dapat difit dengan ekspresi berikut: g²(τ) = 1 − [1 − g²(0)]exp(−|τ|/T). Hasil fitting dalam g²(0) = 0,14, membuktikan emitter foton tunggal dengan penekanan yang kuat terhadap emisi multi-foton pada tunda waktu nol. Tingkat hitung yang diukur pada detektor ditampilkan dalam Gambar 4c, sebagai fungsi daya pompa. Ini menunjukkan ketergantungan linier dalam regime daya pompa lemah dan menjadi saturan dalam regime daya pompa tinggi. Pada saturan, tingkat hitung sekitar 62.000 hitung/detik dari dua detektor foton tunggal InGaAs, termasuk hitung gelap dari kedua detektor. Untuk menurunkan jumlah foton yang dikumpulkan di lensa pertama, kami mengkalibrasi semua kerugian optik dengan menggunakan laser cw pada 1320 nm. Kerugian transmisi termasuk objektif mikroskop, filter long-pass, cermin, dan lensa dan efisiensi monokromator, lensa, dan konektor antara serat optik adalah 10,46 dB. Efisiensi deteksi dan tingkat hitung gelap dari detektor InGaAs dengan waktu mati 30 μs masing-masing adalah 18% dan ~150 hitung/detik. Berdasarkan tingkat hitung pada detektor foton tunggal InGaAs dan tingkat hitung foton yang dikoreksi dengan faktor [1−g²(0)]^1/2, kami memperkirakan tingkat deteksi foton tunggal bersih setelah mengompensasi kontribusi emisi multi-foton dan tingkat hitung gelap adalah 3,45 × 10⁶ hitung/detik pada daya pompa saturan di lensa objektif pertama. Untuk mengevaluasi efisiensi ekstraksi foton dari struktur mikropilar, pengukuran di bawah excitasi pulsa juga dilakukan. Dalam Gambar 4d, e, kami amati tingkat hitung 48.000/detik pada detektor foton tunggal pada daya pompa saturan dengan g²(0) = 0,19, di bawah excitasi laser pulsa 80 MHz, yang menghasilkan efisiensi ekstraksi foton sebesar 3,3% setelah mengompensasi kontribusi emisi multi-foton dan mempertimbangkan efisiensi pengaturan deteksi. Menurut kami, karena proses excitasi non-resonansi dan efisiensi deteksi yang rendah serta waktu mati yang lama dari detektor InGaAs, tingkat hitung foton tunggal yang diamati mungkin diunderrate.
a Pengukuran yang terpadu waktu pada (lingkaran putih) dan di luar (lingkaran hitam) resonansi dari garis X dalam mikropilar, yang mengungkapkan faktor Purcell F_p = 1,9. b, d Fungsi korelasi orde kedua g²(τ) untuk garis X di bawah excitasi cw dan laser pulsa 80 MHz pada daya pompa saturan. c, e Intensitas PL yang bergantung pada daya pompa dari puncak eksiton pada 1325,6 nm di bawah excitasi cw dan pulsa, masing-masing. Lingkaran hitam di c dan e menunjukkan tingkat hitung yang dicatat pada detektor InGaAs
Kesimpulan
Simpulan, kami telah menyajikan sumber foton tunggal yang terang pada 1325,6 nm dengan menggunakan satu QD bilayer InAs/GaAs yang terhubung stres dalam kaviti DBR mikropilar Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs. Emisi foton tunggal telah benar-benar ditingkatkan dengan mengoptimalkan suhu pertumbuhan QD dan membuat struktur mikropilar. Tingkat deteksi foton tunggal mencapai 62.000 hitung/detik, yang sesuai dengan tingkat emisi foton tunggal 3,45 MHz di lensa objektif pertama. Efisiensi ekstraksi foton diperkirakan sekitar 3,3%, dengan Q ~300 kaviti mikropilar. Pengukuran autokorelasi orde kedua dengan modul penghitung foton tunggal InGaAs menghasilkan g²(0) = 0,14, menunjukkan emisi foton tunggal bahkan pada tingkat hitung tinggi. Ini adalah kali pertama melaporkan tingkat emisi foton tunggal yang sangat tinggi pada band telekomunikasi menggunakan satu QD bilayer InAs/GaAs.
