Heldere enkelvoudige fotonbron op 1,3 μm gebaseerd op InAs Bilayer Quantum Dot in Micropillar

Resultaten en discussie

Figuur 1a, b toont AFM-afbeeldingen van BQD's die zijn gekweekt bij respectievelijk 480 en 470 °C. Voor een monster van 480 °C hebben de BQD's een gemiddelde diameter van 61 nm en een hoogte van ongeveer 10 nm. Voor een monster van 470 °C is de gemiddelde diameter 75 nm en de hoogte 13 nm, groter en groter dan bij 480 °C. De lagere temperatuur draagt ​​bij aan de grotere QD-grootte en beeldverhouding [21]. Om de efficiëntie van het verzamelen van fotonen te verbeteren, werden de BQD's ingebed in een λ -dikke GaAs-holte en ingeklemd tussen 25,5 onderste en 8 bovenste DBR-stapels. Ze zijn allemaal hetzelfde voor de twee monsters, behalve de groeitemperatuur van BQD's. Zoals te zien is in figuur 1c, zijn de helderste BQD's in de twee monsters die we hebben waargenomen behoorlijk verschillend in het PL-spectrum. De PL-intensiteit was sterk verbeterd bij de lagere groeitemperatuur, wat kan worden toegeschreven aan de verminderde spanningsrelaxatie en dislocatie rond BQD's [21]. Afbeelding 1d toont het gemeten reflectiviteitsspectrum van de onderste DBR, met een waarde van ongeveer 99% bij een bereik van 1310-1380 nm, wat een goede spiegel aantoont om QD-emissie te reflecteren.

1 × 1 μm ² atomic force microscopie (AFM) afbeelding van niet-afgetopte BQD's gegroeid op a 480 en b 470 °C. c μPL-spectra van BQD's ingebed in DBR-holtes, gekweekt bij 480 °C (rood ) en 470 °C (zwart ), gemeten bij 4 K. d Reflectiviteitsspectrum van de onderste DBR, gemeten bij kamertemperatuur

Afbeelding 2 toont het SEM-beeld van de micropijler en de μPL-spectra van een typische BQD die erin is ingebed. Figuur 2d toont de μPL-spectra als functie van de temperatuur. De emissie van de BQD bereikt zijn maximale intensiteit bij 30 K, wat een holteresonantie suggereert; zie ook Fig. 2c. De kwaliteitsfactor (Q) van de micropijlerholte wordt geschat op ongeveer 361. De lage Q wordt toegeschreven aan de kleine reflectiviteitsverschuiving tussen GaAs en Al_0,9 Ga_0.1 Net als bij de telecomgolflengte, werden hier minder DBR-paren gebruikt dan de conventionele DBR's die zijn gekoppeld aan QD's die uitzenden op <1 μm [12, 22].

een SEM-afbeelding van de micropijlerstructuur (diameter ~ 3 m). b Typisch PL-spectrum van een enkele BQD in micropilaar bij 4 K. d Temperatuurafhankelijke μPL-spectra van een typische BQD in micropillar en c de geïntegreerde PL-intensiteit als een functie van de ontstemming van de excitonholte onder excitatievermogen ~2 μW, rode lijn :Lorentziaanse fitting

De excitatievermogensafhankelijke μPL-spectra van InAs / GaAs BQD's in een micropilaar werden bestudeerd met behulp van een continue golf (cw) He-Ne-laser voor excitatie boven de band, zoals figuur 3a laat zien. Ze tonen de excitonlijn (X) bij 1325,6 nm en de geladen excitonlijn (X*) bij 1327,1 nm. De identificatie van deze emissielijnen wordt ondersteund door hun verschillende vermogensafhankelijkheden. In figuur 3b vertoonde de geïntegreerde PL-intensiteit van X-lijn bij 1325,6 nm een ​​lineaire afhankelijkheid van het excitatievermogen in het gebied met laag vermogen en verzadigd bij een hoog excitatievermogen. De ononderbroken lijnen passen lineair bij de gegevens in een dubbellogaritmische grafiek. De X*-lijn bij 1327,1 nm toont een niet-verzadigde afhankelijkheid van excitatievermogen [23]. De gevolgde onderzoeken werden uitgevoerd op de X-lijn.

een Excitatievermogensafhankelijke μPL-spectra (T = 4 K) van typische BQD's in micropijler. b Geïntegreerde PL-intensiteit van exciton (X) en geladen exciton (X*) als functie van excitatievermogen in een log-log schaal. Gekleurde lijnen :lineaire aanpassing van de experimentele gegevens

De tijdsopgeloste PL-metingen werden uitgevoerd om de Purcell-verbetering te bepalen. Het spontane emissieverval van de BQD X-lijn bij QD-holteresonantie en bij verre ontstemming wordt getoond in figuur 4a. De ingebouwde stralingslevensduur is 0,66 ns voor resonantie en 1,25 ns voor verre ontstemming, wat overeenkomt met een Purcell-verbeteringsfactor van 1,9. Om de enkelvoudige fotonenemissie van de X-lijn bij 1325,6 nm te bevestigen, hebben we de tweede-orde-correlatiefunctie g gemeten. ⁽²⁾ (τ ) met een HBT-opstelling onder cw-citatie en verzadigde pulsexcitatie. Afbeelding 4b toont de gemeten tweede-orde-correlatiefunctie van de X-lijn als functie van de vertragingstijd τ onder cw excitatie. De gegevens kunnen worden voorzien van de volgende uitdrukking:g ⁽²⁾ (τ ) = 1 − [1 − g ⁽²⁾ (0)]exp(−|τ |/T ) [24]. Het passen resulteert in g ² (0) = 0.14, wat een enkele-foton-emitter bewijst met een sterke onderdrukking van de multi-foton-emissie zonder tijdsvertraging. De op de detectoren gemeten telsnelheid wordt weergegeven in Fig. 4c, als functie van het pompvermogen. Het vertoont een lineaire afhankelijkheid in het zwakke pompregime en raakt verzadigd in het sterke pompregime. Bij verzadiging is de telsnelheid ongeveer 62.000 counts/s van twee InGaAs-single-photon-detectoren, inclusief de donkere counts van de twee detectoren. Om het overeenkomstige aantal fotonen dat in de eerste lens is verzameld af te leiden, kalibreren we al het optische verlies met behulp van een cw-laser op 1320 nm. Transmissieverlies inclusief microscoopobjectief, langdoorlaatfilter, spiegels en lens en de efficiëntie van monochromator, lens en connectoren tussen vezels was 10,46 dB. De detectie-efficiëntie en donkertellingssnelheid van de InGaAs-detector met dode tijden van 30 μs zijn respectievelijk 18% en ~150 tellingen/sec. Gebaseerd op de telsnelheid op InGaAs-single-fotondetectoren en gecorrigeerde fotontellingssnelheid met de factor [1−g ⁽²⁾ (0)] ^1/2 [25], schatten we dat de netto detectiesnelheid van één foton na compensatie van de bijdrage van multi-fotonenemissie en donkertellingssnelheid 3,45 × 10 ⁶ is telt/s bij het verzadigde pompvermogen bij de eerste objectieflens. Om de fotonextractie-efficiëntie van de micropijlerstructuur te evalueren, werd ook de meting onder gepulseerde excitatie uitgevoerd. In figuur 4d, e, zien we een telsnelheid van 48.000/s op de enkel-fotondetectoren bij het verzadigde pompvermogen met g ² (0) = 0,19, laserexcitatie met een herhalingssnelheid van minder dan 80 MHz, wat een fotonenextractie-efficiëntie van 3,3% oplevert na compensatie van de bijdrage van multi-fotonenemissie en rekening houdend met de efficiëntie van de detectie-opstelling. Naar onze mening, vanwege het niet-resonante excitatieproces [12, 26] en de lage detectie-efficiëntie en lange dode tijd van de InGaAs-detector, kan de waargenomen telsnelheid van afzonderlijke fotonen worden onderschat.

een Tijdsopgeloste metingen op (witte cirkel ) en uit (zwarte cirkel ) resonant van de X-lijn in micropilaar, die een Purcell-factor van F onthullen _p = 1.9. b , d Tweede-orde correlatiefunctie g ⁽²⁾ (τ ) voor de X-lijn onder cw-excitatie en 80 MHz-pulslaserexcitatie bij verzadigd pompvermogen. c , e Pompvermogensafhankelijke PL-intensiteit van excitonpiek bij 1325,6 nm onder respectievelijk cw en pulsexcitatie. De zwarte cirkels in c en e geven de telsnelheid aan die is geregistreerd bij de InGaAs-detectoren