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

技术摘要：用于集成 InGaAs 量子点电激励的微腔回音壁模式微型激光器-波导片集成平台

问题陈述
实现可扩展集成量子光子电路（IQPC）需要确定性的、按需产生的具有高亮度且高不可区分性的单光子源。虽然固态量子点（QD）是极具前景的候选材料，但其在实际集成方面面临挑战。通过电流注入进行的电激发是非共振的，且通常受到电荷噪声和定时抖动的限制，从而限制了光子的不可区分性。相反，严格的共振光学激发虽然能提供卓越的相干性，但通常依赖于体积庞大的外部激光器，阻碍了可扩展性。作者指出，需要一种紧凑的、电驱动的片上激发方案，能够在无需外部激光系统规模和复杂性的情况下，为量子点提供相干光学泵浦。

方法论
作者制造了一种单片量子光子器件，该器件集成了电驱动的回音壁模式（WGM）微柱激光器与脊波导。该器件架构依赖于通过分子束外延（MBE）生长的 p–i–n 二极管结构。活性区由嵌入 GaAs 腔内的 InGaAs 量子点组成，并夹在 AlGaAs/GaAs 分布布拉格反射镜（DBR）之间。

关键的制备和实验步骤包括：

• 器件设计： 两个电接触的 WGM 微柱（直径 7.2 µm）被放置在靠近脊波导的位置。微柱与波导之间的间隙距离（$d_{gap}$）在 100 nm 到 900 nm 之间变化，以优化倏逝波耦合。
• 耦合机制： 波导的一端具有布拉格输出耦合器，而另一端则包含一个含有量子点和孔径接触的波导集成微柱（WIM）。该 WIM 可通过量子局限斯塔克效应（QCSE）实现量子点的光谱调谐。
• 表征： 器件在 4 K 和 20 K 的低温恒温器中进行测试。通过分析电致发光（EL）来确定激射阈值、品质因子（Q-factor）以及随 $d_{gap}$ 变化的耦合效率。
• 激发方案： 电驱动 WGM 微型激光器以发射相干光，该光通过倏逝波耦合进入脊波导。此光传播至 WIM，并在其中光学激发嵌入的量子点。量子点的发射被收集并用于分析其量子光学特性，特别是二阶自相关函数 $g^{(2)}(\tau)$。

主要贡献与结果

• 间隙依赖的激射特性： 研究系统地调查了微柱与波导间的间隙距离如何影响微型激光器的性能。间隙较小（$<200$ nm）的器件由于增强的输出耦合损耗，表现出显著更高的激射阈值电流（比参考器件高出高达 3.5 倍）。研究发现，品质因子（$Q$）随间隙距离增加而增大，遵循了一个在小间距下耦合损耗占主导地位的理论模型。
• 高效的片上耦合： 对于间隙为 500 nm 的参考器件，作者展示了高效的倏逝波耦合。波导传输信号的输入-输出特性与微型激光器的直接发射相匹配，激射阈值约为 24 µA。发射线宽在阈值处从 0.1 nm 窄化至 0.03 nm，证实了时间相干性的产生。
• 润湿层与 WGM 的贡献： 作者量化了润湿层和 WGM 模式对总激发功率的贡献。在激射阈值以上，WGM 模式成为主要的功率源，在 1 mA 注射电流下，其对总强度的贡献超过 60%。
• 片上量子点激发与调谐： 来自 WGM 激光器的相干发射成功激发了 WIM 中的量子点。所得的光致发光表现出与双激子态一致的功率依赖性。此外，通过向 WIM 施加偏置电压，量子点的发射波长可实现高达 0.35 nm 的光谱调谐，展示了通过 QCSE 实现的控制。
• 单光子发射： 在连续波（CW）片上激发下，选定的量子点发射线表现出强烈的光子反聚束效应。测得的二阶自相关值为 $g^{(2)}(0) = (3.49 \pm 0.01)\%$，证实了高纯度单光子的产生。

意义
论文声称，这些结果构成了开发基于量子点集成量子光子电路的低足迹、确定性和可扩展单光子源的重要一步。通过证明电驱动的片上微型激光器可以有效地为独立的量子点发射体提供相干光学激发，该工作解决了将高性能激发源直接集成到量子电路中的挑战。在这些条件下成功观察到高纯度的单光子发射，验证了该架构用于未来 IQPC 的可行性，为用紧凑、电控的片上替代方案取代体积庞大的外部激光器提供了路径。