ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 1, с. 83-86
УДК 621.382
ОДНОФОТОННЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУР
© 2009 г. В. Ä. Гайслер
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАИ, Иовосибирск E-mail: haisler@thermo.isp.nsc.ru
Приведен краткий обзор результатов разработки излучателей одиночных фотонов на основе полупроводниковых квантовых точек. Рассмотрена конструкция однофотонного излучателя с токовой накачкой, содержащего одиночную квантовую точку InAs и брэгговский микрорезонатор. Показано, что в однофотонных излучателях данного типа может быть достигнута высокая внешняя квантовая эффективность на уровне 78%.
Абсолютный предел миниатюризации светоиз-лучателей - это разработка и создание излучателей одиночных фотонов. Эффективные однофо-тонные излучатели являются важнейшим ресурсом систем квантовой криптографии и квантовых вычислений, они также представляют большой интерес для создания прецизионного спектрального оборудования и эталонов оптической мощности [1, 2].
Идеальный излучатель одиночных фотонов определяется как фотонный источник, в котором под действием управляющего сигнала (и только под действием этого сигнала) излучается один (и только один) фотон. Он является источником однофотонных фоковских состояний и может быть реализован лишь на основе изолированных квантовых систем, таких как одиночный атом, молекула, центр окраски или "искусственный" атом - одиночная полупроводниковая квантовая точка [2, 3].
Приборная реализация эффективных излучателей одиночных фотонов относится к числу наиболее сложных задач нанотехнологий, для ее выполнения необходимо
1) локализовать квантовую систему;
2) эффективно накачать ее;
3) эффективно собрать излучение.
Все три перечисленные выше проблемы принципиально разрешимы с использованием современных полупроводниковых технологий, позволяющих интегрировать одиночную полупроводниковую квантовую точку в полупроводниковый микрорезонатор. В последние годы направления исследований в этой области сосредоточены на поисках оптимальных технологий получения и позиционирования квантовых точек, на разработке наиболее эффективных способов накачки полупроводниковых квантовых точек, на разработке конструкции микрорезонатора, обеспечивающего максимальную внешнюю квантовую эффективность излучения.
К настоящему моменту времени однофотонное излучение продемонстрировано на целом ряде полупроводниковых квантовых точек, включая квантовые точки ваК/АШ, ¡пваМ/ваК, Сё8е/2п8, 1пР/Оа1пР, ¡пАз/ваАз и ¡пАвДпР [2, 4-7]. Очевидным достоинством квантовых точек на основе широкозонных материалов ваК/АШ, ¡пваМ/ваК, СёБе^пБ является возможность создания излучателей, работающих при относительно высоких температурах, вплоть до Т = 200 К, что продемонстрировано в [2, 4, 5].
Системы квантовых точек на основе 1пАв относятся к числу наиболее хорошо изученных к настоящему моменту времени. Важная особенность таких систем - возможность создания однофотонных излучателей с длинами волн, соответствующими телекоммуникационным стандартам, и возможность их интегрирования в полупроводниковые брэгговские микрорезонаторы на основе материалов ОаАв/АЮаАв или ваАв/Аю, что позволяет существенно увеличить параметр внешней квантовой эффективности однофотонных излучателей [2].
В подавляющем большинстве однофотонных излучателей, разработанных к настоящему моменту времени, используется резонансная оптическая система накачки, представляющая собой, как правило, перестраиваемый лазер, работающий в непрерывном режиме или в режиме синхронизации мод [2]. Очевидно, что однофотонный излучатель в этом случае представляет собой дорогостоящую и громоздкую исследовательскую систему, весьма далекую от приборной реализации и коммерциализации. Кроме того, в случае оптической накачки спектр однофотонного излучателя наряду с линиями, отвечающими излучению одиночной квантовой системы, содержит интенсивные линии лазера накачки. Спектральная фильтрация излучения с использованием монохроматоров и интерференционных фильтров приводит к дальнейшим
83
6*
Рис. 1. Схема однофотонного излучателя на основе квантовых точек и брэгговского микрорезонатора.
El(z, г), отн. ед. 15
10
-5 -
0
Рис. 2. Распределение поперечной составляющей электрического поля Е^, г) фундаментальной моды в пределах брэгговского микрорезонатора, при диаметре оксидной апертуры А = 1 мкм объем фундаментальной моды составляет V - ш3.
усложнениям конструкции излучателя и снижает его квантовую эффективность.
Уникальной особенностью однофотонных излучателей на основе полупроводниковых квантовых точек является возможность токовой накачки [2, 8-10], что позволяет делать излучатель значительно более миниатюрным и существенно снижает его стоимость. Излучатель представляет собой рт-диод, содержащий слой квантовых точек 1пЛ8 малой плотности й и токовую оксидную апертуру
субмикронного размера А, получаемую методом селективного окисления слоев ЛЮаЛв [11]. В случае, если выполняется равенство А - й~1/2, на токовую апертуру в среднем приходится лишь одна квантовая точка, что и позволяет осуществлять токовое возбуждение одиночной квантовой точки. В [8-10] показано, что в диодных структурах с плотностью квантовых точек й - 108 см-2 и диаметром оксидной апертуры А - 0.9 мкм при токах меньше 1 нА происходит возбуждение лишь одной квантовой точки 1пЛ8 и спектр излучения содержит единственную линию, отвечающую рекомбинации экситона, локализованного в квантовой точке 1пЛ8. Статистика фотонов, излучаемых при рекомбинации экситона одиночной квантовой точки, излучалась с использованием интерферометра ЫапЪшу-Вгота&Т^^в [9, 10]. Полученная автокорреляционная функция экситонного излучения одиночной квантовой точки демонстрирует отчетливый минимум при нулевой временной задержке между счетчиками фотонов, что свидетельствует о суб-пуассоновской статистике излучения (однофотон-ном характере излучения). Результаты работ [810] демонстрируют высокую эффективность использования токовой системы накачки в однофотонных излучателях на основе полупроводниковых квантовых точек. Важной особенностью излучения при токовой накачке является его высокая спектральная чистота, что полностью снимает проблему спектральной фильтрации излучения однофотонного излучателя.
Важнейший параметр однофотонного излучателя - параметр внешней квантовой эффективности. В однофотонных излучателях на основе полупроводниковых квантовых точек с токовой накачкой внешняя квантовая эффективность может быть существенно увеличена за счет использования полупроводниковых брэгговских микрорезонаторов. Схема такого прибора приведена на рис. 1. Конструкция излучателя в значительной степени совпадает с конструкцией лазера с вертикальным резонатором [11]. Токовое возбуждение осуществляется через легированные полупроводниковые брэгговские зеркала на основе ваЛв/ЛЮаЛв, токовая и оптическая апертура излучателя задается оксидным кольцом ЛЮаО с внутренним диаметром А. Толщина апертурного слоя ЛЮаО составляет ~А/4. В аксиальном направлении микрорезонатора локализация энергии электромагнитного поля задается брэгговскими зеркалами ваЛв/ЛЮаЛв, эффективная локализация в латеральном направлении обеспечивается оксидным апертурным кольцом ЛЮаО с низким показателем преломления п - 1.6 (рис. 2).
Внешняя квантовая эффективность излучателя Пехгета определяется произведением трех сомножителей:
П
external
= П
injection
П internalП
nternar [extraction'
ОДНОФОТОННЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУР
85
В совершенных бездефектных структурах два первых сомножителя - эффективность инжекции и внутренняя квантовая эффективность квантовой точки - могут достигать ninjectionninternal ~ 1. Таким образом, величина внешней квантовой эффективности однофотонного излучателя определяется значением коэффициента вывода излучения nextmctim. При разработке микрорезонатора его конструкция оптимизировалась с целью достижения максимального значения nexternal ^ Пехtraction фундаментальной моды. Были проведены расчеты основных характеристик фундаментальной моды, таких как частота фундаментальной моды <cavity, распределение электрических и магнитных полей, распределение потока электромагнитной энергии (вектор Пойнтинга), добротность микрорезонатора для фундаментальной моды Q, объем фундаментальной моды V, частота осцилляций Раби ü.Rabi и фактор Пурселла для фундаментальной моды FPurcell [2]. Внешняя квантовая эффективность излучателя рассчитывалась следующим образом [2]:
nexternal nextraction ßcoupinconf •
(2)
V, À3 300
200
100
Здесь всоир! - эффективность связи фотона с фундаментальной модой, которая задается фактором Пурселла [2], цсо„^ - конфигурационный параметр фундаментальной моды, задающий отношение мощности потока, формирующего выходной сигнал излучателя, к суммарной мощности потерь в микрорезонаторе. На основании результатов расчетов были определены оптимальные конфигурации микрорезонаторов, обеспечивающие высокую внешнюю квантовую эффективность однофотонных излучателей. Для брэгговских микрорезонаторов, образованных отражателями, содержащими 10 и 25 периодов четвертьволновых слоев ОаА8/АЮаАв соответственно в верхнем и нижнем зеркалах, добротность для фундаментальной моды составляет Q - 103, и этот параметр несущественно зависит от диаметра оксидной апертуры А. Объем фундаментальной моды V для данного типа микрорезонатора существенно зависит от размера оксидной апертуры А, причем эта зависимость немонотонна (рис. 2, 3). С уменьшением размера оксидной апертуры снижается латеральный размер моды и ее объем уменьшается. Однако при очень малых значениях А < X оксидная апертура уже не обеспечивает эффективную локализацию энергии моды в латеральном направлении, в этой области с уменьшением А объем моды возрастает (рис. 3). Минимальное значение объема фундаментальной моды составляет Vmin - 0.25 мкм3 или, в единицах X3, Vmin - 10Х3. Оно достигается при диаметре оксидной апертуры А = 1 мкм. Максимальное значение фактора Пурселла (РРигсей - 5) соответствует минимуму модового объема и также достигается при А = 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.