Wetenschap
Een nieuwe kijk op quantum dot-single-fotonbronnen:een doorbraak in monolithische Fabry-Perot-microholtes
Zelf-geassembleerde halfgeleider-kwantumdots (QD's) vertegenwoordigen een driedimensionale, opgesloten nanostructuur met discrete energieniveaus, die vergelijkbaar zijn met atomen. Ze zijn in staat om op verzoek zeer efficiënte en niet van elkaar te onderscheiden afzonderlijke fotonen te produceren en zijn belangrijk voor het verkennen van de fundamentele kwantumfysica en verschillende toepassingen in kwantuminformatietechnologieën. Door gebruik te maken van traditionele halfgeleiderprocessen biedt dit materiaalsysteem ook een natuurlijk integratie-compatibel en schaalbaar platform.
Voor een ideale QD-bron met één foton is een algemeen aanvaarde benadering om fotonen te bereiken met zowel een hoge extractie-efficiëntie als niet-onderscheidbaarheid, het inbedden van QD's in door Purcell verbeterde fotonische holtes. De ruimtelijk willekeurige verdeling van QD's maakt het echter een uitdaging om ze deterministisch te koppelen aan fotonische structuren.
Momenteel is de precieze uitlijning van hun ruimtelijke posities afhankelijk van nauwkeurige optische fluorescentiepositioneringstechnieken, en een van de optimale strategieën voor golflengte-uitlijning is het introduceren van spanningsafstemming.
De huidige state-of-the-art QD-bronnen met één foton zijn gebaseerd op open Fabry-Perot (FP) holtestructuren of elliptische micropilaren. De eerste bereikt uitlijning van positie en golflengte door de bovenste en onderste spiegels nauwkeurig af te stemmen, maar discrete structuren zijn gevoelig voor omgevingstrillingen. De geïsoleerde structuur van laatstgenoemde belemmert de overdracht van spanning, waardoor effectieve afstemming van de golflengte een uitdaging wordt.
Momenteel is deze structuur nog steeds afhankelijk van temperatuurafstemming binnen een klein bereik, waardoor de opbrengst van het apparaat aanzienlijk wordt verminderd. Het bereiken van een effectieve integratie van spanningsafstemming in een microcaviteitsstructuur, terwijl een nauwkeurige uitlijning van de ruimtelijke positie en golflengte wordt gegarandeerd, blijft een enorme uitdaging.
In een recente studie gepubliceerd in Light:Science &Applications hebben de gezamenlijke inspanningen van Jiawei Yang, Ying Yu, Siyuan Yu van de Sun Yat-sen Universiteit en Yan Chen van de National University of Defense Technology deze uitdagingen aangepakt door op innovatieve wijze FP-microcaviteiten te combineren met een piëzo-elektrische actuator, waardoor een monolithische, op golflengte afstembare microcaviteitsstructuur werd ontwikkeld . Deze innovatieve aanpak elimineert de noodzaak voor het etsen van halfgeleidermaterialen, waardoor oppervlaktedefecten worden voorkomen en effectieve spanningsgeleiding wordt vergemakkelijkt.
Zoals weergegeven in figuur la, is de ontworpen FP-microholte in dit werk geïntegreerd op een piëzo-elektrisch substraat. Omdat QD's zich in de dunne film bevinden, kan stress effectief worden overgedragen. Deze structuur vereist geen etsen van halfgeleidermaterialen, waardoor de invloed van zijwanddefecten op QD-emissie effectief wordt vermeden.
In de FP-microholtestructuur weergegeven in figuur 1b wordt de verticale opsluiting van het optische veld gevormd door bovenste en onderste Bragg-reflectoren, terwijl de laterale opsluiting van het optische veld wordt gecreëerd door een parabolische SiO2 defect. De gesimuleerde efficiëntie van de bron met één foton kan 0,95 bereiken, met een Purcell-factor van 40 (figuur 1c). Bovendien heeft de fundamentele modus een Gaussiaans-achtige far-field-distributie, waardoor koppeling met optische vezels wordt vergemakkelijkt.
Bij de experimentele implementatie werd uiterst nauwkeurige optische positioneringstechnologie met groot veld gebruikt om QD's in het midden van de FP-microholten te plaatsen (Fig. 2b). Vervolgens werd de dunne-film microholte met daarin een enkele QD geïntegreerd op een PMN-PT (100) substraat met behulp van micro-transfer printtechnologie (Fig. 2a).
Een afstembereik van 1,3 nm werd bereikt door middel van spanningsscanning (Fig. 2c), het grootste golflengte-afstembereik dat tot nu toe voor alle microcaviteitsstructuren is gerapporteerd. Er wordt een opmerkelijke 50-voudige verbetering van de helderheid verkregen wanneer de QD wordt gebracht met de fundamentele modus voor microcaviteit, een 50-voudige verbetering van de helderheid wordt bereikt (Fig. 2d).
Bovendien wordt, wanneer de QD gekoppeld is aan de H-gepolariseerde modus (figuur 3a), een piek-APD-telsnelheid van 2,88 Mcps geregistreerd onder pulsresonantiefluorescentie (figuur 3b), met een geëxtraheerde gepolariseerde extractie-efficiëntie van één foton van 0,58 en een snelle levensduur van 100 ps.
Vergeleken met QD's in vlakke structuren vertegenwoordigt dit een tienvoudige verkorting van de levensduur (Fig. 3c). De correlatiemeting van Hanbury Brown en Twiss extraheert een zuiverheid van één foton van 0,956 (figuur 3d), wat een lage waarschijnlijkheid van meerdere fotonen betekent. Interferentie-experimenten met twee fotonen onderstrepen een indrukwekkende foton-ononderscheidbaarheid van 0,922 (Fig. 3e).
Samenvattend hebben de onderzoekers een monolithische FP-microholtestructuur ontwikkeld met het voordeel van optimale benutting van het Purcell-effect, een compacte voetafdruk en integratiemogelijkheden. Door het deterministisch inbedden van een enkele QD in de microholte worden hoogwaardige bronnen van afzonderlijke fotonen met gelijktijdige hoge extractie-efficiëntie, hoge zuiverheid en hoge onderscheidbaarheid bereikt.
Wat toekomstige ontwikkelingen betreft, kan ladingsstabilisatie of spin-injectie met behulp van elektrische gated-apparaten direct in de structuur worden geïmplementeerd om geluidsarme emissie van afzonderlijke fotonen of spin-fotonverstrengeling / een lineaire clusterstatus te realiseren.
Bovendien kan spanningsafstemming ook worden gebruikt om de spectrale inhomogeniteit tussen verschillende QD's uit te wissen en de FSS aan te pakken. Deze aspecten zijn cruciaal bij de realisatie van een hoogwaardige bron van verstrengelde fotonparen.
Het meest intrigerend genoeg opent de eenvoud en veelzijdigheid van het holteschema wegen voor het opzetten van een nieuw productieparadigma voor kwantumlichtbronnen, waarin meerdere soorten vaste kwantumlichtbronnen (waaronder halfgeleider-QD's, defecten, enz.) met verschillende emittermaterialen en bedrijfsgolflengten kunnen mede worden vervaardigd op hetzelfde PMN-PT-platform. Deze potentiële doorbraak zou schaalbare kwantumfotonische technologieën in de toekomst aanzienlijk kunnen bevorderen.