英國劍橋大學(xué)(Cambridge University)的研究人員在近期《應(yīng)用物理快報(bào)》(Applied Physics Letters)期刊中發(fā)表有關(guān)「電驅(qū)動(dòng)與電性可調(diào)諧的量子光源」(Electrically driven and electrically tuneable quantum light sources)研究結(jié)果，展示在單晶片上緊密相鄰的兩個(gè)量子點(diǎn)發(fā)光二極體(LED)，能夠發(fā)揮可調(diào)諧、全電性量子光源的效果。
在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用由電激發(fā)驅(qū)動(dòng)LED所發(fā)射的光源，激發(fā)相鄰二極體的量子點(diǎn)(QD)。他們能透過量子限制史塔克效應(yīng)(Stark effect)，調(diào)諧來自相鄰驅(qū)動(dòng)二極體的量子點(diǎn)發(fā)射波長。
研究人員的想法是經(jīng)由易于整合至半導(dǎo)體元件與光子腔的晶片平面激發(fā)結(jié)構(gòu)，為量子運(yùn)算應(yīng)用依需求產(chǎn)生糾纏光子對(duì)。
在這篇論文中，研究人員展示了從電性可調(diào)諧的光源中產(chǎn)生電觸發(fā)抗聚束光的方法。為此，研究人員在單晶片上設(shè)計(jì)了16種可單獨(dú)調(diào)諧的二極體結(jié)構(gòu)。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(diǎn)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(diǎn)層和量子阱的上方和下方生長的多分布式布拉格反射鏡(DBR)，用于形成半波長腔，以便增加垂直發(fā)射的QD光源部份，同時(shí)作為光從InAs潤濕層發(fā)射的水平波導(dǎo)層。從頂部DBR和底部DBR分別摻雜p型和n型，形成適于電激發(fā)的二極體結(jié)構(gòu)。
研究人員的主要想法在于「利用LED產(chǎn)生的光，激發(fā)相鄰二極體的量子點(diǎn)」。LED以正向偏置運(yùn)行，其來自InAs潤濕層的寬頻光發(fā)射由潤濕層上方和下方的布拉格反射鏡水平引導(dǎo)。而當(dāng)一部份的發(fā)射光到達(dá)鄰近的LED時(shí)，部份光源被潤濕層吸收，產(chǎn)生可由相鄰二極體中量子點(diǎn)擷取的激子，從而導(dǎo)致量子光發(fā)射。
該元件具有p型摻雜區(qū)(紅色)、本質(zhì)區(qū)(透明)和n型摻雜區(qū)(藍(lán)色)。經(jīng)由正向偏壓(左)強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)的LED發(fā)射光源(圖示為藍(lán)色光束)，激發(fā)相鄰元件中的量子點(diǎn)(右)。量子點(diǎn)發(fā)射抗聚束光(綠色)。
由于平面微腔的腔模匹配相鄰量子點(diǎn)的發(fā)射波長，所以提高了向上進(jìn)入收集光學(xué)元件的QD發(fā)射比例。透過改變第二個(gè)二極體的偏置，就能經(jīng)由Stark效應(yīng)移位轉(zhuǎn)換調(diào)諧波長，而相鄰二極體發(fā)射的光強(qiáng)度則可經(jīng)由改變第一個(gè)二極體的電壓加以控制。
研究人員還證實(shí)能夠調(diào)諧第二個(gè)二極體中的激子精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂，作為其整個(gè)電場(chǎng)的函數(shù)，使其得以用這樣的元件作為糾纏光子對(duì)的光源。
從第一個(gè)二極體(1)潤濕層發(fā)射的光被相鄰二極體的潤濕層吸收，在該二極體產(chǎn)生電荷載子并經(jīng)由量子點(diǎn)擷取后，發(fā)出量子光源。潤濕層發(fā)射(左)和量子點(diǎn)發(fā)射(右)是實(shí)際的數(shù)據(jù)，而顯示的潤濕層吸收則是發(fā)射數(shù)據(jù)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(fā)射方向性，可能采用單向天線或LED之間的波導(dǎo)，從而提高交叉耦合的效率。原則上，一個(gè)驅(qū)動(dòng)LED可以激發(fā)許多可調(diào)諧LED。而結(jié)合快速電子元件和低RC恒定元件后，則可經(jīng)由改變對(duì)二極體(1)的偏置以調(diào)節(jié)「泵」，或透過改變二極體(2)的偏置以調(diào)節(jié)波長，從而依需求發(fā)出糾纏的光子。
