Source de photons uniques 1,3 µm haute performance utilisant des points quantiques InAs bicouches dans cavités micropiliers

Résumé

Un taux de comptage élevé d'émission de photons uniques à la longueur d'onde de 1,3 µm, capable de communication quantique par fibre, à partir de points quantiques InAs/GaAs bicouches couplés à une cavité micropilier (diamètre ~3 µm) à réflecteurs de Bragg distribués a été étudié, dont l'efficacité d'extraction de photons a atteint 3,3 %. Le mode de cavité et l'amélioration de Purcell ont été clairement observés dans les spectres de microphotoluminescence. À l'extrémité de détection du dispositif Hanbury-Brown et Twiss, deux modules de comptage de photons uniques à avalanche InGaAs enregistrent un taux de comptage total de ~62 000/s ; la mesure de comptage de coïncidence temporelle démontre l'émission de photons uniques, avec une probabilité d'émission multi-photons, c.-à-d. g²(0), de seulement 0,14.

Contexte

L'information quantique par fibre optique requiert de vraies sources de photons uniques (SPS) dans la bande télécom pour remplacer les pseudo-SPS traditionnels basés sur lasers à impulsions fortement atténués. Les points quantiques (PQ) auto-assemblés individuels sont potentiels pour émettre de vrais photons uniques et ont ainsi attiré un grand intérêt. L'intégration d'une cavité à réflecteurs de Bragg distribués (DBR) à un PQ unique améliorera son émission directionnelle. Comparés aux PQ InAs sur substrat InP émettant à ~1,55 µm avec matériaux riches en indium accordés en réseau cultivés à basse température comme DBR, les PQ InAs sur substrat GaAs sont avantageux pour l'intégration facile de DBR GaAs/Al₀,₉Ga₀,₁As de haute qualité accordés en réseau. Pour réaliser des SPS InAs/GaAs PQ à bande télécom, leur longueur d'onde d'émission doit s'étendre de l'habituelle ~0,9 à 1,3 ou 1,55 µm et leur densité doit rester aussi basse que 10⁷–10⁸ cm⁻² pour réaliser des PQ uniques dans une microrégion. Pour fabriquer des PQ InAs à faible densité par épitaxie par faisceaux moléculaires (MBE), certains schémas constructifs ont été proposés, tels que taux de croissance ultra-faible, haute température de croissance, et contrôle précis de la quantité déposée de PQ et l'isolement des PQ par croissance sur substrat patterné mesa/trous ou gravure en micropiliers. Pour étendre leur longueur d'onde d'émission, plusieurs techniques ont été développées, telles que l'ingénierie de contrainte des PQ, structures métamorphiques, et structure de PQ bicouche à contrainte couplée (BQD). La structure BQD sur substrat GaAs est efficace pour atteindre une émission au-dessus de 1,3 µm. Des BQD à haute densité ont été appliqués dans des diodes laser à ~1,5 µm opérant à température ambiante. Puisqu'elle évite l'utilisation de couche métamorphique et de taux de croissance ultra-faible dans la couche active, qui pourrait détériorer la qualité cristalline, la structure BQD est aussi désirée pour cultiver des PQ à faible densité en longueur d'onde télécom. Des BQD InAs/GaAs à faible densité émettant à 1,3 µm ont été obtenus dans notre travail précédent. Pour atteindre un taux de comptage élevé de photons uniques à 1,3 µm pour applications par fibre, l'efficacité d'extraction de photons depuis des PQ uniques doit être améliorée. Dans cette lettre, en optimisant davantage les conditions de croissance de la structure BQD et en fabriquant une structure micropilier, nous améliorons grandement l'extraction de photons depuis des BQD InAs/GaAs uniques émettant à 1,3 µm. Le taux de comptage de photons uniques a atteint 62 000 comptages/s au module de comptage de photons uniques InGaAs ou 3,45 M comptages/s à la première lentille objective en considérant l'efficacité de collecte de photons de la configuration spectroscopie microscope confocal. C'est la première fois qu'un taux de comptage aussi élevé d'émission de photons uniques en longueur d'onde télécommunication est rapporté en utilisant des BQD InAs/GaAs. L'intensité d'émission peut être encore améliorée en introduisant une couche δ-dopée n-type adjacente à la couche BQD pour produire des excitons chargés en électrons.

Méthodes

L'échantillon étudié a été cultivé par MBE à sources solides (système VEECO Gen930) sur substrat GaAs (100) semi-isolant. La structure de l'échantillon consiste, en séquence, en une couche tampon GaAs de 300 nm d'épaisseur, un DBR inférieur de 25,5 paires accordé en longueur d'onde Al₀,₉Ga₀,₁As (113,7 nm)/GaAs (98,6 nm), une cavité GaAs non-dopée d'une λ d'épaisseur, et un DBR supérieur de 8 paires Al₀,₉Ga₀,₁As/GaAs avec la même période. Au centre de la cavité GaAs, la couche active pour émission télécom, c.-à-d. structure BQD avec couche réductrice de contrainte InGaAs, a été cultivée à 470 °C en mode de croissance Stranski-Krastanov, qui était plus bas que la température utilisée dans notre travail précédent. Plus de détails de croissance sont rapportés dans Ref. [18]. Dans ce travail, spécialement, des réseaux de micropiliers sont fabriqués sur les échantillons BQD couplés cavité DBR par photolithographie et gravure par plasma à couplage inductif (ICP) avec mélange de gaz chlore (Cl₂) et argon (Ar). Comme montré dans l'image du microscope électronique à balayage (MEB) Fig. 2a, les micropiliers ont un diamètre de ~3 µm et une hauteur de 7,75 µm, avec des parois latérales très lisses. L'échantillon était refroidi dans un cryostat sans cryogène à bain avec température finement ajustée de 4 à 50 K et excité par un laser He-Ne à longueur d'onde 633 nm. La configuration microscope confocal avec objectif (NA, 0,65) focalise le laser dans un spot de 2 µm de diamètre et collecte efficacement la luminescence dans un spectrographe, permettant un balayage de microrégion pour rechercher les lignes spectrales d'exciton de PQ unique. Le spectre de microphotoluminescence (µPL) était détecté par un monochromateur de 0,3 m de longueur focale équipé d'un détecteur linéaire InGaAs refroidi à l'azote liquide pour spectrographe. Pour la mesure de réflectivité, un spectrophotomètre (PerkinElmer 1050) était utilisé avec pas de balayage 2 nm et spot lumineux 3 mm × 3 mm. Pour investiguer la durée de vie radiative de l'exciton, une carte de comptage de photons uniques corrélés dans le temps (TCSPC) et un laser pulsé Ti:Saphir (largeur d'impulsion ~100 fs ; fréquence de répétition 80 MHz ; longueur d'onde 740 nm) étaient utilisés pour mesure µPL résolue en temps. Pour mesurer la fonction d'autocorrélation du second ordre g⁽²⁾(τ), la luminescence de la ligne spectrale du PQ était envoyée à un dispositif Hanbury-Brown et Twiss (HBT) à fibres couplées et détectée par deux modules de comptage de photons uniques à avalanche InGaAs (IDQ 230 ; résolution temporelle 200 ps ; taux de comptage noir ~80 comptages/s ; temps mort 30 µs) et un module de comptage de coïncidence temporelle.

Résultats et Discussion

La Figure 1a, b montre des images AFM de BQD cultivés à 480 et 470 °C respectivement. Pour l'échantillon 480 °C, les BQD ont un diamètre moyen de 61 nm et une hauteur d'environ 10 nm. Pour l'échantillon 470 °C, le diamètre moyen est 75 nm et la hauteur 13 nm, plus grands et plus hauts que ceux cultivés à 480 °C. La température plus basse contribue à l'augmentation de la taille et du rapport d'aspect des PQ. Pour améliorer l'efficacité de collecte de photons, les BQD étaient embarqués dans une cavité GaAs d'une λ d'épaisseur et sandwichés entre 25,5 DBR inférieurs et 8 DBR supérieurs. Tous sont identiques pour les deux échantillons, sauf la température de croissance des BQD. Comme montré Fig. 1c, les BQD les plus brillants dans les deux échantillons observés sont assez différents en spectre PL. L'intensité PL était grandement améliorée à la température de croissance plus basse, ce qui peut être attribué à la relaxation de contrainte réduite et dislocations autour des BQD. La Figure 1d montre le spectre de réflectivité mesuré du DBR inférieur, avec une valeur ~99 % sur une gamme 1310–1380 nm, démontrant un bon miroir pour refléter l'émission des PQ.

Image de microscopie à force atomique (AFM) 1 × 1 µm² de BQD non capés cultivés à a 480 et b 470 °C. c Spectres µPL de BQD embarqués dans cavités DBR, cultivés à 480 °C (rouge) et 470 °C (noir), mesurés à 4 K. d Spectre de réflectivité du DBR inférieur, mesuré à température ambiante

La Figure 2 montre l'image MEB du micropilier et les spectres µPL d'un BQD typique embarqué dedans. 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 aussi Fig. 2c. Le facteur de qualité (Q) de la cavité micropilier est estimé à environ 361. Le Q faible est attribué au faible décalage de réflectivité entre GaAs et Al₀,₉Ga₀,₁As en longueur d'onde télécom, et moins de paires DBR ont été utilisées ici que les DBR conventionnels couplés à des PQ émettant à <1 µm.

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

Les spectres µPL dépendants 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 excitation au-dessus de la bande, comme Fig. 3a montre. Ils montrent la ligne d'exciton (X) à 1325,6 nm et la ligne d'exciton chargé (X*) à 1327,1 nm. L'identification de ces lignes d'émission est supportée par leurs diverses dépendances en puissance. En Fig. 3b, l'intensité PL intégrée de la ligne X à 1325,6 nm a montré une dépendance linéaire sur la puissance d'excitation dans la région de faible puissance et saturait à haute puissance d'excitation. Les lignes solides sont des ajustements linéaires aux données dans un graphique log-log. La ligne X* à 1327,1 nm montre une dépendance en puissance d'excitation non-saturée. Les investigations suivies étaient effectuées sur la ligne X.

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

Les mesures de PL résolue en temps ont été effectuées pour déterminer l'amélioration de Purcell. La décroissance d'émission spontanée de la ligne X du BQD à résonance PQ-cavité et à grand désaccord sont montrées Fig. 4a. La durée de vie radiative ajustée est 0,66 ns pour résonance et 1,25 ns pour grand désaccord, correspondant à un facteur d'amélioration de Purcell de 1,9. Afin de confirmer l'émission de photons uniques de la ligne X à 1325,6 nm, nous avons mesuré la fonction de corrélation du second ordre g⁽²⁾(τ) avec un dispositif HBT sous excitation cw et pulsée saturée. La Figure 4b montre la fonction de corrélation du second ordre mesurée de la ligne X en fonction du temps de retard τ sous excitation cw. Les données pouvaient être ajustées avec l'expression suivante : g⁽²⁾(τ) = 1 − [1 − g⁽²⁾(0)]exp(−|τ|/T). Les résultats d'ajustement donnent g²(0) = 0,14, prouvant un émetteur de photons uniques avec une forte suppression de l'émission multi-photons à délai temporel nul. Le taux de comptage mesuré sur les détecteurs est présenté Fig. 4c, en fonction de la puissance de pompe. Il montre une dépendance linéaire dans le régime de pompe faible et devient saturé dans le régime de pompe forte. À saturation, le taux de comptage est autour de 62 000 comptages/s depuis deux détecteurs de photons uniques InGaAs, incluant aussi les comptages noirs des deux détecteurs. Pour 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 incluant objectif de microscope, filtre passe-haut, miroirs, lentille et l'efficacité du monochromateur, lentille et connecteurs entre fibres était de 10,46 dB. L'efficacité de détection et le taux de comptage noir du détecteur InGaAs avec temps morts de 30 µs sont 18 % et ~150 comptages/s, respectivement. Basé sur le taux de comptage sur détecteurs de photons uniques InGaAs et taux de comptage de photons corrigé par le facteur [1−g²(0)]¹ᐟ², nous estimons le taux net de détection de photons uniques après compensation de la contribution d'émission multi-photons et taux de comptage noir est 3,45 × 10⁶ comptages/s à la puissance de pompe saturée à la première lentille objective. Pour évaluer l'efficacité d'extraction de photons de la structure micropilier, la mesure sous excitation pulsée a aussi été effectuée. En Fig. 4d, e, nous observons un taux de comptage de 48 000/s sur les détecteurs de photons uniques à la puissance de pompe saturée avec g²(0) = 0,19, sous excitation laser à 80 MHz taux de répétition, ce qui donne une efficacité d'extraction de photons de 3,3 % après compensation de la contribution d'émission multi-photons et considération de l'efficacité du dispositif de détection. À notre avis, dû au processus d'excitation non-résonnante et à la faible efficacité de détection et long temps mort du détecteur InGaAs, le taux de comptage de photons uniques observé peut être sous-estimé.

a Mesures résolues en temps sur (cercle blanc) et hors (cercle noir) résonance de la ligne X dans micropilier, révélant un facteur de Purcell F_p = 1,9. b, d Fonction de corrélation du second ordre g⁽²⁾(τ) pour la ligne X sous excitation cw et laser pulsé 80 MHz à puissance de pompe saturée. c, e Intensité PL dépendante de la puissance de pompe du pic d'exciton à 1325,6 nm sous excitation cw et pulsée, respectivement. Les cercles noirs dans c et e dénotent le taux de comptage enregistré aux détecteurs InGaAs

Conclusions

En conclusion, nous avons présenté une source de photons uniques brillante à 1325,6 nm en utilisant un unique PQ bicouche InAs/GaAs à contrainte couplée dans une cavité DBR Al₀,₉Ga₀,₁As/GaAs micropilier. L'émission de photons uniques a réellement été améliorée par l'optimisation de la température de croissance des PQ et la fabrication de structure micropilier. Le taux de photons uniques détecté atteint 62 000 comptages/s, correspondant à un taux d'émission de photons uniques de 3,45 MHz à la première lentille objective. L'efficacité d'extraction de photons est estimée à environ 3,3 %, avec un Q ~300 de cavité micropilier. La mesure d'autocorrélation du second ordre avec modules de comptage de photons uniques InGaAs a donné g⁽²⁾(0) = 0,14, démontrant l'émission de photons uniques même à haut taux de comptage. C'est la première fois qu'un taux aussi élevé d'émission de photons uniques dans la bande télécom est rapporté en utilisant un unique PQ bicouche InAs/GaAs.

Abréviations

AFM :

Microscopie à force atomique

BQD :

PQ bicouche

cw :

Onde continue

DBR :

Réflecteurs de Bragg distribués

HBT :

Hanbury-Brown et Twiss

ICP :

Plasma à couplage inductif

MBE :

Épitaxie par faisceaux moléculaires

PQ :

Points quantiques

MEB :

Microscope électronique à balayage

SPS :

Sources de photons uniques

TCSPC :

Comptage de photons uniques corrélés dans le temps

µPL :

Microphotoluminescence