Integrated Whispering-Gallery Microlaser-Waveguide Platform for On-Chip Electrical Excitation of InGaAs Quantum Dots

Résumé technique : Plateforme intégrée de micro-laser à modes de galerie et de guide d'ondes pour l'excitation électrique sur puce de boîtes quantiques InGaAs

Énoncé du problème
La réalisation de circuits photoniques quantiques intégrés (IQPC) évolutifs nécessite des sources de photons uniques déterministes et à la demande, présentant une brillance et une indiscernabilité élevées. Bien que les boîtes quantiques (QD) à l'état solide soient des candidats prometteurs, leur intégration pratique se heurte à des défis. L'excitation électrique par injection de courant est non résonante et souffre souvent de bruit de charge et de gigue temporelle, ce qui limite l'indiscernabilité des photons. À l'inverse, l'excitation optique strictement résonante offre une cohérence supérieure, mais repose généralement sur des lasers externes volumineux, ce qui entrave l'évolutivité. Les auteurs identifient le besoin d'un schéma d'excitation sur puce, piloté électriquement et compact, capable de fournir une pompe optique cohérente aux boîtes quantiques sans l'empreinte et la complexité des systèmes de lasers externes.

Méthodologie
Les auteurs ont fabriqué un dispositif photonique quantique monolithique intégrant un micro-laser à modes de galerie (WGM) piloté électriquement avec un guide d'ondes à crête. L'architecture du dispositif repose sur une structure de diode p–i–n cultivée par épitaxie par jets moléculaires (MBE). La région active consiste en des boîtes quantiques (QD) InGaAs intégrées dans une cavité GaAs, prises en sandwich entre des miroirs de Bragg distribués (DBR) en AlGaAs/GaAs.

Les étapes clés de fabrication et de caractérisation comprenaient :

• Conception du dispositif : Deux micropiliers WGM (diamètre de 7,2 µm) dotés de contacts électriques ont été positionnés à côté d'un guide d'ondes à crête. La distance de l'écart ($d_{gap}$) entre les piliers et le guide d'ondes a été variée (de 100 nm à 900 nm) pour optimiser le couplage évanescent.
• Mécanisme de couplage : Une extrémité du guide d'ondes présente un outcoupleur de Bragg, tandis que l'autre extrémité intègre un micropilier intégré au guide d'ondes (WIM) contenant des QD et un contact d'ouverture. Ce WIM permet le réglage spectral des QD via l'effet Stark de confinement quantique (QCSE).
• Caractérisation : Les dispositifs ont été testés dans un cryostat à 4 K et 20 K. L'électroluminescence (EL) a été analysée pour déterminer les seuils de laser, les facteurs de qualité (Q-factors) et les efficacités de couplage en fonction de $d_{gap}$.
• Schéma d'excitation : Le microlaser WGM a été piloté électriquement pour émettre de la lumière cohérente, laquelle est couplée de manière évanescente dans le guide d'ondes à crête. Cette lumière se propage jusqu'au WIM, où elle excite optiquement les QD intégrées. L'émission des QD est collectée et analysée pour ses propriétés quantiques optiques, spécifiquement la fonction d'autocorrélation du second ordre $g^{(2)}(\tau)$.

Contributions clés et résultats

• Caractéristiques de laser dépendantes de l'écart : L'étude a examiné systématiquement comment la distance de l'écart entre le pilier et le guide d'ondes affecte les performances du microlaser. Les dispositifs avec des écarts plus faibles ($<200$ nm) ont présenté des courants de seuil de laser nettement plus élevés (jusqu'à 3,5 fois plus élevés que les dispositifs de référence) en raison d'une augmentation des pertes de couplage sortant. Le facteur de qualité ($Q$) s'est avéré augmenter avec la distance de l'écart, suivant un modèle théorique où les pertes de couplage dominent aux faibles séparations.
• Couplage sur puce efficace : Pour un dispositif de référence avec un écart de 500 nm, les auteurs ont démontré un couplage évanescent efficace. Les caractéristiques d'entrée-sortie du signal transmis par le guide d'ondes correspondaient à l'émission directe du microlaser, avec un seuil de laser d'environ 24 µA. La largeur de raie de l'émission s'est rétrécie de 0,1 nm à 0,03 nm au seuil, confirmant l'apparition de la cohérence temporelle.
• Contribution de la couche mouillée vs WGM : Les auteurs ont quantifié les contributions de puissance de la couche mouillée et du mode WGM à la puissance d'excitation totale. Au-dessus du seuil de laser, le mode WGM est devenu la source de puissance dominante, contribuant à plus de 60 % de l'intensité totale à un courant d'injection de 1 mA.
• Excitation des QD sur puce et réglage : L'émission cohérente du laser WGM a réussi à exciter les QD dans le WIM. La photoluminescence résultante a montré une dépendance à la puissance cohérente avec un état de double exciton. De plus, la longueur d'onde d'émission des QD a été réglée spectralement jusqu'à 0,35 nm en appliquant une tension de polarisation au WIM, démontant un contrôle via le QCSE.
• Émission de photons uniques : Sous excitation sur puce en régime continu (CW), la raie d'émission de la QD sélectionnée a présenté un fort antibunching de photons. La valeur d'autocorrélation du second ordre mesurée était de $g^{(2)}(0) = (3,49 \pm 0,01)\%$, confirmant la génération de photons uniques de haute pureté.

Signification
L'article affirme que ces résultats constituent une étape importante vers le développement de sources de photons uniques à faible empreinte, déterministes et évolutives pour les circuits photoniques quantiques intégrés (IQPC) basés sur les QD. En démontant qu'un microlaser sur puce, piloté électriquement, peut fournir efficacement une excitation optique cohérente à un émetteur QD distinct, ce travail répond au défi de l'intégration de sources d'excitation haute performance directement dans les circuits quantiques. L'observation réussie de l'émission de photons uniques avec une grande pureté dans ces conditions valide la faisabilité de cette architecture pour les futurs IQPC, offrant une voie pour remplacer les lasers externes volumineux par des alternatives sur puce compactes et contrôlées électriquement.