英國劍橋大學(Cambridge University)的研究人員在近期《應用物理快報》(Applied Physics Letters)期刊中發表有關「電驅動與電性可調諧的量子光源」(Electrically driven and electrically tuneable quantum light sources)研究結果,展示在單晶片上緊密相鄰的兩個量子點發光二極體(LED),能夠發揮可調諧、全電性量子光源的效果。

在這項實驗中,研究人員使用由電激發驅動LED所發射的光源,激發相鄰二極體的量子點(QD)。他們能透過量子限制史塔克效應(Stark effect),調諧來自相鄰驅動二極體的量子點發射波長。

研究人員的想法是經由易於整合至半導體元件與光子腔的晶片平面激發結構,為量子運算應用依需求產生糾纏光子對。

在這篇論文中,研究人員展示了從電性可調諧的光源中產生電觸發抗聚束光的方法。為此,研究人員在單晶片上設計了16種可單獨調諧的二極體結構。該元件是由180×210μm的平面微腔LED組成,其中包含一層砷化銦(InAs)量子點層,嵌入於具有Al0.75Ga0.25As阻障層的10nm砷化錠(GaAs)量子阱中。

在InAs量子點層和量子阱的上方和下方生長的多分佈式布拉格反射鏡(DBR),用於形成半波長腔,以便增加垂直發射的QD光源部份,同時作為光從InAs潤濕層發射的水平波導層。從頂部DBR和底部DBR分別摻雜p型和n型,形成適於電激發的二極體結構。

研究人員的主要想法在於「利用LED產生的光,激發相鄰二極體的量子點」。LED以正向偏置運行,其來自InAs潤濕層的寬頻光發射由潤濕層上方和下方的布拉格反射鏡水平引導。而當一部份的發射光到達鄰近的LED時,部份光源被潤濕層吸收,產生可由相鄰二極體中量子點擷取的激子,從而導致量子光發射。

20170302 QuantumLed NT02P1 該元件具有p型摻雜區(紅色)、本質區(透明)和n型摻雜區(藍色)。經由正向偏壓(左)強烈驅動的LED發射光源(圖示為藍色光束),激發相鄰元件中的量子點(右)。量子點發射抗聚束光(綠色)。

由於平面微腔的腔模匹配相鄰量子點的發射波長,所以提高了向上進入收集光學元件的QD發射比例。透過改變第二個二極體的偏置,就能經由Stark效應移位轉換調諧波長,而相鄰二極體發射的光強度則可經由改變第一個二極體的電壓加以控制。

研究人員還證實能夠調諧第二個二極體中的激子精細結構分裂,作為其整個電場的函數,使其得以用這樣的元件作為糾纏光子對的光源。

20170302 QuantumLed NT02P2 從第一個二極體(1)潤濕層發射的光被相鄰二極體的潤濕層吸收,在該二極體產生電荷載子並經由量子點擷取後,發出量子光源。潤濕層發射(左)和量子點發射(右)是實際的數據,而顯示的潤濕層吸收則是發射數據的副本,而且僅用於顯示元件的操作原理

未來,研究人員希望能提高元件的效率,為不同的二極體之間賦予更多的發射方向性,可能採用單向天線或LED之間的波導,從而提高交叉耦合的效率。原則上,一個驅動LED可以激發許多可調諧LED。而結合快速電子元件和低RC恆定元件後,則可經由改變對二極體(1)的偏置以調節「泵」,或透過改變二極體(2)的偏置以調節波長,從而依需求發出糾纏的光子。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Entangled photon pairs "on-demand" from a single chip,by Julien Happich)