直交の励起と検出を用いた平面キャビティ内 InGaAs 量子ドットの共鳴蛍光
Summary
単一自己形成量子ドットの共鳴励起は、励起蛍光コレクション モードに直交モードを使用できます。光導波路と量子ドットを囲む平面微小共振器のファブリ ・ モードを使用して、メソッドを紹介します。メソッドは、検出偏光で完全な自由をことができます。
Abstract
同時共鳴励起、蛍光検出を実行する能力は、量子ドット (Qd) の量子光学計測用が重要です。共鳴励起蛍光検出-たとえば、差動伝送測定-なし発光システムのいくつかのプロパティを確認することができますが、アプリケーションまたは放出される光子を用いた測定はできません。たとえば、光子相関測定、Mollow トリプレットの観察、すべて単一光子源の実現、蛍光のコレクションが必要です。インコヒーレント励起-たとえば、上記バンド ギャップ励起-蛍光検出を使用して、単一光子源を作成できます、加振による環境の乱れは、光子の識別不能性を低減します。単一光子源量子ドットに基づく高い光子識別不能性に共鳴励起にしなければならないし、光子の同時コレクションを確認する必要がありますそれらを使用します。サンプルの表面の法線方向に沿って蛍光を収集しながらサンプルの切断面からこの空洞に励起光を結合することによって平面共振器に埋め込まれた単一量子ドットの共鳴励起する方法を紹介します。共振器の導波管モードを励起光を慎重に一致する、励起光は、キャビティにカップルし、量子ドットと対話できます。散乱の光子は、キャビティ表面の法線方向のエスケープのファブリ ・ モードに結合できます。このメソッドにより、検出偏光の完全な自由が、励起分極励起光の伝搬方向によって制限されています。ぬれ層からの蛍光は励起光に対するコレクションのパスを整列するためのガイドを提供します。励起と検出モードの直交性が無視できるレーザー散乱背景を持つ単一量子ドットの共鳴励起を可能にします。
Introduction
共鳴励起蛍光検出と組み合わせて単一量子エミッタは強力な励起散乱から弱い蛍光スペクトルを差別できないのため主に長期的な実験課題だったこの難易度では、ただし、正常にで克服されている過去 10 年間で 2 つの異なるアプローチ: 暗視野共励振による偏波識別1,2,3,4 、5、および直交励起検出に基づく空間モード差別6,7,8,9,10、11、 12,13,14。両方のアプローチの大幅レーザー散乱を抑制する強力な能力し、スピン光子エンタングルメント5,15,の観測などの様々 な実験でこのように広く採用されて16、服を着た状態2,7,12,17,18,19,20,21のデモ,22,23,24,25,26日と限られたスピン3,27,28,29,30のコヒーレント操作。どちらのアプローチは、すべての状況に普遍的に適用できます。それぞれはいくつかの特定の条件に限定されます。暗視野法では、光子励起レーザー散乱抑制の自由度偏波を採用しています。このテクニックには、いくつかの利点があります。たとえば、共焦点のみの実装を可能にする明確に定義された導波管モードの要件はありません。共焦点の実装は円偏波励振および高い励起強度の結果として量子エミッタに励起光の可能性がより緊密なフォーカスをことができます。ただし、この偏波選択メソッドは励起分極に直交するように検出偏光を制限し、蛍光の偏光特性の完全な評価を防止すること。比較では、空間モード差別はレーザー散乱4を抑制するための励起と検出ビームの伝搬モードの間直交性を用いた偏波検出の完全な自由を保持します。この手法の制約がサンプルの導波路構造の直交検出モード励振モードを提供する必要性とビームの伝搬方向に対して垂直に励起分極の制限.
ここでは、共鳴蛍光実験用無料スペース ベース直交励起検出設定を構成するプロトコルを示す.6空洞に光を連結する光ファイバーを用いて空間モード判別に関する先駆的な仕事と比較して、このプロトコル, 自由空間におけるソリューションを提供します、どちらかサンプルをマウントする動的コンポーネントを必要としないまたはクライオスタットの繊維。励起光の検出パス方向の微調整は、一重項の非球面レンズは、クリオスタットの冷たい領域内の目的を中心として、クライオスタット、外部光学系によって操作されます。共鳴励起と単一量子ドットからの蛍光性の検出を達成する過程でキー配置手順の代表的な画像を提供します。
このデモで使用するサンプルは、分子線エピタキシー (MBE 法) により栽培されています。InGaAs 量子ドット (Qd) は、図 1のサンプルのビューでズームで示すように、2 つ分布ブラッグ反射鏡 (Dbr) によって囲まれている GaAs スペーサーに埋め込まれます。Dbr 領域間 GaAs のスペーサーは、励起光が全反射によって限られている、導波管として機能します。Dbr 領域は、試料面にほぼ垂直な wavevectors 用高反射率ミラーとしても使用。これを形成する量子ドットの蛍光を発光するときカップル ファブリ ・ モード。ファブリ ・ ペロー モードは整数である GaAs スペーサーが必要です、量子ドットの発光波長 λ と共鳴する必要があります λ/n、n は GaAs の屈折の倍数。このデモでは、GaAs のスペーサーの厚さは 4λ/n に選ばれた、入射励起光の回折限界のスポット サイズ近くなるように、約 1 μ m であります。狭いスペーサー低結合効率励起光の導波管モードになります。
実験装置は図 1に示します。開口数 NA で非球面単レンズ目的 Eobj結合効率を最大化する = 0.5 とサンプルの劈開面に励起光を集中する 8 mm の焦点距離を選択。励起パスでケプラー式望遠鏡 (レンズのペアの E1 と E2 で構成) の機能は 2 倍: 励起光は良いモード一致 (導波管をしっかりと焦点を当てて、励起電子の目的objの開口部を入力する (1)この実現平行ビーム径が 2.5 mm)、(2) 3 サンプルの劈開面に励起光の焦点を操縦する自由度を提供します。レンズ E1 は、劈開サンプル面の平面で自由に励起スポットをシフトする自由の 2 つの学位を提供する X と Y の並進マウントにマウントされています。レンズの E2 は、非回転ズームのサンプルで焦点の深さを選択する自由を提供する住宅にマウントされます。これらの 3 自由度サンプル自体の動きを必要とせず単一量子ドットの共鳴励起を最適化すること。
蛍光コレクションのパス同じようなレンズ構成 (LobjL1 と L2) を使用して、サンプルの異なった部分からの蛍光性の検出を許可します。サンプルからの光がフォーカスされてか赤外線高感度カメラ (Lカム) に 2 つの管のレンズの 1 つまたは分光計 (L仕様) の入口スリット。L1 の z 軸方向の動きが、イメージの焦点を調整し、L2 の側面翻訳、サンプルの平面全体をスキャンする画像します。L1 と L2 の焦点距離の長さが等しいので、倍率は統一です。これは、ケラレが発生する前に、L2 を翻訳できる範囲を最大限に実行されます。
配置とを QD の場所を容易にするには、ケーラー照明に基づいて家造られた照明は、図 1に示すように、セットアップに組み込まれます。ケーラー照明の目的のサンプルに均一な照明を提供し、ことを確認することです i照明光源の魔道士はサンプル画像で表示されません。照明とコレクションのパスの両方のレンズ構成はサンプルと光源の共役像面を別々 に慎重に設計されています。コレクションのパスにすべてのレンズはその焦点距離の合計で隣国から区切られます。これにより、どこにサンプル画像は、フォーカス–カメラのセンサーで光源の像は完全にデフォーカスのよう。同様に、光源の像がフォーカス–対物レンズの後焦点面でサンプル画像が完全に多重のよう。光源は、発光ダイオード (LED) ・ 940 商業発光 nm。絞り、照度の調整が可能、フィールド ダイヤフラムは明るくしてビューのフィールドを決定します。均一な照明を実現するキーはの間の距離を設定するのには、レンズの 2 つのレンズの焦点距離の長さの合計に K4 と L2 とする L の開口部を確保するため、objが照明によって詰めすぎていません。このプロトコルでは、照明はまた Lobjとサンプル間距離を最適化するために使用されます。
目的 Lobjとチューブ レンズのどちらかは、カメラや分光計で 20 倍の倍率を提供します。Lobjと L仕様のレンズのペア L3 と L4 は、電荷結合素子 (CCD) の分光計のイメージに余分な 4 倍を提供する別のケプラー式望遠鏡を形成します。L3 と L4 の結果の合計倍率 80 x は、空間的近くドット L3 と L4 から蛍光を区別する必要があるため、表示倍率の切り替えを容易にするマウントを反転にマウントされているレンズの 20 倍の倍率。サンプルのビューの大きなフィールドを提供します。
光導波路を介して励起光のパスを持つコレクションのパスのビューのフィールドが重複する湿潤層量子ドットの連続体から排出が便利です。上記のバンド ギャップ励起下でサンプルの発光スペクトルを測定することによって濡れ層の発光波長を決定できます。サンプルでは、約 880 で発生しますぬれ層排出 4.2 K で nm880 でcwレーザを結合することによってサンプルの導波路に nm、1 つは付属のビデオで示されているぬれ層から PL によって形成されるストリーク パターンを観察できます。ストリーク カメラは、導波路に結合されて励起光の伝搬経路を明らかにします。配置を簡単に試料の表面のイメージを機能と組み合わせてこの連勝の存在。
Protocol
Representative Results
Discussion
プロトコルの重要な手順です: モード マッチングと導波管モードを励起光の配置適切なアライメントとコレクション光学系の焦点します。これらの手順の最も困難な部分が初期配置です。既に整列セットアップの結合を最適化するは比較的簡単です。コレクションと励起領域の重複は、この機能なしでは非常に難しいですが、カメラのサンプルをイメージする能力を持つ単純なステップです?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、サンプルを提供するため Glenn s. ソロモンを認めたいと思います。この作品は、全米科学財団 (DMR-1452840) によって支えられました。
Materials
| Tunable external cavity diode laser | Toptica Photonics | DL-Pro | |
| Closed-cycle cryostat | Montana Instruments | Cryostation | |
| Spectrometer, 750 mm focal length | Princeton Instruments | SpectraPro 2750 | |
| Thermoelectrically cooled charge-coupled device | Princeton Instruments | Pixis 100BR-eXcelon | |
| HeNe laser | JDSU | 1125P | |
| Infrared sensitive camera | Sony | NEX-5TL | IR blocking filter removed |
| Power meter and detector | Newport | 1918-C, 918D-IR-OD3 | |
| Adjustable aspheric fiber collimator | Thorlabs | CFC-8X-A | |
| Air-Spaced Doublet Collimator | Thorlabs | F810APC-842 | |
| Protected Silver Mirrors x 5 | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
| Flip mounts x 2 | Thorlabs | FM90 | |
| Aspheric condenser lens, f = 20 mm; K1 | Thorlabs | ACL2520-B | |
| Best form spherical lens, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2 | Thorlabs | LBF254-050-B | |
| Best form spherical lens, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4 | Thorlabs | LBF254-100-B | |
| Best form spherical lens, f = 200 mm; Lspec, Lcam | Thorlabs | LBF254-200-B | |
| Plano-convex lens, f = 400 mm; L3 | Thorlabs | LA1172-B | |
| Molded glass aspheric lens, f = 8 mm; Eobj | Thorlabs | C240TME-B | |
| Precision asphere, f = 10 mm; Lobj | Thorlabs | AL1210-B | |
| Longpass Filters, 800 nm, x2 | Thorlabs | FEL0800 | |
| Non-polarizing beam splitter cube (NPBS) | Thorlabs | BS029 | |
| Pellicle beam splitter | Thorlabs | BP108 | |
| Polarizer | Thorlabs | LPNIRE100-B | |
| Light emitting diode, 940 nm | Thorlabs | M940D2 |
References
- Kuhlmann, A. V., et al. A dark-field microscope for background-free detection of resonance fluorescence from single semiconductor quantum dots operating in a set-and-forget mode. Rev. Sci. Instrum. 84 (7), 073905 (2013).
- Vamivakas, N. A., Zhao, Y., Lu, C. -. Y., Atatüre, M. Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence. Nat. Phys. 5 (3), 198-202 (2009).
- Vamivakas, A. N., et al. Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence. Nature. 467 (7313), 297-300 (2010).
- Houel, J., et al. Probing Single-Charge Fluctuations at a GaAs/AlAs Interface Using Laser Spectroscopy on a Nearby InGaAs Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 108 (10), 107401 (2012).
- Gao, W. B., Fallahi, P., Togan, E., Miguel-Sanchez, J., Imamoglu, A. Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon. Nature. 491 (7424), 426-430 (2012).
- Muller, A., et al. Resonance Fluorescence from a Coherently Driven Semiconductor Quantum Dot in a Cavity. Phys. Rev. Lett. 99 (18), 187402 (2007).
- Flagg, E. B., et al. Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter. Nat. Phys. 5 (3), 203-207 (2009).
- Konthasinghe, K., et al. Coherent versus incoherent light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 85 (23), 235315 (2012).
- Peiris, M., Konthasinghe, K., Yu, Y., Niu, Z. C., Muller, A. Bichromatic resonant light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 89 (15), 155305 (2014).
- Chen, D., Lander, G. R., Krowpman, K. S., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Characterization of the local charge environment of a single quantum dot via resonance fluorescence. Phys. Rev. B. 93 (11), 115307 (2016).
- Chen, D., Lander, G. R., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Polarization-Dependent Interference of Coherent Scattering from Orthogonal Dipole Moments of a Resonantly Excited Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 118 (3), 037401 (2017).
- Ge, R. -. C., et al. Mollow quintuplets from coherently excited quantum dots. Opt. Lett. 38 (10), 1691 (2013).
- Proux, R., Maragkou, M., Baudin, E., Voisin, C., Roussignol, P., Diederichs, C. Measuring the Photon Coalescence Time Window in the Continuous-Wave Regime for Resonantly Driven Semiconductor Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 114 (6), 067401 (2015).
- Robertson, J., et al. Polarization-resolved resonant fluorescence of a single semiconductor quantum dot. Appl. Phys. Lett. 101 (25), 251118 (2012).
- De Greve, K., et al. Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength. Nature. 491 (7424), 421-425 (2012).
- Schaibley, J. R., et al. Demonstration of Quantum Entanglement between a Single Electron Spin Confined to an InAs Quantum Dot and a Photon. Phys. Rev. Lett. 110 (16), 167401 (2013).
- Gerardot, B. D., et al. Dressed excitonic states and quantum interference in a three-level quantum dot ladder system. New J. Phys. 11 (1), 013028 (2009).
- Hargart, F., et al. Cavity-enhanced simultaneous dressing of quantum dot exciton and biexciton states. Phys. Rev. B. 93 (11), 115308 (2016).
- Kim, H., Shen, T. C., Roy-Choudhury, K., Solomon, G. S., Waks, E. Resonant Interactions between a Mollow Triplet Sideband and a Strongly Coupled Cavity. Phys. Rev. Lett. 113 (2), 027403 (2014).
- Unsleber, S., et al. Observation of resonance fluorescence and the Mollow triplet from a coherently driven site-controlled quantum dot. Optica. 2 (12), 1072 (2015).
- Xu, X., et al. Coherent Optical Spectroscopy of a Strongly Driven Quantum Dot. Science. 317 (5840), 929-932 (2007).
- Muller, A., Fang, W., Lawall, J., Solomon, G. S. Emission Spectrum of a Dressed Exciton-Biexciton Complex in a Semiconductor Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 101 (2), 027401 (2008).
- Roy-Choudhury, K., Hughes, S. Quantum theory of the emission spectrum from quantum dots coupled to structured photonic reservoirs and acoustic phonons. Phys. Rev. B. 92 (20), 205406 (2015).
- Ulhaq, A., Weiler, S., Ulrich, S. M., Roßbach, R., Jetter, M., Michler, P. Cascaded single-photon emission from the Mollow triplet sidebands of a quantum dot. Nat. Photonics. 6 (4), 238-242 (2012).
- Ulrich, S. M., et al. Dephasing of Triplet-Sideband Optical Emission of a Resonantly Driven InAs/GaAs Quantum Dot inside a Microcavity. Phys. Rev. Lett. 106 (24), 247402 (2011).
- Atature, M., Dreiser, J., Badolato, A., Hogele, A., Karrai, K., Imamoglu, A. Quantum-dot spin-state preparation with near-unity fidelity. Science. 312 (5773), 551-553 (2006).
- Kroner, M., et al. Resonant two-color high-resolution spectroscopy of a negatively charged exciton in a self-assembled quantum dot. Phys. Rev. B. 78 (7), 075429 (2008).
- Press, D., Ladd, T. D., Zhang, B., Yamamoto, Y. Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses. Nature. 456 (7219), 218-221 (2008).
- Sun, S., Waks, E. Single-shot optical readout of a quantum bit using cavity quantum electrodynamics. Physical Review A. 94 (1), 012307 (2016).
- Metcalfe, M., Solomon, G. S., Lawall, J. Heterodyne measurement of resonant elastic scattering from epitaxial quantum dots. Appl. Phys. Lett. 102 (23), 231114 (2013).
- Nguyen, H. S., et al. Optically Gated Resonant Emission of Single Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 108 (5), 057401 (2012).
- Benisty, H., De Neve, H., Weisbuch, C. Impact of planar microcavity effects on light extraction-Part I: basic concepts and analytical trends. IEEE J. Quantum Elect. 34 (9), 1612-1631 (1998).
- Köhler, A. Ein neues Beleuchtungsverfahren für mikrophotographische Zwecke. Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für Mikroskopische Technik. 10 (4), 433-440 (1893).
- Köhler, A. New method of illumination for photomicrographical purposes. Journal Royal Microscopical Society (Great Britain). 14, 261-262 (1894).
- He, Y. -. M., et al. On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability. Nat. Nanotechnol. 8 (3), 213-217 (2013).
