Versterking van enkelvoudige fotonenemissie door perfecte koppeling van InAs/GaAs-kwantumpunt en micropillar-holtemodus

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont de reflectiespectra bij kamertemperatuur (T =300 K) van het voorgegroeide monster met 6,5 paar onderste en 4 paar bovenste DBR en het formele monster na het caviteitskalibratieproces met 25,5 paar onderste en 15 paar bovenste DBR-stapels. Het calibratieproces in de holtemodus is om de gemeten centrale fundamentele holtemodus (933,5 nm van voorgegroeid monster bij 300 K) te vergelijken met de emissiegolflengte van InAs QD (917,5 nm bij 6,0 K), en beide vervolgens om te zetten in dezelfde temperatuur om de mismatch-ratio te verkrijgen. Vermenigvuldig bij het kweken van het formele monster de DBR-groeitijd met de mismatch-ratio om een ​​nauwkeurige kalibratie van de holtemodus te bereiken om te koppelen met de emissiegolflengte van enkele InAs QD's. Door de reflectiespectra van het voorgegroeide monster en het formele monster te vergelijken, werd de positie van de holtemodus verplaatst van 933,5 naar 941,0 nm zoals verwacht. Figuur 1c toont het beeld van de scanning elektronenmicroscoop (SEM) van de micropijlerholte. Zoals te zien is in de SEM-afbeelding, zijn de micropilaren met een diameter van 2,0 μ m en een hoogte van 6.5 μ m hebben zeer gladde zijwanden en een hoogwaardige structuur, en de InAs QD's waren ingebed in een λ -dikke GaAs-holte en ingeklemd tussen 25,5 paar onderste en 15 paar bovenste DBR-stacks om de efficiëntie van het verzamelen van fotonen te verbeteren.

Figuur 2a toont de excitonlijn (X) bij 917,24 nm en de lijn van de holtemodus (CM) bij 917,54 nm, wat de typische niet-resonantie-omstandigheid is van de QD die is ingebed in een micropijlerholte. Om de DBR-caviteitmodus perfect te koppelen aan de golflengte van InAs QD, werd een nauwkeurig calibratieproces in de holtemodus uitgevoerd. Na kalibratie is de holtemodus perfect gekoppeld aan de QD, wat te zien is in figuur 2b waar er alleen een X-lijn is bij 919,10 nm. Bij resonantie wordt de PL-intensiteit van de X-lijn aanzienlijk verbeterd in vergelijking met omstandigheden zonder resonantie, van 42k tot 95k cps. De ontstemmingsenergie van de QD en CM is 73,4 μ e V op basis van de pasresultaten. Volgens de in de tijd opgeloste metingen van resonerende en niet-resonante omstandigheden, vermindert de perfecte koppeling van QD en de holtemodus de levensduur van 0,908 tot 0,689 ns, zoals weergegeven in figuur 2c. De sterke toename van de emissie-intensiteit en de afname van de levensduur zijn gerelateerd aan de verhoogde spontane emissiesnelheid voor het resonante QD-exciton als gevolg van het Purcell-effect [39].

een μ PL-spectra van de QD-exciton van het niet-gekalibreerde monster bij 6,0 K met de exciton (X) lijn en de holtemodus (CM) lijn. b μ PL-spectra van de QD-exciton van het gekalibreerde monster bij 6,0 K. Gekleurde lijnen:Lorentz-aanpassing van de experimentele gegevens. c Tijdsopgeloste metingen van niet-gekalibreerd monster en het gekalibreerde monster bij 6,0 K. d Excitatievermogen-afhankelijk μ PL-spectra van het niet-gekalibreerde monster bij 6,0 K; inzet:geïntegreerde PL-intensiteit van X en CM als functie van excitatievermogen in een log-log schaal

Het excitatievermogen-afhankelijke μ PL-spectra van InAs / GaAs QD gekoppeld aan micropijler werden bestudeerd met behulp van continue-golf (CW) He-Ne-laser voor excitatie boven de band, zoals figuur 2d laat zien. De kwaliteitsfactor (Q ) van de micropijlerholte wordt geschat op 3800. De identificatie van deze emissielijnen wordt aangetoond door hun vermogensafhankelijkheden. Met de toename van het excitatievermogen wordt de PL-intensiteit van de X-lijn en de holtemoduslijn duidelijk verbeterd. De geïntegreerde PL-intensiteit van zowel X-lijn als CM-lijnen in een log-log schaal toont een lineaire afhankelijkheid bij laag excitatievermogen en verzadigd bij hoog excitatievermogen. De ononderbroken lijnen passen lineair bij de gegevens in een dubbellogaritmische grafiek. De fittingresultaten laten zien dat de PL-intensiteit en het excitatievermogen een exponentiële relatie hebben waarbij de n (Ik ∝P ⁿ ) van de X- en CM-lijn zijn respectievelijk 0,85 en 0,87, wat aangeeft dat het emissielijntype een excitonlijn is. De afwijking van de exponent van de verwachte ideale waarde voor de excitonlijn (n _X =1) kan te wijten zijn aan het effect van niet-radiatieve recombinatiecentra in de buurt van de QD's [4], die de dragerdistributie bij verschillende dragerdichtheden beïnvloeden.

Figuur 3a toont de op temperatuur afgestemde PL-spectra van het niet-gekalibreerde monster. Volgens figuur 3a bewogen de exciton (X) lijn en de holtemodus (CM) lijn met verschillende verschuivingssnelheden door de temperatuur te verhogen van 6,0 naar 45,0 K. De CM-lijn verschoof van 917,54 nm (6,0 K) naar 918,01 nm (45,0 K) en de CM-verschuivingssnelheid is 0,018 μ eV/K, terwijl de X-lijn verschoof van 917,24 nm (6,0 K) naar 919,07 nm (45,0 K) en de X-verschuivingssnelheid ongeveer 0,069 is μ eV/K. De verschuivingssnelheid van de excitonemissie is groter dan de verschuivingssnelheid van de holtemodus, zoals verwacht. Door de krommen van X- en CM-lijnen te vergelijken, snijden de twee krommen elkaar bij een temperatuur van 24,0 K, wat een punt aangeeft waar de exciton en de holtemodus resonantie bereiken bij 24,0 K. Bij resonantie is er een verbetering van de excitonemissie en de waargenomen verhoging van emissie is ongeveer 14,6-voudig waar de intensiteit van de exciton-PL-piek toenam van 6,5 × 10 ³ cps tot 9,5×10 ⁴ cps. Het uitgesproken kruisingsfenomeen van de holtemodus en exciton-energieën wordt gedemonstreerd in figuur 3a, wat aangeeft dat de licht-materie-interactie voldoet aan het zwakke koppelingsregime.

een Contour van op temperatuur afgestemde PL-spectra van het niet-gekalibreerde monster van 6,0 tot 45,0 K. De tweede-orde-correlatiefunctie g ⁽²⁾ (τ ) van de QD-exciton (X)-lijn onder CW-excitatie van het monster zonder het kalibratieproces (b ) en het gekalibreerde monster (c ). d De stralingslevensduur en g ⁽²⁾ (0) van de excitonemissie voor het gekalibreerde monster onder verschillende excitatievermogens

Om het anti-bundeleffect van enkelvoudige fotonenemissie van de QD-excitonlijn te bevestigen, gebruikt de tweede-orde-correlatiefunctie g ⁽²⁾ (τ ) van zowel het niet-gekalibreerde monster als het gekalibreerde monster werd gemeten met HBT-opstelling onder CW-excitatie. Figuur 3b en c tonen de gemeten tweede-orde correlatiefunctie van de X-lijn onder resonantie als functie van de vertragingstijd τ . De gegevens kunnen worden voorzien van de volgende uitdrukking:\(g^{(2)}(\tau)=1-[1-g^{(2)}(0)]exp(-\frac {\mid \tau \mid }{T})\) [40]. Figuur 3b toont de tweede-orde correlatiefunctie van het monster zonder het kalibratieproces. Om betere prestaties van één foton te verkrijgen, werd de enkele QD-exciton X-lijn van het niet-gekalibreerde monster afgestemd op resonantie onder 24,0 K om de g te meten ⁽²⁾ (τ ). De tweede-orde-correlatiefunctie bij nulvertraging van het niet-gekalibreerde monster onder op temperatuur afgestemde resonantie is g ⁽²⁾ (0)=0.258. Afbeelding 3c toont de g ⁽²⁾ (τ ) van de QD-exciton na het nauwkeurige kalibratieproces onder 6,0 K, waarbij g ⁽²⁾ (0)=0.070. Beide zijn minder dan 0,5, wat wijst op een duidelijk anti-bundeleffect en bewijst dat het een enkele-fotonzender is met een sterke onderdrukking van de multi-fotonenemissie zonder tijdsvertraging. Dankzij het nauwkeurige kalibratieproces van de holtemodus verbeterde de perfecte koppeling tussen QD-exciton en holtemodus de zuiverheid van één foton van 74,2% tot 93,0%. Figuur 3d toont de stralingslevensduur en g ⁽²⁾ (0) van de excitonemissie voor het gekalibreerde monster onder verschillende excitatievermogens. De krommen die passen bij \(g^{(2)}(\tau)=1-exp(-\frac {\mid \tau \mid }{T})\) geeft de stralingslevensduur van het exciton (T ), en de figuur laat zien dat T wordt korter naarmate het excitatievermogen toeneemt, terwijl g ⁽²⁾ (0) bij lager excitatievermogen is kleiner dan bij verzadigd excitatievermogen, wat wijst op een zuiverdere enkelvoudige fotonemissie bij lager excitatievermogen.

Om de netto single-photon count rate van de QD-exciton te verkrijgen na het nauwkeurige kalibratieproces, hebben we al het optische verlies geschat, inclusief de efficiëntie van de fotondetectie en het transmissieverlies. De efficiëntie van de fotondetectie van de Si-detector is 33% en het transmissieverlies is 81%, inclusief de efficiëntie van het verzamelen van objectieven (66%), de efficiëntie van de smalle bandfilter (40%), de vezelcollimator (80%) en de efficiëntie van de multimode-vezelkoppeling (90%). Gebaseerd op de telsnelheid (1,0×10 ⁶ tellingen/s) op twee Si-single-fotondetectoren in de coïncidentiemetingen en gecorrigeerde fotontellingssnelheid met de factor [1−g ⁽²⁾ (0)] ^1/2 [41], we schatten dat de netto telling van één foton 1,6×10 ⁷ . is telt/s bij de eerste objectieflens. De resultaten geven aan dat tijdens de monstergroeifase de perfecte koppeling tussen de holtemodus en QD-exciton een zuiverdere en helderdere enkel-fotonbron kan produceren door middel van het nauwkeurige kalibratieproces.