Высокопроизводительные источники неразличимых фотонов в телекоммуникационном C-диапазоне

Введение

Многоузловая оптоволоконная квантовая сеть является основой для реализации протоколов безопасной связи, распределенных квантовых вычислений. Подобная сеть может создаваться на основе существующей инфраструктуры оптоволокна С-диапазона (около 1550 нм). 

В последние годы развивается технология производства интегральных источников одиночных фотонов на основе эпитаксиальных квантовых точек (КТ). Для достижения высоких характеристик источников требуется эффективное спектральное и пространственное согласование излучения КТ и фотонных элементов схемы. До настоящего времени связь КТ с фотонными элементами в С-диапазоне осуществлялась исключительно при изготовлении недетерминированными методиками, что ограничивало выход годных устройств и масштабируемость технологии. 

Авторы статьи предлагают высокопроизводительную технологию производства фотонных наноэлементов вокруг предварительно выбранных индивидуальных КТ. Для локализации самоорганизующихся КТ InAs/InP разработан метод визуализации в ближней инфракрасной части спектра.

Материалы и экспериментальная установка

Изготовление планарной структуры с квантовыми точками 

Структуры выращиваются на подложках из InP в реакторе TurboDisc® посредством осаждения металлорганических соединений из газообразной фазы. Зарождение КТ происходит при осаждении InAs на предварительно подготовленную трёхслойную структуру InP – InGaAs – InP.  Полученные КТ отжигаются и укрываются ещё одним слоем InP. После эпитаксии КТ наносится слой диоксида кремния, на котором посредством электронно-лучевого испарения формируется отражающее покрытие из алюминия. Затем полученная многослойная структура закрепляется под давлением на кремниевой пластине, а внешние слои InP и InGaAs вытравливаются. 

В завершение структура с КТ размечается на сетку квадратов со стороной 50 мкм и маркируется для определения положения КТ и формирования микрорезонаторов. В предложенной планарной геометрии структуры фактическая плотность КТ, излучающих в C-диапазоне, составляет 4 × 10⁵ /см², в среднем до 10 излучателей на один квадрат разметки.

Установка для визуализации и локализации КТ в ближнем ИК-диапазоне основана на широкопольной конфигурации микроскопа (рис. 1а). Структура с КТ помещена в криостат при температуре T = 4,2 К, установленном на трёхосевой подвижной опоре. Для освещения образца применяется полупроводниковый лазерный диод с непрерывным излучением на 660 нм. Свет от микрофотолюминесценции КТ (μФЛ) и рассеянный свет от сеточной разметки проходят через холодное зеркало, отсекающее лазерный свет, и проецируется через линзу на охлаждаемую InGaAs-камеру с размером сенсора (12,8 × 10,24) мм² и размером пикселя (20 × 20) мкм². Полосовой фильтр перед объективом отсекает КТ с излучением за пределами C-диапазона. На рисунке 1б показано изображение квадратного поля разметки. КТ можно четко распознать как отдельные яркие пятна с кольцами Эйри вокруг.

Рисунок 1 (а) – Cхема системы визуализации микрофотолюминесценции квантовых точек, (б) – карта интенсивности микрофотолюминесценции одного квадратного поля разметки с 7 квантовыми точками, (в) – СЭМ-изображение сформированных кольцевых брэгговских решёток над выбранными квантовыми точками

Кольцевые брэгговские решётки (КБР) формируются вблизи выбранных КТ после их локализации (рис. 1в). Для этого используется комбинированная технология электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления. Итоговая схема многослойной структуры и изображение КБР, полученное сканирующим электронным микроскопом (СЭМ), показаны на рисунке 2. После окончания всех манипуляций по локализации КТ и формированию нанофотонной структуры суммарная неточность положения КБР не превышает 90 нм.

Рисунок 2 (а) – Схема многослойной структуры, (б) – СЭМ-изображение кольцевой брэгговской решётки

Оптическая характеристика устройств

Фотонные наноструктуры удерживаются в криостате с проточным гелием. Для исследования μФЛ КТ оптически возбуждаются через объектив микроскопа светом лазерных диодов (660 нм или 805 нм). Этот же объектив используется для сбора сигнала μФЛ и направления его в монохроматор с фокусным расстоянием 1 м. Регистрация излучения осуществляется с помощью охлаждаемого многоканального матричного детектора InGaAs с пространственным и спектральным разрешением 2 мкм и 25 мкэВ соответственно.

Измерение эффективности извлечения фотонов

Эффективность извлечения фотонов измеряется на той же установке, что и μФЛ. Для этого осуществляется импульсное возбуждение с длительностью 50 пс и частотой повторения 80 МГц на центральной длине волны 805 нм. Ко второму выходному порту монохроматора подключается детектор одиночных фотонов на основе NbN (SNSPD, Scontel) с квантовой эффективностью 87% и темновым счётом около 200 Гц. Отсчёты детектора анализируются многоканальным пикосекундным таймером событий (PicoHarp 300 от PicoQuant GmbH). Совокупное временное разрешение установки составляет 80 пс. 

Измерения автокорреляции фотонов

Для измерений автокорреляции фотонов структуры КТ-КБР возбуждаются нерезонансно титан-сапфировым лазером (Coherent Mira-HP) или квазирезонансно импульсной лазерной системой на основе параметрического генератора света (picoEmerald от APE GmbH). Накачка осуществляется пикосекундными импульсами с частотой повторения до 80 МГц. Для спектральной фильтрации излучения КТ применяется полосовой фильтр, за которым следует светоделитель 50:50. Регистрация испущенных фотонов происходит с помощью детекторов с квантовой эффективностью до 93%.

Результаты

Предложенная технология демонстрирует прогресс в решении проблемы создания масштабируемого производства активных квантовых фотонных устройств в телекоммуникационном C-диапазоне. Хорошее сопряжение квантовых излучателей и микрорезонаторов подтверждается высоким фактором Парселла на уровне 5. Выход годных устройств для новый методики оценивается на уровне 30%. Планарная геометрия структуры с алюминиевым рефлектором более чем в 7 раз усиливает излучение КТ вне плоскости по сравнению с объемными образцами InP. При этом точность обработки до 90 нм оказывается сравнимой с технологиями в иных диапазонах. Кроме того, новый технологический процесс обеспечивает чистоту однофотонного излучения на приемлемом уровне со значениями автокорреляционной функции до 3,2 × 10^-3.

Источник: Holewa, P., Vajner, D.A., Zięba-Ostój, E. et al. High-throughput quantum photonic devices emitting indistinguishable photons in the telecom C-band. Nat Commun 15, 3358 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47551-7

Компания INSCIENCE является поставщиком решений для научных исследований в области квантовой оптики.