Квантовые источники света встроили в кристалл

Ученые разработали настраиваемый, полностью электрический квантовый источник света для получения зацепленных фотонов "по требованию"

Опубликовав свои выводы в Applied Physics Letters в статье «Электрически управляемые и электрически настраиваемые квантовые источники света», группа физиков продемонстрировала, что два светодиода с квантовыми точками (КТ), находящиеся в непосредственной близости на чипе, могут функционировать как настраиваемый, полностью электрический квантовый источник света.

В своем эксперименте исследователи использовали свет, излучаемый электрически возбужденным светодиодом для возбуждения квантовых точек в соседнем диоде. Они смогли настроить длину волны излучения квантовой точки от соседнего управляемого диода посредством квантоворазмерного эффекта Штарка.

Идея здесь состоит в том, чтобы генерировать по запросу сцепленные пары фотонов для приложений квантовых вычислений через встроенную внутриплоскостную структуру возбуждения, которая может быть легко интегрирована с полупроводниковыми приборами и фотонными резонаторами.

В своей статье исследователи продемонстрировали способ создания электрически инициированного анти-сгруппированного света от электрически настраиваемого источника. Для этого на одной микросхеме были сконструированы 16 индивидуально настраиваемых диодных структур. Устройства состояли из плоских светодиодов с микрорезонаторами 180 × 210 мкм, содержащих слой квантовых точек InAs, встроенных в 10-нм GaAs-квантовую яму с барьерами Al0.75Ga0.25As.

Множественные распределенные брэгговские отражатели (DBR), выращенные выше и ниже слоя квантовых точек InAs и квантовой ямы, использовались для образования полуволнового резонатора, чтобы увеличить долю света КТ, излучаемого вертикально, действуя в то же время в качестве горизонтального волновода для оптического излучения из смачивающего слоя InAs (начального слоя атомов, эпитаксиально выращиваемого на поверхности, на которой происходит самосборка квантовых точек). Диодная структура, подходящая для электрического возбуждения, формировалась из верхнего и нижнего слоев DBR, легированных донорными (p-типа) и акцепторными (n-типа) примесями соответственно.

«Ключевая идея, - написали ученые, - заключается в использовании света, создаваемого одним светодиодом для возбуждения КТ в соседнем диоде». Один светодиод работает в прямом смещении, чье широкополосное излучение света из смачивающего слоя InAs направляется горизонтально отражателями Брэгга выше и ниже смачивающего слоя. Поскольку соседний светодиод облучается частью испускаемого света, часть этого света поглощается смачивающим слоем, генерируя экситоны, которые затем могут захватываться квантовыми точками в этом соседнем диоде, что приводит к квантовому излучению света. 
 

У устройств есть легированная донорными примесями область (красная), внутренняя область (прозрачная) и легированная акцепторными примесями область (синяя). Светодиод, сильно возбуждаемый при прямом смещении (слева), излучает свет (показан как синий луч), который возбуждает квантовые точки в соседнем устройстве (справа). Квантовые точки излучают анти-сгруппированный свет (зеленый)

Поскольку резонаторный режим планарного микрорезонатора совпадает с длиной волны излучения соседних КТ, это увеличивает долю излучения КТ, направленную вверх в собирающую оптику. Изменяя смещение на втором диоде, можно настроить длину волны путем смещения штарковских переходов, и интенсивностью излучения света от соседнего диода можно управлять, изменяя напряжение на первом диоде.

Исследователи также продемонстрировали, что они могут настраивать расщепление тонкой структуры экситона во втором диоде в зависимости от электрического поля на нем, что позволяет использовать такие устройства в качестве источников сцепленных пар фотонов.
    

Свет, излучаемый смачивающим слоем первого диода (1), поглощается смачивающим слоем соседнего диода, генерируя носители заряда в этом диоде (2). Эти носители заряда могут захватываться квантовыми точками, что приводит к квантовому излучению света. Излучение смачивающего слоя (слева) и излучение квантовой точки (справа) являются реальными данными, и показанное поглощение смачивающего слоя является дубликатом данных о излучении и включено исключительно для демонстрации принципа работы устройства

В дальнейшей работе исследователи надеются повысить эффективность устройства, придать большую направленность излучения от одного к следующему диоду, возможно, используя однонаправленную антенну или волновод между светодиодами для повышения эффективности перекрестного взаимодействия. В принципе, один управляющий светодиод может возбудить много настраиваемых светодиодов. В сочетании с быстрой электроникой и устройствами с низкой постоянной RC они могут излучать сцепленные фотоны «по требованию» путем изменения смещения на диоде 1 для модуляции «накачки» или путем изменения смещения на диоде 2 для модуляции длины волны.