硅基确定性制备量子点-圆布拉格光栅电可调O波段单光子源

《Laser & Photonics Reviews》：Stark-Tunable O-Band Single-Photon Sources Based on Deterministically Fabricated Quantum Dot - Circular Bragg Gratings on Silicon

　　

半导体量子点（QD）具有突出的量子光学性能，使其有望应用于量子信息技术。然而，同时实现宽范围电学可调性、高效光子提取、高温工作、在硅上的单片集成以及电信波长兼容性，仍是一个尚未解决的主要挑战。在此，研究人员演示了集成在硅上生长的InGaAs QD的电接触圆布拉格光栅（eCBG）谐振器，能够在电信O波段产生明亮的单光子发射。确定性电子束光刻和基于脊的垂直p–i–n二极管架构实现了精确的器件集成和对单个发射体的电学控制。QD-eCBG在4 K下表现出约16 nm（11 meV）的量子限制斯塔克位移，这是电信波长下嵌入纳米光子结构中的QD的纪录值。该特性与（21.7±3.0）%的光子提取效率相结合，同时保持了优异的单光子纯度。在脉冲激发下，低于饱和时测得g⁽²⁾(0)=0.0078±0.0012，饱和时为g⁽²⁾(0)=0.0183±0.0021。强抗聚束一直持续到77 K，得到g⁽²⁾(0)=0.0663±0.0056，证明能够在液氮和用户友好的斯特林制冷机可达到的温度范围内工作。此外，空间分离的QD-eCBG可以通过电学微调进入光谱共振。这些结果建立了一个硅兼容的电信O波段量子光平台，将光谱可调性、单光子纯度和高温工作结合于一体。

半导体量子点（QD）作为单光子源（SPS）已经展示了突出的量子光学性能，是量子通信与量子信息处理的关键元件。传统高性能QD发射位于近红外，而光纤长距离量子网络需要电信波段，尤其是色散近零的O波段（1260–1360 nm）。然而，将宽范围电学可调性、高效光子提取、高温工作、硅基单片集成与电信波长兼容性集于一体，是尚未解决的难题。自组装QDs具有光谱不均匀性，需借助量子限制斯塔克效应（QCSE）进行电学补偿，但在纳米光子结构中维持高提取效率的同时实现大范围电调一直困难。此外，III-V材料在硅上的单片生长受到晶格失配和缺陷限制，尽管缓冲层与位错过滤层技术已实现InGaAs QD在硅上的直接生长，但实际器件仍有待开发。该研究基于这些背景，在硅衬底上单片集成InGaAs QD并设计电接触圆布拉格光栅（eCBG）谐振器，以期获得集电学可调、高效提取和液氮温度工作于一体的电信O波段单光子源。

研究人员在硅衬底上外延生长含分布式布拉格反射镜（DBR）、QD层和垂直p–i–n二极管的III-V异质结构，通过确定性电子束光刻将单个QD定位到eCBG中央台面，并通过导电脊实现电接触。研究实现了约16 nm（11 meV）的纪录性斯塔克位移、21.7%的光子提取效率以及77 K下仍保持的强抗聚束行为，并展示了两个独立器件在共同偏压下进入光谱共振。这些结果确立了与硅兼容的O波段量子光平台，为可扩展集成量子光子电路和光纤量子网络提供了可行路线。

该研究采用两步金属有机化学气相沉积（MOCVD）在300 mm硅衬底上生长III-V异质结构（随后分割为4 cm×4 cm晶片），包括Al_0.9Ga_0.1As/GaAs DBR、InGaAs QD层和垂直p-i-n二极管。使用低温阴极发光（CL）与扫描电镜关联定位单个QD，结合确定性电子束光刻（EBL）和感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）制备eCBG，并用约150 nm宽的导电脊实现偏压施加。器件几何通过JCMsuite有限元模拟和贝叶斯优化确定。表征技术包括偏压相关微光致发光（μPL）、时间分辨μPL和Hanbury Brown-Twiss（HBT）二阶自相关测量；共分析7个器件，其中eCBG1–eCBG3进行了详细研究。

3.1 电学控制和斯塔克调谐

在eCBG1器件上，通过偏压相关的μPL谱观察到多个激子线随偏压连续移动。结合功率和偏振测量将主要谱线归属为中性激子（X）、带电激子（X±）、双激子（XX）和带电双激子（XX±）。X线在1 V时发射能量为0.9516 eV（1302.90 nm），线宽（171±3）μeV。在1.1 V至?2.5 V偏压范围内，X线获得约16 nm（11 meV）的连续可逆调谐，为电信波段纳米光子结构中QD的纪录值。QCSE拟合给出电子-空穴分离p/e=?（0.276±0.006）nm和极化率β=?（0.637±0.005）μeV/(kV/cm)²。在1120 nm激发和1 V偏压下，饱和计数率为440 kcps（X），结合校准的4.1%探测效率，对应光子提取效率（PEE）为（21.7±3.0）%。

3.2 时间分辨μPL研究

低功率时间分辨测量显示X线呈单指数衰减，寿命为（0.775±0.022）ns，与平面区的（0.913±0.029）ns相近；模拟Purcell因子为0.7–1.6，表明谐振器主要以提取效率而非Purcell增强为设计目标。偏压从1.2 V至?0.9 V变化时，寿命从（0.803±0.026）ns增加到（0.931±0.034）ns，这与QCSE引起的波函数重叠降低一致。

3.3 单光子发射纯度

二阶自相关测量在0.16倍饱和功率下得到拟合g⁽²⁾(0)=0.0078±0.0012，原始积分值为0.0249±0.0021，单光子纯度超过99%，与平面InGaAs/GaAs QD的纪录值相当。偏压依赖测量表明在饱和条件下g⁽²⁾(0)低于3%，说明电学调谐不显著损伤单光子纯度。

3.4 热稳定性与高温工作

在4、20、40、77 K下以饱和功率激发，光谱随温度红移，X线仍保持光谱隔离，强度仅下降约28%。二次自相关原始g⁽²⁾(0)从4 K的1.83±0.21%逐渐增至77 K的6.63±0.56%，始终低于经典极限，证明液氮温度下仍有真正的单光子发射。

3.5 电可调QD-eCBG器件的光谱对齐

对同一阵列中的两个器件eCBG2和eCBG3施加共同偏压1.2 V，它们不同的激子线通过QCSE移动至相同波长，实现光谱共振。共振偏压下两者的激子寿命分别为（0.935±0.026）ns和（0.826±0.013）ns，原始g⁽²⁾(0)分别为（2.58±0.38）%和（2.13±0.32）%，表明在协调调谐后仍保持优异单光子性能。由于未进行远程Hong-Ou-Mandel测量，研究人员使用非均匀展宽模型估算远程双光子干涉可见度约为0.5%，这反映当前谱线远非变换极限，需要进一步优化电荷稳定和激发条件。

总结讨论：该平台的主要进展在于将大范围可逆电学斯塔克调谐与高效率光子提取、高单光子纯度及液氮温度工作相结合，克服了电信QD源长期面临的光谱不均匀性和深低温工作限制。同时，电学调谐的局域性和动态可寻址能力使其区别于全局温度或应变调谐，适用于多发射体集成。但也指出，光谱共振并不等价于光子不可区分性，当前线宽提示需要显著改善光学相干性和激发条件。未来与硅光子线路的集成需要光学接口，例如低温光子层垂直耦合或III-V波导侧向耦合，结合选择性生长等技术。

研究结论翻译：这项工作建立了QD-eCBG器件作为硅兼容的电信波长高质量单光子产生平台。通过将大斯塔克调谐、偏压稳定的量子光学性能以及液氮温度下的工作统一在一个架构中，该平台解决了电信QD源的几个长期限制，如光谱不均匀性、调谐引起的性能退化以及对深低温工作的要求。核心成果包括16 nm调谐窗口、饱和条件下g⁽²⁾(0)<3%、光子提取效率（21.7±3.0）%、77 K下g⁽²⁾(0)=（6.63±0.56）%，并演示了两个空间分离QD-eCBG在共同偏压下的共振对齐。这为实现多发射体量子光子电路和光纤量子网络奠定了重要基础。