InAs/GaAs 이중층 양자점에서 섬유 기반 양자 통신이 가능한 1.3μm의 파장에서 단일 광자 방출의 현저한 높은 계수율이 분산된 브래그 반사체의 미세기둥(직경 ~3μm) 공동과 결합되어 조사되었습니다. 광자 추출 효율이 3.3%를 달성했습니다. Cavity 모드 및 Purcell 향상은 미세 광발광 스펙트럼에서 명확하게 관찰되었습니다. Hanbury-Brown 및 Twiss 설정의 감지 끝에서 두 개의 눈사태 단일 광자 계수 모듈은 ~62,000/s의 총 계수 속도를 기록합니다. 시간 일치 계산 측정은 다중 광자 방출 가능성, 즉 g와 함께 단일 광자 방출을 보여줍니다.
2
(0), 단 0.14.
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배경
광섬유 기반 양자 정보는 강력하게 감쇠된 펄스 레이저를 기반으로 하는 기존 의사 SPS를 대체하기 위해 통신 대역에서 실제 단일 광자 소스(SPS)가 필요합니다. 자가조립된 개별 양자점(QD)은 실제 단일 광자를 방출할 가능성이 있으므로 큰 관심을 끌고 있습니다[1,2,3,4]. 분산 브래그 반사기(DBR) 공동을 단일 QD에 통합하면 지향성 방출이 향상됩니다. ~1.55μm에서 방출하는 InP 기판에서 성장한 InAs QD와 DBR[5, 6]과 같은 저온에서 성장한 격자 일치 인듐이 풍부한 재료와 비교할 때 GaAs 기판에서 성장한 InAs QD는 격자 일치의 쉬운 통합에 유리합니다. 고품질 GaAs/Al0.9 Ga0.1 DBR로. 통신 대역에서 InAs/GaAs QD SPS를 구현하려면 방출 파장이 일반적인 파장에서 0.9~1.3 또는 1.55μm로 확장되어야 하며 밀도는 10
7
만큼 낮게 유지되어야 합니다. –10
8
cm
−2
마이크로 영역에서 단일 QD를 실현합니다. MBE(molecular beam epitaxy)에 의해 저밀도 InAs 양자점을 제작하기 위해 초저성장 속도[3], 높은 성장 온도[7,8,9], 증착량의 정밀한 제어[10]와 같은 몇 가지 건설적인 계획이 제안되었습니다. ] QD의 분리 및 메사/홀 패턴 기판의 성장에 의한 QD의 분리[11] 또는 마이크로필러로의 에칭[12, 13]. 방출 파장을 확장하기 위해 QD의 변형 공학[14], 변성 구조[2], 변형 결합 이중층 QD(BQD) 구조[15,16,17]와 같은 여러 기술이 개발되었습니다. GaAs 기판의 BQD 구조는 1.3μm 이상의 발광을 달성하는 데 효과적입니다. 고밀도 BQD는 실온에서 작동하는 ~1.5μm의 레이저 다이오드에 적용되었습니다[15, 16]. 결정 품질을 저하시킬 수 있는 활성층의 변성층 및 초저 성장률 사용을 피하기 때문에 [2] BQD 구조는 통신 파장에서 저밀도 양자점을 성장시키는 데에도 필요합니다. 1.3μm에서 방출하는 저밀도 InAs/GaAs BQD는 이전 작업에서 얻었습니다[18]. 섬유 기반 애플리케이션[2, 19]에 대해 1.3μm에서 단일 광자의 높은 계수율을 달성하려면 단일 QD에서 광자 추출 효율을 개선해야 합니다. 이 편지에서 우리는 BQD 구조의 성장 조건을 더욱 최적화하고 미세기둥 구조를 제작하여 1.3μm에서 방출하는 단일 InAs/GaAs BQD에서 광자 추출을 크게 향상시킵니다. 단일 광자 계수 속도는 공초점 현미경 분광기 설정의 광자 수집 효율성을 고려하여 InGaAs 단일 광자 계수 모듈에서 62,000 counts/s 또는 첫 번째 대물 렌즈에서 3.45 M counts/s에 도달했습니다. InAs/GaAs BQD를 사용하여 통신 파장에서 단일 광자 방출의 높은 계수율을 보고한 것은 이번이 처음입니다. 방출 강도는 BQD 층에 인접한 n형 δ-도핑 층을 도입하여 전자 하전 여기자를 생성함으로써 더욱 향상될 수 있다[13].
방법
조사된 샘플은 반절연(100) GaAs 기판에서 고체 소스 MBE(VEECO Gen930 시스템)에 의해 성장되었습니다. 샘플 구조는 순서대로 300nm 두께의 GaAs 버퍼 층, 25.5쌍 파장 일치 Al0.9 Ga0.1 (113.7nm)/GaAs(98.6nm) 하단 DBR, 하나의 λ -두꺼운 도핑되지 않은 GaAs 공동 및 8쌍 Al0.9 Ga0.1 같은 기간의 As/GaAs 상위 DBR. GaAs 캐비티의 중앙에서 통신 방출용 활성층, 즉 InGaAs 변형 감소층이 있는 BQD 구조는 이전에 사용된 온도보다 낮은 Stranski-Krastanov 성장 모드에서 470°C에서 성장되었습니다. 일하다. 더 많은 성장 세부 사항은 Ref. [18]. 이 작업에서 특히 마이크로필러 어레이는 포토리소그래피 및 염소(Cl2 ) 및 아르곤(Ar) 혼합 가스. 그림 2a의 주사형 전자현미경(SEM) 이미지에서 볼 수 있듯이 미세기둥은 지름이 ~3μm, 높이가 7.75μm이며 측벽이 매우 매끄럽습니다. 샘플은 온도가 4K에서 50K로 미세 조정된 극저온 수조 저온 유지 장치에서 냉각되고 633nm 파장에서 He-Ne 레이저로 여기되었습니다. 대물렌즈(NA, 0.65)가 있는 공초점 현미경 설정은 레이저를 직경 2μm의 한 점에 집중시키고 발광을 분광기로 효과적으로 수집하여 단일 QD 여기자 스펙트럼 라인을 검색하기 위해 미세 영역을 스캔할 수 있습니다. 마이크로 광발광(μPL) 스펙트럼은 분광기용 액체 질소 냉각 InGaAs 선형 어레이 검출기가 장착된 0.3m 길이의 초점 거리 모노크로메이터에 의해 검출되었습니다. 반사율 측정을 위해 2nm의 스캐닝 단계와 3mm × 3mm의 광점으로 분광 광도계(PerkinElmer 1050)를 사용했습니다. 여기자의 복사 수명을 조사하기 위해 TCSPC(time-correlated single-photon counting) 보드와 Ti:Sapphire 펄스 레이저(펄스 폭, ~100fs, 반복 주파수, 80MHz, 파장 740nm)를 사용했습니다. 시간 분해 μPL 측정. 2차 자기상관 함수 g를 측정하려면
(2)
(τ ), QD 스펙트럼 라인 발광은 섬유 결합 Hanbury-Brown and Twiss(HBT) 설정[20]으로 전송되었고 두 개의 InGaAs 애벌런치된 단일 광자 계수 모듈(IDQ 230, 시간 분해능, 200ps, 어두운 계수율)에 의해 감지되었습니다. , ~80 counts/s, 데드 타임, 30μs) 및 시간 일치 계산 모듈.
결과 및 토론
그림 1a, b는 각각 480 및 470°C에서 성장한 BQD의 AFM 이미지를 보여줍니다. 480°C 샘플의 경우 BQD는 평균 직경이 61nm이고 높이가 약 10nm입니다. 470°C 샘플의 경우 평균 직경은 75nm이고 높이는 13nm로 480°C에서 자란 것보다 더 크고 더 큽니다. 낮은 온도는 QD 크기와 종횡비의 증가에 기여합니다[21]. 광자 수집 효율성을 향상시키기 위해 BQD는 λ -두꺼운 GaAs 캐비티와 25.5개의 하부 DBR 스택과 8개의 상부 DBR 스택 사이에 끼워져 있습니다. BQD의 성장 온도를 제외하고는 모두 두 샘플에서 동일합니다. 그림 1c에서 볼 수 있듯이 우리가 관찰한 두 샘플에서 가장 밝은 BQD는 PL 스펙트럼에서 상당히 다릅니다. PL 강도는 낮은 성장 온도에서 크게 향상되었으며, 이는 BQD 주변의 변형 완화 및 전위 감소에 기인할 수 있습니다[21]. 그림 1d는 1310–1380nm 범위에서 값이 약 99%인 하단 DBR의 측정된 반사율 스펙트럼을 보여주며 QD 방출을 반사하는 좋은 거울을 보여줍니다.
<그림>
1 × 1 μm
2a에서 성장한 캡이 없는 BQD의 원자력 현미경(AFM) 이미지 480 및 b 470°C ㄷ 480°C에서 성장한 DBR 공동에 내장된 BQD의 μPL 스펙트럼(빨간색 ) 및 470°C(검정색 ), 4K에서 측정 d 실온에서 측정한 하단 DBR의 반사 스펙트럼
그림 2는 마이크로필러의 SEM 이미지와 여기에 내장된 일반적인 BQD의 μPL 스펙트럼을 보여줍니다. 그림 2d는 온도의 함수로 μPL 스펙트럼을 보여줍니다. BQD의 방출은 30K에서 최대 강도에 도달하여 공동 공명을 나타냅니다. 그림 2c도 참조하세요. 미세기둥 공동의 품질 계수(Q)는 약 361로 추정됩니다. 낮은 Q는 GaAs와 Al 사이의 작은 반사율 오프셋에 기인합니다0.9 Ga0.1 통신 파장과 마찬가지로 여기에서는 <1μm에서 방출하는 QD에 결합된 기존 DBR보다 더 적은 수의 DBR 쌍이 사용되었습니다[12, 22].
<그림>
아 미세기둥 구조의 SEM 이미지(직경 ~3μm) ㄴ 4K에서 마이크로필러에 있는 단일 BQD의 일반적인 PL 스펙트럼. d 마이크로필러 및 c에서 일반적인 BQD의 온도 종속 μPL 스펙트럼 여기 전력 ~2μW, 빨간색 선 하에서 여기자-공동 디튜닝의 함수로서의 통합 PL 강도 :로렌츠 피팅
마이크로필러에서 InAs/GaAs BQD의 여기 전력 종속 μPL 스펙트럼은 그림 3a에서 볼 수 있듯이 대역 이상 여기를 위해 연속파(cw) He-Ne 레이저를 사용하여 연구되었습니다. 1325.6nm에서 엑시톤 라인(X)과 1327.1nm에서 하전된 엑시톤 라인(X*)을 보여줍니다. 이러한 방출 라인의 식별은 다양한 전력 의존성에 의해 뒷받침됩니다. 그림 3b에서 1325.6nm에서 X선의 적분된 PL 강도는 저전력 영역에서 여기 전력에 선형 의존성을 나타내고 높은 여기 전력에서 포화됩니다. 실선은 이중 로그 플롯의 데이터에 선형 피팅됩니다. 1327.1nm의 X* 라인은 불포화 여기 전력 의존성을 나타냅니다[23]. 다음 조사는 X선에 대해 수행되었습니다.
<그림>
아 여기 전력 의존 μPL 스펙트럼(T =4 K) 마이크로필러의 일반적인 BQD. ㄴ 엑시톤(X) 및 하전 엑시톤(X*)의 통합된 PL 강도는 로그-로그 스케일의 여기 전력 함수입니다. 컬러 라인 :실험 데이터의 선형 피팅
시간 분해 PL 측정은 Purcell 향상을 결정하기 위해 수행되었습니다. QD-캐비티 공진 및 원거리 디튜닝에서 BQD X 라인의 자발적 방출 감쇠는 그림 4a에 나와 있습니다. 장착된 복사 수명은 공진의 경우 0.66ns, 원거리 조정의 경우 1.25ns이며, 이는 퍼셀 향상 계수 1.9에 해당합니다. 1325.6nm에서 X선의 단일 광자 방출을 확인하기 위해 2차 상관 함수 g를 측정했습니다.
(2)
(τ ) cw 인용 및 포화 펄스 여기에서 HBT 설정으로. 그림 4b는 지연 시간 τ의 함수로 측정된 X 라인의 2차 상관 함수를 보여줍니다. cw 여기에서. 데이터는 다음 표현식으로 적합할 수 있습니다. g
(2)
(τ ) =1 − [1 − g
(2)
(0)]exp(-|τ |/T ) [24]. 피팅 결과 g
2
(0) =0.14, 제로 시간 지연에서 다중 광자 방출을 강력하게 억제하는 단일 광자 방출기를 증명합니다. 검출기에서 측정된 계수율은 펌프 전력의 함수로 그림 4c에 나와 있습니다. 약한 펌프 영역에서는 선형 의존성을 나타내고 강한 펌프 영역에서는 포화됩니다. 포화 상태에서 카운트 속도는 두 개의 InGaAs 단일 광자 검출기에서 약 62,000 counts/s이며 두 검출기의 다크 카운트도 포함합니다. 첫 번째 렌즈에서 수집된 해당 광자 수를 추론하기 위해 1320nm에서 cw 레이저를 사용하여 모든 광학 손실을 보정합니다. 현미경 대물렌즈, 롱패스 필터, 미러, 렌즈를 포함한 투과 손실과 모노크로메이터, 렌즈 및 광섬유 간 커넥터의 효율은 10.46dB였습니다. 데드 타임이 30μs인 InGaAs 검출기의 검출 효율과 다크 카운트 비율은 각각 18% 및 ~150 counts/s입니다. InGaAs 단일 광자 검출기의 계수율 및 [1−g 계수로 보정된 광자 계수율을 기준으로 함
(2)
(0)]
1/2
[25], 우리는 다중 광자 방출의 기여도를 보상한 후 순 단일 광자 검출 비율을 추정하고 다크 카운트 비율은 3.45 × 10
6
첫 번째 대물 렌즈에서 포화된 펌프 전력에서의 counts/s. 미세기둥 구조의 광자 추출 효율을 평가하기 위해 펄스 여기 상태에서도 측정을 수행하였다. 그림 4d, e에서 g를 사용하여 포화 펌프 전력에서 단일 광자 검출기에서 48,000/s의 계수 속도를 관찰합니다.
2
(0) =0.19, 80MHz 반복 속도 레이저 여기에서 다중 광자 방출의 기여도를 보상하고 감지 설정의 효율성을 고려한 후 3.3%의 광자 추출 효율을 제공합니다. 비공진 여기 과정[12, 26]과 InGaAs 검출기의 낮은 검출 효율과 긴 데드 타임으로 인해 관찰된 단일 광자의 계수율이 과소평가될 수 있다고 생각합니다.
<사진>
아 (흰색 원에 대한 시분할 측정 ) 및 끄기(검정색 원 ) F의 Purcell 계수를 나타내는 미세기둥의 X선 공진 p =1.9. ㄴ , d 2차 상관 함수 g
(2)
(τ ) cw 여기 및 포화 펌프 전력에서 80MHz 펄스 레이저 여기에서 X 라인에 대해. ㄷ , e cw 및 펄스 여기에서 각각 1325.6 nm에서 여기자 피크의 펌프 전력 종속 PL 강도. 검은색 원c에서 및 e InGaAs 검출기에 기록된 계수율을 나타냅니다.
결론
결론적으로 우리는 미세기둥 Al0.9에서 단일 변형 결합 이중층 InAs/GaAs QD를 사용하여 1325.6nm에서 밝은 단일 광자 소스를 제시했습니다. Ga0.1 As/GaAs DBR 캐비티. 단일 광자 방출은 QD 성장 온도를 최적화하고 미세 기둥 구조를 제작하여 실제로 향상되었습니다. 감지된 단일 광자 속도는 첫 번째 대물 렌즈에서 3.45MHz의 단일 광자 방출 속도에 해당하는 62,000 counts/s에 도달합니다. 광자 추출 효율은 Q ~300 마이크로필러 캐비티에서 약 3.3%로 추정됩니다. InGaAs 단일 광자 계수 모듈을 사용한 2차 자기상관 측정 결과 g
(2)
(0) =0.14, 높은 계수율에서도 단일 광자 방출을 보여줍니다. 단일 InAs/GaAs 이중층 QD를 사용하여 통신 대역에서 단일 광자 방출 속도가 이렇게 높은 것은 이번이 처음입니다.
