半导体量子点的光致发光光谱研究

半导体量子点的光致发光光谱研究

摘要

基于半导体材料的量子光学方案在量子密码学和量子通信应用与研究中越来越重要。在本应用说明中，我们介绍了GaAs激子极化子和InAs量子点的光谱测量。所有实验都是在4至60K的低温下进行的。

图1.量子点微光致发光装置，显示了低温恒温器、显微镜物镜和各种激发光束。>

图2.实验装置的示意图。空间光调制器（SLM）控制激发和光束，而波片控制偏振。在其中一个波束中，插入了额外的延迟以便于泵浦和探针测量。发光由光纤F1、F2和F3收集，并被馈送到光谱仪中。

由于与现有电子元件的接口相对简单，半导体光学一直是光物质接口实现中的有力竞争者。在量子光学的新范式中也是如此，即光的量子特性将被转换为电子信号，或者电子信号被转换为量子性质的光。

量子发射极的可能实现是基于激子极性子或半导体量子点（QD）。在第一种情况下，窄量子阱和周围空腔的相互作用产生奇异的光状态，并且发射的光子可以被纠缠（Romanelli等人，朝向半导体微腔中的量子相关极化激元模式Journal of Optics B:quantum and Semiconetic Optics，2005，7，S523，和Diederichs等人，垂直三重微腔中参数振荡Nature，2006440904），而在后一种情况下可以实现真正的、按需的纠缠光子源（R.M.Stevenson等人，触发纠缠光子对的半导体源，Nature 4391792006）。为了获得系统的相关物理参数，我们采用光谱测量。

图3.作为图2中F1位置的函数的偏振子发光。在阴影区间内对光谱进行集成，集成如图4所示。

我们的实验装置基于脉冲Ti-Saph激光器、空间光调制器（SLM）、将样品温度保持在5K的低温恒温器、光收集光学器件、Roper Scientific Acton SP2750成像光谱仪和Andor iKon-M DU934N-BR-DD CCD相机。在极化激元实验中，为了测量嵌入腔的特性，通过反射或透射配置的光纤收集光。在其他情况下，以及在量子点实验中，测量发光。通过使用纤维，我们可以在空间上选择光收集点，然后该点携带关于样品中电子粒子的动量或发射器（QD）相对于空腔的排列的信息。

在图3中，我们展示了一个典型的极化激元发射光谱。样品被共振激发，并通过放置在特定位置的纤维收集发射。如前所述，通过移动纤维，我们可以将光谱与样品中电子粒子的动量联系起来。通过这种方式，我们可以重建整个色散关系。这种重建如图4所示。

图4.作为极化激元动量函数的重构发光强度。同样，空间位置转化为动量。强度取自类似于图3所示的积分光谱。

图5显示了用1800线/mm光栅拍摄的典型QD光谱。除了激子和双激子线，其他带电粒子的发射也可以被识别。

图5.InAs量子点的发光光谱。三极管、激子和双激子线被注释，其他线与实验中无关的其他电荷有关。

图6.不同量子点的激子发射（左手侧斑点）和腔共振（右手侧斑点）

在图6中，我们将发光信号投影到光谱仪的狭缝上，即在这种情况下，为了进行空间选择，我们使用狭缝上的位置，而不是移动光纤。在左侧，可以看到QD发射，而右侧的点可以被识别为轻微失谐的腔。这两个信号在垂直方向上偏移，因为QD发光方向与腔的法线不对齐。