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word室温下电注入光子对源PRL112,183901 (2014)X明珠2013111143室温下的电注入光子对源未来的量子信息技术面临的主要挑战之一是小型化和在一个单芯片上高性能组件的集成。在这种情况下，光的非经典态的电驱动比光驱动有明显的优势。这里我们介绍在室温和电信工作波长下的第一个光子对电驱动半导体源。该设备基于m的光子对。辐射对时间相关的测量量为内部生成效率是71011对/注入电子。我们的平台支持大规模并行系统复杂的量子操作进展生成，检测和对光子的打开方式进展演示。因为光子本身作为飞行比特可以进展高速长距离传输并且几乎免疫退相干，所以光子在量子信息技术的开展中有独特的优势。最近集成光子电路因其固有的可扩展性和可靠性产生了新一代的量子通信、计算计量设备。即使芯片上光的非经典态的操纵和检测有了很大的进展，在光子电路上实现光源的完全集成仍是一个主要的挑战。这种设备和光驱动的设备相比在便携性、能耗、与整合上有明显的优势。半导体材料是实现非常紧凑、大规模并行设备理想材料：关于双光子源，量子点的激子级联已被用于展示波长为890 纠缠的发光二极管。然而，即使使用单一的发射器发射这些设备保证了确定性，低温下操作大大限制了它们的应用前景。光学参量转换提供了一种替代方法。尽管其有不确定性，这个过程在量子信息和通信协议中被广泛用来产生光子对。到现在，通过硅的四波混频或铝镓砷()自发的参量下转换SPDC在半导体波导的泵浦作用已经能够产生纠缠光子对。由于其直接带隙，后者的平台为电注入提供了一个明显的刺激。为了解决该晶体的各向同性结构，已经提出了几种解决方案以实现波导中的非线性光学转换。其中，模态相匹配，在该阶段的速度失配用多模波导色散补偿，这种方法是其中一个最有前途的单片集成的激光源和非线性介质的装置。在这方案中，交互模式可以被限制在均匀的包层或光子晶体的带隙结构中，后者可防止总铝含量减少导致的老化问题。M波长的光子对同时激发在785和高效II型与内部的SPDC.两个布拉格镜子提供一个光子带隙的垂直限制的激光布拉格横电TEB模式和总对于双光子反射包层模式(一个TE00和一个 TM00)。非线性过程可能是因为TEB泵模式和相互作用的两个双光子模式，并验证了能量守恒方程和类相位匹配：和其中i=TEB,TE00,TM00是角光学频率和第i个有效折射率模式。仿真的调谐曲线基于文献 23,24 ，上述系统的解决方案，如图1b所示。因为TEB的模式从邻近波导的带隙能核心产生的强色散，从退化的激光波长小的变化产生的光子之间有一个大的波长别离。因此，考虑到我们的单光子雪崩光电二极管的灵敏度X围，我们的光谱窗口检测的每一对两个光子被限制在频率简并区。6 / 6图一 该装置的工作原理。a源示意图。由量子势井发射的激光光束通过腔内自发参量下转换成电信光子对。b模拟调谐对II类相位匹配在T=20C的曲线。能量守恒规定电子对发生在曲线的粗分支或细分支。样品是在分子束外延在100n掺杂的衬底上生长的。它由一个氮掺杂六期布拉格反射器下镜，这个反射器是一个有8.5 的中间量子势井和298的核心和p掺杂六期布拉格反射镜上镜。布拉格反射器是逐渐从到掺杂的。230 的覆盖层6微米宽2微米深沿着011晶轴的脊状。过程的最后把样品减薄和通过与Au合金接触来实现金属化。样品被切成成2毫米长的条。图2a显示内部的峰值功率和电压特性随注入电流的变化。该装置安装在铜沉积的表侧上；温度可以通过一个Peltier模块在15摄氏度和40摄氏度之间进展调节。为了防止不必要的热漂移，我们采用的电流脉冲持续时间为120 ns，重复率为10 kHz。激光内峰值功率的计算通过2D的FDTD数值模拟，将EB的模式反射率79%考虑在内。我们观察到的导通电压1.6V，这非常接近量子阱的带隙1.58ev，这就意味着在异质界面没有电流的阻断作用发生。阈值电流大约420mA，对应于一个阈值电流密度=3.3kA/cm2。这个值比这个光谱X围内最先进的激光二极管的值还要大，可能由于对布拉格反射镜的粗糙的优化掺杂。通过输出平面的影像分析对激光束的空间强度分布进展研究；在图2b中记录下来的近场分布与对应的数值模拟显示在一起，结果明显支持输出为TEB模式。图2c显示注入电流为650 mA激光发射光谱强度随热沉积温度的变化。除了典型的纵向模式跳变-激光二极管的典型特征-整体趋势对应于理论温度度量子阱带宽的依赖性。，开启1.6伏电压，0.420的激光阈值，和效率132mW/A.b测量顶部和仿真下的模式的激光近场发射。c在光纤光谱分析仪下归一化的激光辐射强度随波长和热沉积温度的变化。虚线显示了预期的温度随量子阱的带隙的变化。在波导中的光的传播损耗，这是量子信息中光子源的一个重要指标，是通过一个标准的法布里-佩罗特技术 26 进展测量：在通信X围内所获得的TE00和TM00模式值约2cm-1。对一个未掺杂的波导的类似测量值为0:1cm-1；在有源器件中的损耗的主要原因是掺杂。样品的非线性光学性质的测量首先通过在无电流注入下的二次谐波SH生成技术进展测量。一个处于根本波长的光束沿着45度偏振，以便同时与TE和TM模式耦合。图3a显示出光束波长为1.57微米温度是19摄氏度时SH能量的明显增长；插图显示了预期的SH功率对根本功率的二次依赖。所观察到的波长引起的调制是由于在波导面之间的法布里佩罗干预。实体曲线是拟合曲线，已经将传输损耗以与三个相互作用的模式间的反射考虑在内。推断的内部SH产生效率是35% W-1cm-2,相匹配的半峰全宽带宽是0.6nm图3b显示出SH峰值波长随温度的变化。比拟这些数据以与图2C)显示出在研究的温度X围内激光辐射和SH信号的可调性。为了确定该装置的工作区域和证明在1.57微米附近光子对发射，进展了在有电子注入的情况下时间相关性的测量见图4a。检测到的SPDC信号通过调节温度来进展优化。图4b显示在温度等于25时TE和TM偏振光子之间的时间延迟的直方图。在背景中出现的锋利的峰是一种光子对产生明确的证据。根据这些数据，考虑到在整个传输光学路径中的整体透过率，我们可以估计，在阈值以上时该装置的内部产生效率是710-11对每个注入电子 28 。此值对应于一个SPDC效率10-9对每个泵光子：这些结果与我们的SH的产生效率一致，产生610-8对没给泵光子未掺杂的结构的仿真模拟。注意这里的效率与在一个基于此类相位匹配的完全无源结构中的结果相一致。图3。二次谐波产生。一SH谱在温度为19C作为波长的函数曲线。这个曲线是考虑传播损失和模态的端面反射率的一个拟合曲线。插图显示峰值SH强度随的光束功率的变化。实体线显示了预期的方幂函数。bSH峰波长与温度的关系。实线是一个实验数据线性拟合，而阴影区表示的是相位匹配带宽。实验斜率0.09nm /K与我们的理论的数值模拟斜率一致0.07nm = K。虚线给出了在图2c中给出的量子阱的带隙变化的预期。通过对在同一时间窗口峰与背景信号的峰的半高宽比照，对信号噪声比SNR进展评估；在图b给信噪比为13.5，主要受到器件的发光噪声影响。在这方面，一个得到一个较小的激光阈优化的工作将有利于减少杂散发光，因此，能够提高信噪比。我们的结果使我们估计可以生产于我们的装置的F与贝尔态的比值。假设源发射了一个Werner 态 29,30 -这是合理的因为噪声是不极化的-相关密度矩阵是W=P|+(1-P)/4 1和P=SNR/(2+SNR).这导致了一个最大的比值90%，这与未来实验上违背贝尔不等式是一致的。FIG.4 相关性测量。 (a)实验结构. 辐射的光子对,通过 63显微镜进展收集, 被聚光到一个波长集中在1.57微米的光纤相干仪器上然后被发送到一个光纤偏振分束器上. 在干预仪之前的偏振控制器被调整到与样品盒PBS输出的值相等。产生的TE/TM检测是用两个InGaAs 单光子雪崩二极管测量，他们有20%的检测效率和50 ns的门限，与电流压相一致。一个时间-数字转换器用来分析光子间的时间相关性。(b) 在温度25C.和波长为1.57微米处TE/TM光子的时间相关性柱状图。样品的注入电流脉冲强度为700 mA, 持续时间是60 ns, 频率是10 kHz.数据的累计时间是1200s, 分辨率是160ps. 插图显示了尖峰的迅速上升。这些结果提供了一种大尺度的基于光电结构的量子计算方法。事实上，这种源的一个应用时可以控制在一个集成电路中芯片上的任意数量的光子注射或光子对任意数量的输入模式。这可以通过制造一个单片器件组成的一样间隔的激光二极管通过注入电子来实现，这是由成熟的III-V技术所支持。将它与与多端口重构电路相结合 1 将实现可行的中等大小的片上的重构量子光学计算，如玻色子抽样 3134 和多光子量子运动，实现中等大小的光学模拟 35 。
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