Детекторы и излучатели фотонов для систем квантовой связи и квантовых стандартов частоты

Abstract

В докладе будет представлен краткий обзор результатов, полученных в ИФП СО РАН, в области разработки детекторов и излучателей фотонов, перспективных для использования в системах квантовой криптографии и миниатюрных квантовых стандартах частоты на основе эффекта когерентного пленения населенностей.Однофотонные лавинные фотодиоды (ОЛФД) на основе гетероструктуры InP/InGaAs/InP обеспечивают поглощение на длине волны 1.55 мкм и применяются в волоконно-оптических линиях для реализации систем квантовой криптографии.Разработана конструкция и спроектирована топология ОЛФД на основе гетероструктуры InP/InGaAs/InP.Методом планарной технологии изготовлены чипы ОЛФД.Предложен способ и определены условия проведения локальной диффузии цинка с целью получения заданного профиля распределения примеси p-типа и толщины области лавинного умножения.Разработаны методы контроля параметров отдельных слоев гетероструктуры и ОЛФД в целом.Гетероструктуры выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке n + -InP.Основными параметрами, определяющими работоспособность ОЛФД в гейгеровском режиме как детектора одиночных фотонов, являются квантовая эффективность счета (15-25%), частота темновых импульсов менее 50 кГц и коэффициент послепульсаций менее 15%.Для достижения предельных параметров ОЛФД, работающих в счетном режиме, требуются экстремально малые темновые токи при обратных напряжениях вблизи пробоя.Для этого необходима минимизация уровня фоновых примесей в слоях гетероструктуры.Были проведены исследования влияния условий выращивания этих слоев на уровень фоновых примесей и дефектов в них с помощью сочетания методов C-V измерений ртутного зонда и МДП структуры с послойным травлением эпитаксиальных слоев.Для измерения параметров чипов (квантовая эффективность счета, частота темновых импульсов и коэффициент послепульсаций) разрабатывается оригинальный исследовательский стенд.Достигнутые величины темнового тока при температуре 217 К вблизи пробоя (менее 10 -11 А), коэффициент лавинного умножения (25-30) в линейном режиме и темновая частота счета (менее 50 кГц при перенапряжении до 3,5 В) в режиме Гейгера не уступают результатам мирового уровня.Исследована система квантовых точек (КТ) на основе AlyIn1-yAs/AlxGa1-xAs.Использование широкозонных твердых растворов AlyIn1-yAs в качестве основы КТ позволяет существенно расширить спектральный диапазон излучения в коротковолновую область, включая участок длин волн вблизи 770 нм, представляющий интерес для разработки аэрокосмических систем квантовой криптографии.Разработана и реализована конструкция микрорезонаторов для излучателей одиночных фотонов на основе AlxGa1-xAs зеркал и AlyIn1-yAs КТ.С использованием интерферометра Хэнбери Брауна-Твисса исследована статистика излучения одиночных AlyIn1-yAs КТ.Функция парных фотонных корреляций отчетливо демонстрирует субпуассоновский характер статистики излучения (g (2) (0)=0.04),что является прямым подтверждением перспективности использования разработанных микрорезонаторов для создания эффективных излучателей одиночных фотонов на основе AlyIn1-yAs КТ в спектральном диапазоне 0.77 мкм.Разработаны и изготовлены одномодовые лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР) с длиной волны генерации 894.6 нм для использования в миниатюрных квантовых стандартах частоты (КСЧ) на основе 133 Cs и лазеры с длиной волны 794.8 нм для КСЧ на основе 87 Rb.Точная подстройка длины волны под резонанс D1 Cs и Rb осуществляется путем изменения температуры и тока накачки лазеров.Характеристики лазеров соответствуют требованиям, предъявляемым к излучателям в миниатюрных КСЧ на основе эффекта когерентного пленения населенностей.