[發明專利]光子晶體納腔量子環單光子發射器件及其制備方法有效

申請號：	201310254144.5	申請日：	2013-06-24
公開（公告）號：	CN103346476A	公開（公告）日：	2013-10-09
發明（設計）人：	佟存柱;田思聰;汪麗杰;邢恩博;王立軍	申請（專利權）人：	中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
主分類號：	H01S5/125	分類號：	H01S5/125;H01S5/343
代理公司：	長春菁華專利商標代理事務所 22210	代理人：	南小平
地址：	130033 吉***	國省代碼：	吉林;22
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摘要：
搜索關鍵詞：	光子晶體納腔量子環發射器件及其制備方法
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及光子晶體納腔量子環單光子發射器件及其制備方法，屬于量子信息學技術領域。

背景技術

單光子源是實現單光子量子比特、光量子密鑰傳輸、光量子計算和量子網絡的關鍵元器件，高性能的單光子源有助于實現單光量子態的操縱，構建量子保密通訊網和量子計算機，將會給人類對信息的傳輸和處理帶來全新的變革。從應用的角度來講，如果是應用于量子通訊，理想的單光子源應該是電驅動、室溫工作、工作在通訊波段（850nm、1310nm和1550nm）、高單光子發射效率、高時鐘頻率，如果是用于光量子計算，則更希望其兼具可集成性。

產生單光子的方法有多種，如激光衰減、非線性介質參量下轉換、以及基于單量子點微腔結構的單光子源。基于單量子點微腔的單光子源，如中國專利公開號為CN1638218，公開日為2005年7月13日，名稱為“一種用于單光子源的單量子點嵌埋光學微腔及制備方法”，所描述的器件結構是用微腔結構限制單個量子點實現單光子發射。然而，量子點微腔單光子源也面臨著很多問題，如：1）因為能帶的限制，這類器件多數發光在920nm-1300nm波段，無法覆蓋850nm波段，而且由于在>1100nm波段缺乏高性能的單光子探測器，目前研究的波長主要集中于920-940nm范圍；2）長波長的In（Ga）As/GaAs量子點具有多個能級，激子發光復雜，而且空穴能級分離變得很小(8-10meV)，導致載流子容易熱化，增益出現飽和，難以實現高性能的單光子發射。

從理論上講，具備單個二能級的材料和結構都可以產生單光子，因此拓展新的二能級的材料體系也是獲得高性能單光子源的一個發展方向。本發明主要是指單量子環單光子源。量子環是一種低維納米材料，具有分立的能級系統，可以實現單光子發射。

發明內容

本發明為了解決現有技術單量子點微腔的單光子源存在的問題，提供一種通過量子環來實現高效單光子發射的器件及其制備方法。

為解決上述問題，本發明采取的技術方案如下：

光子晶體納腔量子環單光子發射器件，結構包括：表面橫向二維光子晶體結構、上電極、P型布拉格反射鏡、光學缺陷層、N型布拉格反射鏡、緩沖層、襯底、下電極和量子環；在襯底上依次生長緩沖層、N型布拉格反射鏡、光學缺陷層和P型布拉格反射鏡，上電極生長在P型布拉格反射鏡上表面周邊區域，下電極生長在襯底下面。

所述表面橫向二維光子晶體結構由微納加工制成的空氣孔洞-半導體構成，內部橫向諧振腔光學尺度為量子環增益波長的一半，橫向二維光子晶體諧振腔模式波長與量子環的增益波長匹配；

所述量子環位于光學缺陷層中間，并且位于P型布拉格反射鏡、N型布拉格反射鏡和橫向二維光子晶體結構構成的三維納腔中心。

所述表面橫向二維光子晶體結構中空氣孔洞垂直向下深度到N型布拉格反射鏡的任意層。

所述上電極和下電極通過標準金屬沉積程序制成，位置可以是上下結構，也可以是共面電極結構。

所述P型布拉格發射鏡的反射率小于N型布拉格反射鏡的反射率。

N型布拉格反射鏡為與襯底材料晶格匹配的兩種不同折射率材料交替構成；P型布拉格反射鏡可以是由晶格匹配折射率材料或介電材料構成。

表面橫向二維光子晶體結構內部形成的諧振腔的腔模式波長與量子環的增益波長相一致，P型布拉格反射鏡與N型布拉格反射鏡之間的光學厚度為量子環增益波長的一半。