Helle Einzelphotonenquelle bei 1,3 μm basierend auf InAs-Doppelschicht-Quantenpunkt in Micropillar

Hintergrund

Quanteninformation auf Glasfaserbasis erfordert echte Einzelphotonenquellen (SPSs) im Telekommunikationsband, um die traditionellen Pseudo-SPSs basierend auf stark zerfallenden Pulslasern zu ersetzen. Selbstorganisierte individuelle Quantenpunkte (QDs) haben das Potenzial, echte Einzelphotonen zu emittieren und haben daher großes Interesse geweckt [1,2,3,4]. Die Integration eines verteilten Bragg-Reflektors (DBR) in einen einzelnen QD wird seine gerichtete Emission verbessern. Im Vergleich zu InAs-QDs, die auf einem InP-Substrat mit einer Emission von ~1,55 μm mit gitterangepassten indiumreichen Materialien, die bei niedriger Temperatur als DBR gewachsen sind, gewachsen sind [5, 6], sind auf einem GaAs-Substrat gewachsene InAs-QDs hinsichtlich der einfachen Integration von gitterangepassten . von Vorteil hochwertiges GaAs/Al_0.9 Ga_0,1 Als DBR. Um InAs/GaAs-QD-SPSs im Telekommunikationsband zu realisieren, muss ihre Emissionswellenlänge von der üblichen ~0,9 bis 1,3 oder 1,55 μm reichen und ihre Dichte muss nur 10 ⁷ . betragen –10 ⁸ cm ⁻² einzelne QDs in einer Mikroregion zu realisieren. Um InAs-QDs mit niedriger Dichte durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) herzustellen, wurden einige konstruktive Schemata vorgeschlagen, wie z ] von QDs und die Isolierung von QDs durch Wachstum auf einem Mesa/Loch-gemusterten Substrat [11] oder Ätzen in Mikrosäulen [12, 13]. Um ihre Emissionswellenlänge zu erweitern, wurden verschiedene Techniken entwickelt, wie das Strain Engineering von QDs [14], metamorphe Strukturen [2] und die spannungsgekoppelte Doppelschicht-QD (BQD)-Struktur [15,16,17]. Die BQD-Struktur auf einem GaAs-Substrat ist effektiv, um eine Emission über 1,3 μm zu erreichen. BQDs mit hoher Dichte wurden in Laserdioden bei ~1,5 μm bei Raumtemperatur eingesetzt [15, 16]. Da die Verwendung einer metamorphen Schicht und eine extrem niedrige Wachstumsrate in der aktiven Schicht vermieden wird, die die Kristallqualität verschlechtern könnte [2], ist die BQD-Struktur auch erwünscht, um QDs mit niedriger Dichte in Telekommunikationswellenlängen zu wachsen. In unserer früheren Arbeit [18] wurden InAs/GaAs-BQDs mit niedriger Dichte erhalten, die bei 1,3 μm emittieren. Um eine hohe Zählrate einzelner Photonen bei 1,3 μm für faserbasierte Anwendungen zu erreichen [2, 19], muss die Effizienz der Photonenextraktion aus einzelnen QDs verbessert werden. In diesem Brief verbessern wir durch die weitere Optimierung der Wachstumsbedingungen der BQD-Struktur und die Herstellung einer Mikrosäulenstruktur die Photonenextraktion aus einzelnen InAs/GaAs-BQDs, die bei 1,3 μm emittieren, erheblich. Die Einzelphotonen-Zählrate hat 62.000 Counts/s beim Einzelphotonen-Zählmodul InGaAs oder 3,45 M Counts/s bei der ersten Objektivlinse erreicht, wenn man die Photonensammeleffizienz des konfokalen Mikroskop-Spektroskopieaufbaus berücksichtigt. Dies ist das erste Mal, dass eine hohe Zählrate der Einzelphotonenemission bei Telekommunikationswellenlängen unter Verwendung von InAs/GaAs-BQDs berichtet wird. Die Emissionsintensität kann weiter erhöht werden, indem eine n-leitende δ-dotierte Schicht neben der BQD-Schicht eingeführt wird, um elektronengeladene Exzitonen zu erzeugen [13].

Methoden

Die untersuchte Probe wurde mittels Solid-Source-MBE (VEECO Gen930-System) auf einem halbisolierenden (100) GaAs-Substrat gezüchtet. Die Probenstruktur besteht nacheinander aus einer 300 nm dicken GaAs-Pufferschicht, einem 25,5-paarigen wellenlängenangepassten Al_0,9 Ga_0,1 As (113,7 nm)/GaAs (98,6 nm) unterer DBR, ein λ -dicke undotierte GaAs-Kavität und ein 8-paariges Al_0,9 Ga_0,1 As/GaAs oberer DBR mit gleicher Periode. In der Mitte des GaAs-Hohlraums wurde die aktive Schicht für die Telekommunikationsemission, dh die BQD-Struktur mit InGaAs-Verformungsreduzierungsschicht, bei 470 ° C im Stranski-Krastanov-Wachstumsmodus aufgewachsen, was niedriger war als die Temperatur, die in unserem vorherigen verwendet wurde arbeiten. Weitere Wachstumsdetails sind in Ref. [18]. In dieser Arbeit werden speziell Mikrosäulen-Arrays auf den DBR-hohlraumgekoppelten BQD-Proben durch Photolithographie und induktiv gekoppeltes Plasmaätzen (ICP) mit Chlor (Cl₂ .) hergestellt ) und Argon (Ar)-Mischgas. Wie das Rasterelektronenmikroskop (REM) in Abb. 2a zeigt, haben die Mikrosäulen einen Durchmesser von ~3 μm und eine Höhe von 7,75 μm mit sehr glatten Seitenwänden. Die Probe wurde in einem kryogenfreien Badkryostaten mit einer fein abgestimmten Temperatur von 4 bis 50 K gekühlt und durch einen He-Ne-Laser bei einer Wellenlänge von 633 nm angeregt. Der konfokale Mikroskopaufbau mit einem Objektiv (NA, 0,65) fokussiert den Laser auf einen Fleck mit einem Durchmesser von 2 μm und sammelt die Lumineszenz effektiv in einem Spektrographen, der ein Scannen von Mikroregionen ermöglicht, um einzelne QD-Exziton-Spektrallinien zu suchen. Das Mikrophotolumineszenz-(μPL)-Spektrum wurde von einem Monochromator mit 0,3 m langer Brennweite erfasst, der mit einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten InGaAs-Lineararray-Detektor für Spektrographen ausgestattet war. Für die Reflektivitätsmessung wurde ein Spektrophotometer (PerkinElmer 1050) mit einem Scanschritt von 2 nm und einem Lichtfleck von 3 mm × 3 mm verwendet. Um die Strahlungslebensdauer des Exzitons zu untersuchen, wurden eine zeitkorrelierte Einzelphotonenzählplatine (TCSPC) und ein Ti:Saphir-Pulslaser (Pulsbreite ~100 fs; Wiederholfrequenz 80 MHz; Wellenlänge 740 nm) für . verwendet zeitaufgelöste μPL-Messung. So messen Sie die Autokorrelationsfunktion zweiter Ordnung g ⁽²⁾ (τ ), wurde die QD-Spektrallinienlumineszenz an einen fasergekoppelten Hanbury-Brown-and-Twiss-(HBT)-Aufbau gesendet [20] und von zwei InGaAs-Avalanched-Einzelphotonen-Zählmodulen (IDQ 230; Zeitauflösung 200 ps; Dunkelzählrate) nachgewiesen , ~80 Zählungen/s; Totzeit, 30 μs) und ein Zeitkoinzidenz-Zählmodul.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a, b zeigen AFM-Bilder von BQDs, die bei 480 bzw. 470 °C gezüchtet wurden. Für eine 480 °C-Probe haben die BQDs einen mittleren Durchmesser von 61 nm und eine Höhe von etwa 10 nm. Bei einer Probe mit 470 °C beträgt der mittlere Durchmesser 75 nm und die Höhe 13 nm, höher und größer als bei 480 °C. Die niedrigere Temperatur trägt zur Erhöhung der QD-Größe und des Seitenverhältnisses bei [21]. Um die Effizienz der Photonensammlung zu verbessern, wurden die BQDs in ein λ . eingebettet -dicke GaAs-Kavität und sandwichartig zwischen 25,5 unteren und 8 oberen DBR-Stapeln. Alle sind für die beiden Proben gleich, mit Ausnahme der Wachstumstemperatur der BQDs. Wie in Abb. 1c gezeigt, sind die hellsten BQDs in den beiden von uns beobachteten Proben im PL-Spektrum ziemlich unterschiedlich. Die PL-Intensität wurde bei der niedrigeren Wachstumstemperatur stark erhöht, was auf die reduzierte Spannungsrelaxation und Dislokation um BQDs zurückgeführt werden kann [21]. Abbildung 1d zeigt das gemessene Reflexionsspektrum des unteren DBR mit einem Wert von etwa 99 % im Bereich von 1310–1380 nm, was einen guten Spiegel zum Reflektieren der QD-Emission demonstriert.

1 × 1 μm ² Rasterkraftmikroskopie (AFM)-Bild von BQDs ohne Kappe, die bei a . gewachsen sind 480 und b 470 °C. c μPL-Spektren von in DBR-Hohlräumen eingebetteten BQDs, gezüchtet bei 480 °C (rot ) und 470 °C (schwarz ), gemessen bei 4 K. d Reflexionsspektrum des unteren DBR, gemessen bei Raumtemperatur

Abbildung 2 zeigt das REM-Bild der Mikrosäule und die μPL-Spektren einer typischen darin eingebetteten BQD. Abbildung 2d zeigt die μPL-Spektren als Funktion der Temperatur. Die Emission des BQD erreicht ihre maximale Intensität bei 30 K, was auf eine Hohlraumresonanz hindeutet; siehe auch Abb. 2c. Der Qualitätsfaktor (Q) des Mikrosäulenhohlraums wird auf ungefähr 361 geschätzt. Der niedrige Q wird dem geringen Reflexionsversatz zwischen GaAs und Al_0,9 . zugeschrieben Ga_0,1 Wie bei der Telekommunikationswellenlänge wurden hier weniger DBR-Paare verwendet als die herkömmlichen DBRs, die an QDs gekoppelt sind, die bei <1 μm emittieren [12, 22].

a SEM-Bild der Mikrosäulenstruktur (Durchmesser ~3 μm). b Typisches PL-Spektrum einer einzelnen BQD in Mikrosäule bei 4 K. d Temperaturabhängige μPL-Spektren einer typischen BQD in Mikrosäule und c seine integrierte PL-Intensität als Funktion der Exzitonenhohlraum-Verstimmung unter Anregungsleistung ~2 μW, rote Linie :Lorentz-Anpassung

Die von der Anregungsleistung abhängigen μPL-Spektren von InAs/GaAs-BQDs in einer Mikrosäule wurden unter Verwendung eines He-Ne-Lasers mit kontinuierlicher Welle (cw) für die Oberbandanregung untersucht, wie Abb. 3a zeigt. Sie zeigen die Exzitonenlinie (X) bei 1325,6 nm und die geladene Exzitonenlinie (X*) bei 1327,1 nm. Die Identifizierung dieser Emissionslinien wird durch ihre unterschiedlichen Leistungsabhängigkeiten unterstützt. In Abb. 3b zeigte die integrierte PL-Intensität der X-Linie bei 1325,6 nm eine lineare Abhängigkeit von der Anregungsleistung im Bereich niedriger Leistung und ist bei einer hohen Anregungsleistung gesättigt. Die durchgezogenen Linien passen sich den Daten in einem doppellogarithmischen Diagramm linear an. Die X*-Linie bei 1327,1 nm zeigt eine nicht gesättigte Anregungsleistungsabhängigkeit [23]. Die folgenden Untersuchungen wurden an der X-Linie durchgeführt.

a Anregungsleistungsabhängige μPL-Spektren (T = 4 K) typischer BQDs in Mikrosäulen. b Integrierte PL-Intensität von Exziton (X) und geladenem Exziton (X*) als Funktion der Anregungsleistung in einer log-log-Skala. Farbige Linien :lineare Anpassung der experimentellen Daten

Zur Bestimmung der Purcell-Verstärkung wurden die zeitaufgelösten PL-Messungen durchgeführt. Der spontane Emissionsabfall der BQD-X-Linie bei QD-Kavitätenresonanz und bei starker Verstimmung ist in Abb. 4a dargestellt. Die angepasste Strahlungslebensdauer beträgt 0,66 ns für Resonanz und 1,25 ns für Fernverstimmung, was einem Purcell-Verstärkungsfaktor von 1,9 entspricht. Um die Einzelphotonenemission der X-Linie bei 1325,6 nm zu bestätigen, haben wir die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung g . gemessen ⁽²⁾ (τ ) mit einem HBT-Aufbau unter cw-Zitation und gesättigter Pulsanregung. Abbildung 4b zeigt die gemessene Korrelationsfunktion zweiter Ordnung der X-Linie als Funktion der Verzögerungszeit τ unter cw-Erregung. Die Daten könnten mit dem folgenden Ausdruck versehen werden:g ⁽²⁾ (τ ) = 1 − [1 − g ⁽²⁾ (0)]exp(−|τ |/T ) [24]. Die Anpassung ergibt g ² (0) = 0.14, was einen Einzelphotonen-Emitter mit einer starken Unterdrückung der Mehrphotonen-Emission bei null Zeitverzögerung beweist. Die an den Detektoren gemessene Zählrate ist in Abb. 4c als Funktion der Pumpleistung dargestellt. Es zeigt eine lineare Abhängigkeit im schwachen Pumpregime und wird im starken Pumpregime gesättigt. Bei Sättigung beträgt die Zählrate bei zwei InGaAs-Einphotonen-Detektoren etwa 62.000 Counts/s, einschließlich der Dunkelzählungen der beiden Detektoren. Um die entsprechende Anzahl von Photonen abzuleiten, die in der ersten Linse gesammelt wurden, kalibrieren wir den gesamten optischen Verlust mit einem cw-Laser bei 1320 nm. Der Transmissionsverlust einschließlich Mikroskopobjektiv, Langpassfilter, Spiegel und Linse sowie die Effizienz von Monochromator, Linse und Verbindern zwischen den Fasern betrug 10,46 dB. Die Detektionseffizienz und Dunkelzählungsrate des InGaAs-Detektors mit Totzeiten von 30 μs betragen 18 % bzw. ~150 Zählungen/s. Basierend auf der Zählrate von InGaAs-Einzelphotonendetektoren und korrigierter Photonenzählrate um den Faktor [1−g ⁽²⁾ (0)] ^1/2 [25] schätzen wir die Netto-Einzelphotonen-Erkennungsrate nach Kompensation des Beitrags der Mehrphotonen-Emission und der Dunkelzählrate auf 3,45 × 10 ⁶ counts/s bei der gesättigten Pumpleistung an der ersten Objektivlinse. Um die Photonenextraktionseffizienz der Mikrosäulenstruktur zu bewerten, wurde auch die Messung unter gepulster Anregung durchgeführt. In Abb. 4d, e beobachten wir eine Zählrate von 48.000/s an den Einzelphotonendetektoren bei der gesättigten Pumpleistung mit g ² (0) = 0,19, unter einer Laseranregung mit einer Wiederholungsrate von 80 MHz, was eine Photonenextraktionseffizienz von 3,3 % ergibt, nachdem der Beitrag der Multiphotonenemission kompensiert und die Effizienz des Detektionsaufbaus berücksichtigt wurde. Unserer Meinung nach kann die beobachtete Zählrate einzelner Photonen aufgrund des nicht resonanten Anregungsprozesses [12, 26] und der geringen Detektionseffizienz und langen Totzeit des InGaAs-Detektors unterschätzt werden.

a Zeitaufgelöste Messungen auf (weißer Kreis ) und aus (schwarzer Kreis ) resonant der X-Linie in der Mikrosäule, die einen Purcell-Faktor von F . aufweist _p = 1,9. b , d Korrelationsfunktion zweiter Ordnung g ⁽²⁾ (τ ) für die X-Linie bei cw-Anregung und 80 MHz-Pulslaseranregung bei gesättigter Pumpleistung. c , e Pumpleistungsabhängige PL-Intensität des Exzitonenpeaks bei 1325,6 nm unter cw- bzw. Pulsanregung. Die schwarzen Kreise in c und e bezeichnen die an den InGaAs-Detektoren aufgezeichnete Zählrate

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir eine helle Einzelphotonenquelle bei 1325,6 nm präsentiert, indem wir eine einzelne spannungsgekoppelte InAs/GaAs-QD-Doppelschicht in einer Mikrosäule Al_0,9 . verwendet haben Ga_0,1 As/GaAs-DBR-Kavität. Die Einzelphotonenemission wurde durch die Optimierung der QD-Wachstumstemperatur und die Herstellung einer Mikrosäulenstruktur wirklich verbessert. Die erkannte Einzelphotonenrate erreicht 62.000 Zählungen/s, was einer Einzelphotonen-Emissionsrate von 3,45 MHz an der ersten Objektivlinse entspricht. Die Photonenextraktionseffizienz wird auf etwa 3,3% geschätzt, mit einem Q ~300 Mikrosäulenhohlraum. Die Autokorrelationsmessung zweiter Ordnung mit InGaAs-Einzelphotonenzählmodulen ergab g ⁽²⁾ (0) = 0.14, was eine Einzelphotonenemission selbst bei hoher Zählrate demonstriert. Dies ist das erste Mal, dass eine so hohe Einzelphotonenemissionsrate im Telekommunikationsband unter Verwendung einer einzelnen InAs/GaAs-Doppelschicht-QD berichtet wird.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

BQD:

Doppelschicht-QD

cw:

Dauerwelle

DBRs:

Verteilte Bragg-Reflektoren

HBT:

Hanbury-Brown und Twiss

ICP:

Induktiv gekoppeltes Plasma

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

QDs:

Quantenpunkte

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

SPS:

Einzelphotonenquellen

TCSPC:

Zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung

μPL:

Mikrophotolumineszenz