Source lumineuse à photon unique à 1,3 μm basée sur un point quantique à double couche InAs dans un micropilier

Contexte

Les informations quantiques basées sur la fibre optique nécessitent de véritables sources de photons uniques (SPS) dans la bande des télécommunications pour remplacer les pseudo-SPS traditionnels basés sur des lasers à impulsions fortement désintégrés. Les points quantiques individuels auto-assemblés (QD) sont susceptibles d'émettre de vrais photons uniques et ont donc suscité un grand intérêt [1,2,3,4]. L'intégration d'une cavité à réflecteur de Bragg distribué (DBR) à un seul QD améliorera son émission directionnelle. Par rapport aux QD d'InAs cultivés sur un substrat d'InP émettant à ~ 1,55 μm avec des matériaux riches en indium appariés au réseau cultivés à basse température en tant que DBR [5, 6], les QD d'InAs cultivés sur un substrat de GaAs sont avantageux pour l'intégration facile des DBR appariés au réseau. GaAs/Al_0.9 de haute qualité Ga_0.1 Comme DBR. Pour réaliser des SPS QD InAs/GaAs dans la bande des télécommunications, leur longueur d'onde d'émission doit s'étendre de la longueur d'onde habituelle de ~0,9 à 1,3 ou 1,55 μm et leur densité doit rester aussi faible que 10 ⁷ –10 ⁸ cm ⁻² pour réaliser des QD uniques dans une microrégion. Pour fabriquer des QD InAs de faible densité par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), certains schémas constructifs ont été proposés, tels qu'un taux de croissance ultra-faible [3], une température de croissance élevée [7,8,9] et un contrôle précis de la quantité de dépôt [10 ] des QDs et l'isolement des QDs par croissance sur un substrat à motifs mesa/hole [11] ou gravure en micropiliers [12, 13]. Pour étendre leur longueur d'onde d'émission, plusieurs techniques ont été développées, telles que l'ingénierie des déformations des QD [14], les structures métamorphiques [2] et la structure QD bicouche à couplage de contrainte (BQD) [15,16,17]. La structure BQD sur substrat GaAs est efficace pour atteindre une émission supérieure à 1,3 μm. Des BQD haute densité ont été appliqués dans des diodes laser à ~1,5 μm fonctionnant à température ambiante [15, 16]. Puisqu'elle évite l'utilisation d'une couche métamorphique et d'un taux de croissance ultra-faible dans la couche active, ce qui pourrait détériorer la qualité cristalline [2], la structure BQD est également souhaitée pour faire croître des QD de faible densité dans la longueur d'onde des télécommunications. Des BQD InAs/GaAs de faible densité émettant à 1,3 μm ont été obtenus dans nos travaux antérieurs [18]. Pour atteindre un taux de comptage élevé de photons uniques à 1,3 μm pour les applications à base de fibres [2, 19], l'efficacité d'extraction de photons à partir de QD uniques doit être améliorée. Dans cette lettre, en optimisant davantage les conditions de croissance de la structure BQD et en fabriquant une structure en micropiliers, nous améliorons considérablement l'extraction de photons à partir de BQD InAs/GaAs uniques émettant à 1,3 μm. Le taux de comptage de photons uniques a atteint 62 000 coups/s au module de comptage de photons uniques InGaAs ou 3,45 M coups/s au premier objectif compte tenu de l'efficacité de collecte de photons de la configuration de spectroscopie du microscope confocal. C'est la première fois que l'on signale un taux de comptage élevé d'émission de photons uniques à la longueur d'onde des télécommunications en utilisant des BQD InAs/GaAs. L'intensité d'émission peut être encore améliorée en introduisant une couche dopée δ de type n adjacente à la couche BQD pour produire des excitons chargés d'électrons [13].

Méthodes

L'échantillon étudié a été cultivé par MBE à source solide (système VEECO Gen930) sur un substrat GaAs semi-isolant (100). La structure de l'échantillon se compose, en séquence, d'une couche tampon GaAs de 300 nm d'épaisseur, d'un Al_0,9 adapté en longueur d'onde de 25,5 paires Ga_0.1 Comme (113,7 nm)/GaAs (98,6 nm) DBR inférieur, un λ -cavité GaAs non dopé épaisse, et 8 paires Al_0.9 Ga_0.1 As/GaAs supérieur DBR avec la même période. Au centre de la cavité GaAs, la couche active pour l'émission de télécommunications, c'est-à-dire la structure BQD avec une couche de réduction de contrainte en InGaAs, a été développée à 470 °C dans le mode de croissance Stranski-Krastanov, ce qui était inférieur à la température utilisée dans notre précédent travail. Plus de détails sur la croissance sont rapportés dans la réf. [18]. Dans ce travail, en particulier, des matrices de micropiliers sont fabriquées sur les échantillons BQD couplés à la cavité DBR par photolithographie et gravure par plasma couplé inductif (ICP) avec du chlore (Cl₂ ) et un mélange gazeux d'argon (Ar). Comme le montre l'image au microscope électronique à balayage (MEB) de la figure 2a, les micropiliers ont un diamètre d'environ 3 μm et une hauteur de 7,75 μm, avec des parois latérales très lisses. L'échantillon a été refroidi dans un cryostat à bain sans cryogène avec une température finement réglée de 4 à 50 K et excité par un laser He-Ne à une longueur d'onde de 633 nm. La configuration du microscope confocal avec un objectif (NA, 0,65) focalise le laser sur un point d'un diamètre de 2 μm et collecte efficacement la luminescence dans un spectrographe, ce qui permet un balayage de la microrégion pour rechercher des raies spectrales d'excitons QD uniques. Le spectre de microphotoluminescence (μPL) a été détecté par un monochromateur de focale de 0,3 m de long équipé d'un détecteur linéaire InGaAs refroidi à l'azote liquide pour le spectrographe. Pour la mesure de réflectivité, un spectrophotomètre (PerkinElmer 1050) a été utilisé avec un pas de balayage de 2 nm et une tache lumineuse de 3 mm × 3 mm. Pour étudier la durée de vie radiative de l'exciton, une carte de comptage de photons uniques à corrélation temporelle (TCSPC) et un laser pulsé Ti:Sapphire (largeur d'impulsion, ~ 100 fs ; fréquence de répétition, 80 MHz ; longueur d'onde, 740 nm) ont été utilisés pour mesure μPL résolue en temps. Pour mesurer la fonction d'autocorrélation de second ordre g ⁽²⁾ (τ ), la luminescence de la raie spectrale QD a été envoyée à une configuration Hanbury-Brown et Twiss (HBT) couplée par fibre [20] et détectée par deux modules de comptage de photons uniques à avalanche InGaAs (IDQ 230 ; résolution temporelle, 200 ps ; taux de comptage d'obscurité , ~80 comptes/s ; temps mort, 30 μs) et un module de comptage de coïncidences temporelles.

Résultats et discussion

La figure 1a, b montre des images AFM de BQD cultivées à 480 et 470 °C, respectivement. Pour un échantillon à 480 °C, les BQD ont un diamètre moyen de 61 nm et une hauteur d'environ 10 nm. Pour un échantillon à 470 °C, le diamètre moyen est de 75 nm et la hauteur est de 13 nm, plus haut et plus grand que celui cultivé à 480 °C. La température plus basse contribue à l'augmentation de la taille QD et du rapport d'aspect [21]. Pour améliorer l'efficacité de la collecte de photons, les BQD ont été intégrés dans un λ -cavité GaAs épaisse et prise en sandwich entre 25,5 empilements DBR inférieurs et 8 supérieurs. Tous sont les mêmes pour les deux échantillons, sauf la température de croissance des BQD. Comme le montre la figure 1c, les BQD les plus brillants dans les deux échantillons que nous avons observés sont assez différents dans le spectre PL. L'intensité de la PL était considérablement augmentée à la température de croissance inférieure, ce qui peut être attribué à la relaxation de contrainte réduite et à la dislocation autour des BQD [21]. La figure 1d montre le spectre de réflectivité mesuré du DBR inférieur, avec une valeur d'environ 99 % dans une plage de 1310 à 1380 nm, démontrant un bon miroir pour refléter l'émission QD.

1 × 1 μm ² Image de microscopie à force atomique (AFM) de BQD non coiffés cultivés à a 480 et b 470 °C. c Spectres μPL de BQD intégrés dans des cavités DBR, cultivés à 480 °C (rouge ) et 470 °C (noir ), mesuré à 4 K. d Spectre de réflectivité du DBR inférieur, mesuré à température ambiante

La figure 2 montre l'image SEM du micropilier et les spectres μPL d'un BQD typique intégré à celui-ci. La figure 2d montre les spectres μPL en fonction de la température. L'émission du BQD atteint son intensité maximale à 30 K, suggérant une résonance de cavité ; voir également la figure 2c. Le facteur de qualité (Q) de la cavité du micropilier est estimé à environ 361. Le faible Q est attribué au faible décalage de réflectivité entre GaAs et Al_0.9 Ga_0.1 Comme dans la longueur d'onde télécom, et moins de paires de DBR ont été utilisées ici que les DBR classiques couplés à des QD émettant à <1 μm [12, 22].

un Image SEM de la structure du micropilier (diamètre ~3 μm). b Spectre PL typique d'un seul BQD dans un micropilier à 4 K. d Spectres μPL dépendant de la température d'un BQD typique dans un micropilier et c son intensité PL intégrée en fonction du désaccord exciton-cavité sous puissance d'excitation ~2 μW, ligne rouge :Raccord lorentzien

Les spectres μPL dépendant de la puissance d'excitation des BQD InAs/GaAs dans un micropilier ont été étudiés en utilisant un laser He-Ne à onde continue (cw) pour l'excitation au-dessus de la bande, comme le montre la figure 3a. Ils montrent la raie des excitons (X) à 1325,6 nm et la raie des excitons chargés (X*) à 1327,1 nm. L'identification de ces raies d'émission est étayée par leurs diverses dépendances en puissance. Sur la figure 3b, l'intensité PL intégrée de la raie X à 1325,6 nm a montré une dépendance linéaire vis-à-vis de la puissance d'excitation dans la région de faible puissance et saturée à une puissance d'excitation élevée. Les lignes pleines correspondent linéairement aux données dans un tracé double logarithmique. La raie X* à 1327,1 nm montre une dépendance à la puissance d'excitation non saturée [23]. Les investigations suivantes ont été réalisées sur la ligne X.

un Spectres μPL dépendants de la puissance d'excitation (T = 4 K) de BQD typiques en micropilier. b Intensité PL intégrée de l'exciton (X) et de l'exciton chargé (X*) en fonction de la puissance d'excitation dans une échelle log-log. Lignes colorées :ajustement linéaire des données expérimentales

Les mesures de PL résolues en temps ont été effectuées pour déterminer l'amélioration de Purcell. La décroissance d'émission spontanée de la raie BQD X à la résonance de la cavité QD et à un désaccord éloigné est illustrée à la Fig. 4a. La durée de vie radiative ajustée est de 0,66 ns pour la résonance et de 1,25 ns pour le désaccord lointain, ce qui correspond à un facteur d'amélioration de Purcell de 1,9. Afin de confirmer l'émission monophotonique de la raie X à 1325,6 nm, nous avons mesuré la fonction de corrélation de second ordre g ⁽²⁾ (τ ) avec une configuration HBT sous citation cw et excitation impulsionnelle saturée. La figure 4b montre la fonction de corrélation de second ordre mesurée de la ligne X en fonction du temps de retard τ sous excitation en continu. Les données pourraient être ajustées avec l'expression suivante :g ⁽²⁾ (τ ) = 1 − [1 − g ⁽²⁾ (0)]exp(−|τ |/T ) [24]. L'ajustement donne g ² (0) = 0.14, prouvant un émetteur monophotonique avec une forte suppression de l'émission multiphotonique à un retard nul. Le taux de comptage mesuré sur les détecteurs est présenté sur la Fig. 4c, en fonction de la puissance de la pompe. Elle montre une dépendance linéaire en régime de pompe faible et devient saturée en régime de pompe forte. A saturation, le taux de comptage est d'environ 62 000 coups/s à partir de deux détecteurs à photon unique InGaAs, incluant également les comptages d'obscurité des deux détecteurs. Pour en déduire le nombre correspondant de photons collectés dans la première lentille, nous calibrons toutes les pertes optiques en utilisant un laser cw à 1320 nm. La perte de transmission, y compris l'objectif du microscope, le filtre passe-long, les miroirs et l'objectif et l'efficacité du monochromateur, de l'objectif et des connecteurs entre les fibres était de 10,46 dB. L'efficacité de détection et le taux de comptage d'obscurité du détecteur InGaAs avec des temps morts de 30 μs sont respectivement de 18 % et d'environ 150 comptes/s. Basé sur le taux de comptage sur les détecteurs à photon unique InGaAs et le taux de comptage de photons corrigé par le facteur de [1−g ⁽²⁾ (0)] ^1/2 [25], nous estimons que le taux net de détection de photons uniques après compensation de la contribution de l'émission multiphotonique et du taux de comptage de l'obscurité est de 3,45 × 10 ⁶ compte/s à la puissance de pompage saturée du premier objectif. Pour évaluer l'efficacité d'extraction de photons de la structure micropilier, la mesure sous excitation pulsée a également été réalisée. Sur la Fig. 4d, e, nous observons un taux de comptage de 48 000/s sur les détecteurs à photon unique à la puissance de pompage saturée avec g ² (0) = 0,19, sous une excitation laser à taux de répétition de 80 MHz, ce qui donne une efficacité d'extraction de photons de 3,3 % après avoir compensé la contribution de l'émission multiphotonique et compte tenu de l'efficacité du dispositif de détection. À notre avis, en raison du processus d'excitation non résonnant [12, 26] et de la faible efficacité de détection et du long temps mort du détecteur InGaAs, le taux de comptage observé des photons uniques peut être sous-estimé.

un Mesures résolues en temps sur (cercle blanc ) et éteint (cercle noir) ) résonnant de la raie X en micropilier, qui révèlent un facteur de Purcell de F _p = 1.9. b , d Fonction de corrélation de second ordre g ⁽²⁾ (τ ) pour la ligne X sous excitation cw et excitation laser à impulsions de 80 MHz à puissance de pompe saturée. c , e Intensité PL dépendant de la puissance de la pompe du pic d'exciton à 1325,6 nm sous excitation cw et impulsion, respectivement. Les cercles noirs en c et e désignent le taux de comptage enregistré aux détecteurs InGaAs

Conclusions

En conclusion, nous avons présenté une source lumineuse monophotonique à 1325,6 nm en utilisant une seule bicouche InAs/GaAs QD couplée en contrainte dans un micropilier Al_0.9 Ga_0.1 Cavité DBR As/GaAs. L'émission de photons uniques a vraiment été améliorée en optimisant la température de croissance QD et en fabriquant une structure de micropiliers. Le taux de photon unique détecté atteint 62 000 coups/s, ce qui correspond à un taux d'émission de photon unique de 3,45 MHz au niveau du premier objectif. L'efficacité d'extraction des photons est estimée à environ 3,3%, avec une cavité micropilier Q ~ 300. La mesure d'autocorrélation de second ordre avec des modules de comptage de photons uniques InGaAs a donné g ⁽²⁾ (0) = 0,14, démontrant l'émission d'un seul photon même à un taux de comptage élevé. C'est la première fois que l'on signale un taux aussi élevé d'émission de photons uniques dans la bande des télécommunications en utilisant un seul QD bicouche InAs/GaAs.

Abréviations

AFM :

Microscopie à force atomique

BQD :

Bicouche QD

cw :

Onde continue

DBR :

Réflecteurs de Bragg distribués

HBT :

Hanbury-Brown et Twiss

ICP :

Plasma couplé inductif

MBE :

Epitaxie par faisceau moléculaire

QD :

Points quantiques

SEM :

Microscope électronique à balayage

SPS :

Sources de photons uniques

TCSPC :

Comptage de photons uniques en corrélation temporelle

μPL :

Microphotoluminescence