LED光激发相邻LED的QD,研究人员打造电驱动与电性可调谐量子光源

英国剑桥大学(Cambridge University)的研究人员在近期《应用物理快报》(Applied Physics Letters)期刊中发表有关「电驱动与电性可调谐的量子光源」(Electrically driven and electrically tuneable quantum light sources)研究结果,展示在单晶片上紧密相邻的两个量子点发光二极体(LED),能够发挥可调谐、全电性量子光源的效果。

在这项实验中,研究人员使用由电激发驱动LED所发射的光源,激发相邻二极体的量子点(QD)。他们能透过量子限制史塔克效应(Stark effect),调谐来自相邻驱动二极体的量子点发射波长。

研究人员的想法是经由易于整合至半导体元件与光子腔的晶片平面激发结构,为量子运算应用依需求产生纠缠光子对。

在这篇论文中,研究人员展示了从电性可调谐的光源中产生电触发抗聚束光的方法。为此,研究人员在单晶片上设计了16种可单独调谐的二极体结构。该元件是由180×210μm的平面微腔LED组成,其中包含一层砷化铟(InAs)量子点层,嵌入於具有Al0.75Ga0.25As阻障层的10nm砷化锭(GaAs)量子阱中。

在InAs量子点层和量子阱的上方和下方生长的多分布式布拉格反射镜(DBR),用于形成半波长腔,以便增加垂直发射的QD光源部份,同时作为光从InAs润湿层发射的水平波导层。从顶部DBR和底部DBR分别掺杂p型和n型,形成适于电激发的二极体结构。

研究人员的主要想法在于「利用LED产生的光,激发相邻二极体的量子点」。LED以正向偏置运行,其来自InAs润湿层的宽频光发射由润湿层上方和下方的布拉格反射镜水平引导。而当一部份的发射光到达邻近的LED时,部份光源被润湿层吸收,产生可由相邻二极体中量子点撷取的激子,从而导致量子光发射。

 该元件具有p型掺杂区(红色)、本质区(透明)和n型掺杂区(蓝色)。经由正向偏压(左)强烈驱动的LED发射光源(图示为蓝色光束),激发相邻元件中的量子点(右)。量子点发射抗聚束光(绿色)。

由于平面微腔的腔模匹配相邻量子点的发射波长,所以提高了向上进入收集光学元件的QD发射比例。透过改变第二个二极体的偏置,就能经由Stark效应移位转换调谐波长,而相邻二极体发射的光强度则可经由改变第一个二极体的电压加以控制。

研究人员还证实能够调谐第二个二极体中的激子精细结构分裂,作为其整个电场的函数,使其得以用这样的元件作为纠缠光子对的光源。

从第一个二极体(1)润湿层发射的光被相邻二极体的润湿层吸收,在该二极体产生电荷载子并经由量子点撷取后,发出量子光源。润湿层发射(左)和量子点发射(右)是实际的数据,而显示的润湿层吸收则是发射数据的副本,而且仅用於显示元件的操作原理

未来,研究人员希望能提高元件的效率,为不同的二极体之间赋予更多的发射方向性,可能采用单向天线或LED之间的波导,从而提高交叉耦合的效率。原则上,一个驱动LED可以激发许多可调谐LED。而结合快速电子元件和低RC恒定元件后,则可经由改变对二极体(1)的偏置以调节「泵」,或透过改变二极体(2)的偏置以调节波长,从而依需求发出纠缠的光子。

来源:EET

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