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1、在二维光子晶体内控制单量子点自发辐射率的大小DirkEnglund,1DavidFattal,lEdoWaks,1GlennSolomon,1,2BingyangZhang,1ToshihiroNakaoka,3YasuhikoArakawa,3YoshihisaYamamoto,1andJelenaVucfkovic'l1Ginzton实验室，斯坦福大学，斯坦福大学CA943052固态光子学实验室，斯坦福大学，斯坦福大学CA943053东京大学生产技术研究所，东京，口本（日期：2005年1月1
2、40）摘要：在二维的光子晶体与修改后的高・Q单缺陷腔，我们观察到大虽单InAs量子点（QDs）的口发辐射率变更。相对于在块状半导体中的量子点，谐振腔的QDs显示了发射率増加了8倍。与此相反，非共振QDs显示的高达五倍的速率的终止正如局部密度光学状态（LDOS）在光子晶体中减少。在这两种情况下，我们证明的光了反聚束，显示出的结构表示一个按需的脉冲时间从210PS到8ns单光了源。我们采用时域有限差分模拟解释了QD发射率的抑制和找到好的实验与其一致。正文：现代光学的核心问题之一是光子与物质的相互作用
3、的主题。在维格纳韦斯科普夫近似中，发射率是直接正比于局域态密度［1在过去的十年中，增加LDOS的光子谐振器己被利用，以提高排放率因为要提升许多量子光学器件（例如，［2,3］）0特别是单光子源，承诺看到有大的改善［4］。当越来越多的关注度一直给予提高发射率，在一个降低LDOS环境中相反的情况也是可能的。在这里，我们证明，通过用改性的单缺陷腔设计光子品体结构，我们可以显示嵌入式量子点自发辐射（SE）速率的增加或减少。光子晶体（PCs）,折射率交替的周期阵列，是这种实验的接近理想的测试平台。相对于自由
4、空间他们的电磁能带结构修改的LDOS,因此修改了嵌入量子点白发辐射率。我们证明腔耦合量子点自发辐射提高到8倍，相比于大量GaAs体材料量子点。这种耦合为具有较高的输出耦合效率和透明度的单光子源铺平了道路。另一方面，解耦的量子点以相较于大部分5倍下降率的辐射。与以前在光子晶体屮的SE率修改方面的报告对比［6-8］,这些结果展示了首次直接对单发射器的一个长生命周期改进的测量。在位置rA的一个QD的总SE率,，从空腔谐振波长X-Xcav可怕的失谐，可以被表示为到腔模和所有其他模式率的总和表，r=rca
5、v+rpco在腔场的衰变率切超过qd•空腔耦合强度的弱耦合机制内，SE率可以根据Fermi的黄金法则计算。腔体状态的密度遵从洛伦兹法则，并给出了一个简单的表达式为rcav［1］o同样，相对于块状半导体在PC带隙减少的「pc,它是关于LDOS的。相较于I,对块状半导体辐射率Fn给出了SE率的增强因素，(丽•AEmaxy]l+402(f—l)2在这个方程中，因素［◎和）2'
6、弘、1城1和1/［1+"0（总一1卜］向空腔电场e描述空间和光谱发射极偶极u不匹配，以及Fpc^rpc/r°是无腔光子晶体自发
7、辐射率基础。为了完美^cav—校正，率提高是由Fgv+Fpc保证，其屮，腔珀塞尔因子3A3Q4IT2n3Vynade.(2)o在GaAs中折射率n=3.6以及腔的模体积=[/ve(r)
8、£(r)FJ3r]/inax[£(r)
9、£(r)P]我们在二维光子晶体中设计了一个单缺陷的腔来最大化SE增强（图1）o(6)1500nm甜□匚I□□rdoooo(00200)oO(oooo)00000(01〕.0图1.时域有限差分辅助设计的光子晶体腔。周期性是一个a=0.27Xcav,孔的半径1<=0.03a,厚
10、度为d=0:65ac（a）电场强度的x偶极子共振（b）一个装配式结构的用扫描电子显微镜图像。其结构之前介绍［6併为了制作目的稍微修改。简单地说，我们使用有限差分吋域（FDTD）设计高Q,低Vmodc同最大QD场互动的腔〈”•E（F）〉。为了更好地满足制造需求，设计被调整于基于FDTD制造结构的分析［7］。该空腔支持预测Qpred=45000和volume^C入/N）3的x偶极子模式。我们通过电子束光刻、干法和湿法蚀刻的组合复制了这种结构在160nm厚的GaAs膜上。因为分子束外延生长，这些膜包括
11、了一个单一的密度200/Un?的自组装InAs量子点中间层。QD辐射是不均匀分布在约920纳米与50纳米的线宽（插图图3（—））。空腔谐振频率被选为落在QD分布中间附近的。制作结构的空腔谐振通过光致发光（PL）光谱测定在5K.o在图2共聚焦显微镜设置中，上述带隙的泵浦光束在750纳米激发〜600mn的焦斑量子。这点是远小于直径为5微米的PC,以便只在晶体内的量子点被寻址。源于空腔的光致发光的部分在背景上以两种方式增强：通过增强发射率，增加辐射率到腔模和提高腔间耦合效率以及收集光学。后者效cryo
