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(fā)表有關(guān)「電驅(qū)動與電性可調(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量子點發(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。
在這項實驗中，研究人員使用由電激發(fā)驅(qū)動LED所發(fā)射的光源，激發(fā)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(diào)諧來自相鄰驅(qū)動二極體的量子點發(fā)射波長。
研究人員的想法是經(jīng)由易于整合至半導體元件與光子腔的晶片平面激發(fā)結(jié)構(gòu)，為量子運算應用依需求產(chǎn)生糾纏光子對。
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)計了16種可單獨調(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，同時作為光從InAs潤濕層發(fā)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」。LED以正向偏置運行，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。而當一部份的發(fā)射光到達鄰近的LED時，部份光源被潤濕層吸收，產(chǎn)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(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)(藍色)。經(jīng)由正向偏壓(左)強烈驅(qū)動的LED發(fā)射光源(圖示為藍色光束)，激發(fā)相鄰元件中的量子點(右)。量子點發(fā)射抗聚束光(綠色)。
由于平面微腔的腔模匹配相鄰量子點的發(fā)射波長，所以提高了向上進入收集光學元件的QD發(fā)射比例。透過改變第二個二極體的偏置，就能經(jīng)由Stark效應移位轉(zhuǎn)換調(diào)諧波長，而相鄰二極體發(fā)射的光強度則可經(jīng)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(diào)諧第二個二極體中的激子精細結(jié)構(gòu)分裂，作為其整個電場的函數(shù)，使其得以用這樣的元件作為糾纏光子對的光源。
從第一個二極體(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)由量子點擷取后，發(fā)出量子光源。潤濕層發(fā)射(左)和量子點發(fā)射(右)是實際的數(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，從而提高交叉耦合的效率。原則上，一個驅(qū)動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。
