High-performance 1,3 µm single-foton bron met InAs bilagen kwantumdots in micropilaar-kaviteiten

Samenvatting

Een uitgesproken hoge tellingsrate van single-foton-emissie bij de golflengte van 1,3 µm die in staat is voor vezel-gebaseerde kwantumcommunicatie van InAs/GaAs bilagen kwantumdots gekoppeld met een micropilaar (diameter ~3 µm) kaviteit van distributed Bragg reflectoren werd onderzocht, wiens fotonextractie-efficiëntie 3,3% heeft bereikt. Kaviteitsmodus en Purcell-versterking zijn duidelijk waargenomen in microfotoluminescentie-spectra. Op het detectie-einde van de Hanbury-Brown en Twiss opstelling registreren de twee lawine single-foton-telmodules een totale tellingsrate van ~62.000/s; de tijd-coïncidentie-telmeting demonstreert single-foton-emissie, met de multi-foton-emissie-kans, d.w.z. g²(0), van slechts 0,14.

Achtergrond

Optische vezel-gebaseerde kwantuminformatie vereist echte single-foton-bronnen (SPSs) op telecom-band om de traditionele pseudo-SPSs gebaseerd op sterk vervalde pulslasers te vervangen. Zelf-geassembleerde individuele kwantumdots (QDs) zijn potentieel om echte single-fotonen te emitteren en hebben daarom grote belangstelling getrokken [1,2,3,4]. De integratie van een distributed Bragg reflector (DBR) kaviteit met een enkele QD zal de richtingsemissie verbeteren. Vergeleken met InAs QDs gegroeid op InP-substraat emitterend bij ~1,55 µm met rooster-overeenkomende indium-rijke materialen gegroeid bij lage temperatuur als DBR [5, 6], zijn InAs QDs gegroeid op GaAs-substraat voordelig voor de eenvoudige integratie van rooster-overeenkomende hoge-kwaliteit GaAs/Al₀,₉Ga₀,₁As DBR. Om InAs/GaAs QD SPSs op telecom-band te realiseren, moet hun emissiegolflengte uitgebreid worden van de gebruikelijke ~0,9 naar 1,3 of 1,55 µm en hun dichtheid moet zo laag als mogelijk gehouden worden op 10⁷–10⁸ cm⁻² om single QDs in een microregio te realiseren. Om lage-dichtheid InAs QDs te fabriceren door molecular beam epitaxy (MBE), zijn enkele constructieve schema's voorgesteld, zoals ultra-lage groeisnelheid [3], hoge groeitemperatuur [7,8,9], en nauwkeurige controle van depositiehoeveelheid [10] van QDs en de isolatie van QDs door groei op een mesa/gaatje-gepatterneerd substraat [11] of etsen in micropilaren [12, 13]. Om hun emissiegolflengte uit te breiden, zijn verschillende technieken ontwikkeld, zoals spanning-engineering van QDs [14], metamorfische structuren [2], en spanning-gekoppelde bilagen QD (BQD) structuur [15,16,17]. BQD-structuur op GaAs-substraat is effectief om emissie boven 1,3 µm te bereiken. Hoog-dichtheid BQDs zijn toegepast in laserdiodes bij ~1,5 µm opererend bij kamertemperatuur [15, 16]. Aangezien het de gebruik van metamorfische laag en ultra-lage groeisnelheid in de actieve laag vermijdt, wat de kristalkwaliteit kan verslechteren [2], is de BQD-structuur ook gewenst om lage-dichtheid QDs in telecom-golflengte te groeien. Lage-dichtheid InAs/GaAs BQDs emitterend bij 1,3 µm zijn verkregen in ons eerdere werk [18]. Om een hoge tellingsrate van single-fotonen bij 1,3 µm voor vezel-gebaseerde toepassingen [2, 19] te bereiken, moet de fotonextractie-efficiëntie van single QDs verbeterd worden. In deze brief, door de groeicondities van BQD-structuur verder te optimaliseren en een micropilaarstructuur te fabriceren, verbeteren we de fotonextractie van single InAs/GaAs BQDs emitterend bij 1,3 µm aanzienlijk. De single-foton tellingsrate heeft 62.000 counts/s bereikt bij de InGaAs single-foton-telmodule of 3,45 M counts/s bij de eerste objectieflens rekening houdend met de fotonverzameling-efficiëntie van de confocale microspectroscopie-opstelling. Dit is de eerste keer dat een zo hoge tellingsrate van single-foton-emissie op telecommunicatiegolflengte wordt gerapporteerd door gebruik te maken van InAs/GaAs bilagen QDs. De emissie-intensiteit kan verder versterkt worden door het introduceren van een n-type δ-gedopte laag angrenzend aan de BQD-laag om geladen excitonen te produceren [13].

Methoden

Het onderzochte monster werd gegroeid door solid-source MBE (VEECO Gen930 systeem) op half-isolerend (100) GaAs-substraat. De monsterstructuur bestaat uit, in volgorde, een 300-nm-dikke GaAs-bufferlaag, een 25,5-paar golflengte-overeenkomende Al₀,₉Ga₀,₁As (113,7 nm)/GaAs (98,6 nm) onderste DBR, een één λ-dikke ongedopte GaAs-kaviteit, en een 8-paar Al₀,₉Ga₀,₁As/GaAs bovenste DBR met dezelfde periode. In het centrum van de GaAs-kaviteit, de actieve laag voor telecom-emissie, d.w.z. BQD-structuur met InGaAs spanning-verlagende laag, werd gegroeid bij 470 °C in de Stranski-Krastanov groeimodus, wat lager was dan de temperatuur gebruikt in ons eerdere werk. Meer groeidetails worden gerapporteerd in Ref. [18]. In dit werk, speciaal, worden micropilaar-arrays geproduceerd op de DBR-kaviteit-gekoppelde BQD-monsters door fotolithografie en inductieve gekoppelde plasma (ICP) etsen met chloor (Cl₂) en argon (Ar) menggas. Zoals getoond in de scanning elektronenmicroscopie (SEM) afbeelding in Fig. 2a, zijn de micropilaren in diameter van ~3 µm en hoogte van 7,75 µm, met heel gladde zijwanden. Het monster werd gekoeld in een cryogen-vrije bad-cryostaat met de temperatuur fijn afgesteld van 4 tot 50 K en geëxciteerd door een He-Ne laser bij golflengte van 633 nm. De confocale microscoop-opstelling met een objectief (NA, 0,65) focusseert de laser in een spot van 2 µm diameter en verzamelt de luminescentie effectief in een spectrograaf, wat een scanning van microregio mogelijk maakt om single QD-exciton-spectrale lijnen te zoeken. Microfotoluminescentie (μPL) spectrum werd gedetecteerd door een 0,3-m-lange brandpuntslengte monochromator uitgerust met een vloeibare-stikstof-gekoelde InGaAs lineaire-array detector voor spectrograaf. Voor reflectiviteitsmeting werd een spectrophotometer (PerkinElmer 1050) gebruikt met een scanstap van 2 nm en lichtspot van 3 mm × 3 mm. Om de radiatieve levensduur van het exciton te onderzoeken, werden een time-correlated single-photon counting (TCSPC) bord en een Ti:Sapphire gepulste laser (pulsbreedte, ~100 fs; herhalingsfrequentie, 80 MHz; golflengte, 740 nm) gebruikt voor tijd-aufgeloste μPL-meting. Om de tweede-orde autocorrelatiefunctie g²(τ) te meten, werd de QD-spectrale lijn-luminescentie gezonden naar een vezel-gekoppelde Hanbury-Brown en Twiss (HBT) opstelling [20] en gedetecteerd door twee InGaAs lawine single-foton-telmodules (IDQ 230; tijdresolutie, 200 ps; donkere tellingsrate, ~80 counts/s; dode tijd, 30 µs) en een tijd-coïncidentie-telmodule.

Resultaten en Discussie

Figuur 1a, b toont AFM-afbeeldingen van BQDs gegroeid bij 480 en 470 °C, respectievelijk. Voor 480 °C monster, zijn de BQDs in een gemiddelde diameter van 61 nm en een hoogte van ongeveer 10 nm. Voor 470 °C monster, is de gemiddelde diameter 75 nm en de hoogte 13 nm, hoger en groter dan die gegroeid bij 480 °C. De lagere temperatuur bijdraagt aan de verhoogde QD-grootte en aspectratio [21]. Om de fotonverzameling-efficiëntie te verbeteren, werden de BQDs ingebed in een λ-dikke GaAs-kaviteit en ingeslagen tussen 25,5 onderste en 8 bovenste DBR-stapels. Allen zijn hetzelfde voor de twee monsters, alleen de groeitemperatuur van BQDs verschilt. Zoals getoond in Fig. 1c, zijn de helderste BQDs in de twee monsters die we observeerden heel anders in PL-spectrum. De PL-intensiteit werd aanzienlijk versterkt bij de lagere groeitemperatuur, wat toegeschreven kan worden aan de verminderde spanning-relaxatie en dislocaties rond BQDs [21]. Figuur 1d toont het gemeten reflectiviteitsspectrum van de onderste DBR, met een waarde van ongeveer 99% in een bereik van 1310–1380 nm, wat een goede spiegel demonstreert om QD-emissie te reflecteren.

Figuur 2 toont de SEM-afbeelding van de micropilaar en de μPL-spectra van een typische BQD ingebed in het. Figuur 2d toont de μPL-spectra als functie van temperatuur. De emissie van de BQD bereikt zijn maximale intensiteit bij 30 K, wat een kaviteitsresonantie suggereert; zie ook Fig. 2c. De kwaliteitsfactor (Q) van de micropilaar-kaviteit wordt geschat op ongeveer 361. De lage Q wordt toegeschreven aan de kleine reflectiviteitsverschuiving tussen GaAs en Al₀,₉Ga₀,₁As in de telecom-golflengte, en er werden minder DBR-paren gebruikt dan conventionele DBRs gekoppeld aan QDs emitterend bij <1 µm [12, 22].

De excitatievermogen-afhankelijke μPL-spectra van InAs/GaAs BQDs in een micropilaar werd bestudeerd door gebruik te maken van een continuous wave (cw) He-Ne laser voor above-band excitatie, zoals Fig. 3a toont. Ze tonen de exciton-lijn (X) bij 1325,6 nm en geladen exciton-lijn (X*) bij 1327,1 nm. De identificatie van deze emissielijnen wordt ondersteund door hun verschillende vermogensafhankelijkheden. In Fig. 3b, toonde de geïntegreerde PL-intensiteit van X-lijn bij 1325,6 nm een lineaire afhankelijkheid van het excitatievermogen in het lage vermogensregime en verzadigde bij hoog excitatievermogen. De volle lijnen zijn lineaire fitting aan de data in een dubbel-logaritmische plot. De X*-lijn bij 1327,1 nm toont een niet-verzadigde excitatievermogen-afhankelijkheid [23]. De opvolgende onderzoeken werden uitgevoerd op de X-lijn.

De tijd-aufgeloste PL-metingen werden uitgevoerd om de Purcell-versterking te bepalen. De spontane emissie-verval van de BQD X-lijn bij QD-kaviteit-resonantie en bij verre detuning zijn getoond in Fig. 4a. De gefitte radiatieve levensduur is 0,66 ns voor resonantie en 1,25 ns voor verre detuning, corresponderend met een Purcell-versterkingsfactor van 1,9. Om de single-foton-emissie van de X-lijn bij 1325,6 nm te bevestigen, maatten we de tweede-orde correlatiefunctie g²(τ) met een HBT-opstelling onder cw-citatie en verzadigde puls-excitatie. Figuur 4b toont de gemeten tweede-orde correlatiefunctie van de X-lijn als functie van de vertragingstijd τ onder cw-excitatie. De data konden worden gefit met de volgende expressie: g²(τ) = 1 − [1 − g²(0)]exp(−|τ|/T) [24]. De fitting resulteert in g²(0) = 0,14, wat een single-foton-emitter bewijst met een sterke onderdrukking van multi-foton-emissie bij nul tijdsvertraging. De tellingsrate gemeten op de detectoren wordt gepresenteerd in Fig. 4c, als functie van de pompvermogen. Het toont een lineaire afhankelijkheid in het zwakke pomp-regime en verzadigt in het sterke pomp-regime. Bij verzadiging is de tellingsrate ongeveer 62.000 counts/s van twee InGaAs single-foton-detectoren, ook inclusief de donkere tellingen van de twee detectoren. Om het corresponderende aantal fotonen verzameld in de eerste lens af te leiden, kalibreerden we alle optische verliezen door gebruik te maken van een cw laser bij 1320 nm. Transmissieverlies inclusief microscoopobjectief, langpasfilter, spiegels, en lens en de efficiëntie van monochromator, lens, en connectors tussen vezels was 10,46 dB. De detectie-efficiëntie en donkere tellingsrate van de InGaAs-detector met dode tijden van 30 µs zijn 18% en ~150 counts/s, respectievelijk. Gebaseerd op de tellingsrate op InGaAs single-foton-detectoren en gecorrigeerde foton-tellingsrate door de factor [1−g²(0)]¹ᐟ² [25], schatten we de netto single-foton-detectierate na compensatie van de bijdrage van multi-foton-emissie en donkere tellingsrate op 3,45 × 10⁶ counts/s bij de verzadigde pompvermogen bij de eerste objectieflens. Om de fotonextractie-efficiëntie van de micropilaarstructuur te evalueren, werd de meting onder gepulste excitatie ook uitgevoerd. In Fig. 4d, e, observeren we een tellingsrate van 48.000/s op de single-foton-detectoren bij de verzadigde pompvermogen met g²(0) = 0,19, onder 80 MHz herhalingsfrequentie laser-excitatie, wat een fotonextractie-efficiëntie van 3,3% geeft na compensatie van de bijdrage van multi-foton-emissie en rekening houdend met de efficiëntie van de detectie-opstelling. Ons inziens, door het non-resonante excitatieproces [12, 26] en lage detectie-efficiëntie en lange dode tijd van de InGaAs-detector, kan de waargenomen tellingsrate van single-fotonen onderschat worden.

Conclusies

Concluderend, we hebben een heldere single-foton-bron bij 1325,6 nm gepresenteerd door gebruik te maken van een single spanning-gekoppelde bilagen InAs/GaAs QD in een micropilaar Al₀,₉Ga₀,₁As/GaAs DBR-kaviteit. De single-foton-emissie is echt versterkt door QD-groeitemperatuur te optimaliseren en micropilaarstructuur te fabriceren. De gedetecteerde single-foton-rate bereikt 62.000 counts/s, corresponderend met een single-foton-emissie-rate van 3,45 MHz bij de eerste objectieflens. De fotonextractie-efficiëntie wordt geschat op ongeveer 3,3%, met een Q ~300 micropilaar-kaviteit. De tweede-orde autocorrelatiemeting met InGaAs single-foton-telmodules leverde g²(0) = 0,14, wat single-foton-emissie aantoont zelfs bij hoge tellingsrate. Dit is de eerste keer dat zo hoge rate van single-foton-emissie in de telecom-band wordt gerapporteerd door gebruik te maken van een single InAs/GaAs bilagen QD.

Afkortingen

AFM:

Atomic force microscopy

BQD:

Bilagen QD

cw:

Continuous wave

DBRs:

Distributed Bragg reflectoren

HBT:

Hanbury-Brown en Twiss

ICP:

Inductieve gekoppelde plasma

MBE:

Molecular beam epitaxy

QDs:

Kwantumdots

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

SPSs:

Single-foton-bronnen

TCSPC:

Time-correlated single-photon counting

μPL:

Microfotoluminescentie