[發明專利]高速率、定向發射的單光子源器件

有效

• 申請號: 201410240989.3
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN104009137B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 魏紅;李強;徐紅星
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L33/04
• 分類號: H01L33/04
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙)11391
• 代理人: 范曉斌,郭海彬

技術領域

本發明涉及單光子源技術領域，特別是涉及一種高速率、定向發射的單光子源器件。

背景技術

量子信息科學是量子力學和信息科學技術結合的產物，包括量子密碼、量子通信、量子計算、量子測量等，近年來，在理論和實驗上都已經取得了重要突破。引起各國政府、科技界、信息界的高度關注。無論是量子通信還是量子計算，穩定的、高速率的單光子光源都是必須解決的關鍵設備，是現階段量子信息研究的重要熱點之一，也是必須攻克的難題。

單光子源是指在同一時刻僅僅發射一個光子的光源。現有技術中通常利用單個半導體量子點、單個熒光分子或者金剛石中的NV色心等納米光源來產生單光子，其原理均是利用單個電偶極子的躍遷。由于電偶極子發射不具有明顯的方向性，因此如何提高系統對此類納米光源發射出來的光子的收集效率一直都是人們迫切需要解決的難題，同時這些單光子源發射光子時的發射速率較低，也限制了它們的實際應用。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種高速率、定向發射的單光子源器件，能夠使單光子源所發射出的光子高速、定向傳播。

為了解決上述問題，根據本發明的一個方面，提供了一種高速率、定向發射的單光子源器件，包括：表面等離激元微腔結構，用于形成表面等離激元微腔；以及單光子源，設置在表面等離激元微腔內；表面等離激元微腔結構包括一維金屬納米波導。

進一步地，表面等離激元微腔結構還包括一金屬納米顆粒；金屬納米顆粒鄰近一維金屬納米波導設置并與一維金屬納米波導形成所述表面等離激元微腔。

進一步地，金屬納米顆粒設置在一維金屬納米波導的側面。

進一步地，金屬納米顆粒與一維金屬納米波導的垂直距離為d，其中0＜d≤100nm。

進一步地，一維金屬納米波導為納米線或納米溝槽。

進一步地，一維金屬納米波導的橫截面為圓形、橢圓形、矩形、V形或Λ形。

進一步地，一維金屬納米波導的橫截面為圓形，一維金屬納米波導的橫截面直徑為10～500nm。

進一步地，形成一維金屬納米波導和/或金屬納米顆粒的材料選自金、銀、鉑、銅和鋁中的一種或多種。

進一步地，金屬納米顆粒的形狀為納米棒、納米球、納米三角板或納米立方體。

進一步地，單光子源為單個原子、熒光分子、半導體量子點或金剛石色心。

應用本發明的技術方案，該單光子源器件由于具有一維金屬納米波導形成的表面等離激元微腔結構，通過將單光子源置于表面等離激元微腔結構所形成的表面等離激元微腔內，通過表面等離激元微腔與單光子源的相互作用，可以將單光子源所發射出的一部分單光子轉化為沿著一維金屬納米波導傳導的表面等離激元，并最終在一維金屬納米波導的端部散射形成定向傳播的單光子束流。采用本發明所提供的單光子源器件，不僅實現了單光子的定向發射，提高了光子的收集效率，同時由于表面等離激元的近場增強效應可以極大地增強單光子源感受到的電磁場強度，使得單光子源的單光子發射速率得到了明顯提高，解決了現有技術中由于單光子源發射速率較低實際應用受到限制的問題。

根據下文結合附圖對本發明具體實施例的詳細描述，本領域技術人員將會更加明了本發明的上述以及其他目的、優點和特征。

附圖說明

后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本發明的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。本領域技術人員應該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中：

圖1為根據本發明一種典型實施例的具有金屬納米線-金屬納米球結構的高速率、定向發射的單光子源器件的使用狀態示意圖。

具體實施方式

為了解決現有技術中的單光子源發射時由于發射的光子方向定弱不強使得光子的收集效率較低以及由于光子的發射速率較低使其應用受到限制的問題，本發明提出了一種高速率、定向發射的單光子源器件。如圖1所示，本發明所提供的高速率、定向發射的單光子源器件包括表面等離激元微腔結構以及單光子源。其中，表面等離激元微腔結構用于形成表面等離激元微腔，單光子源設置在表面等離激元微腔內。表面等離激元微腔結構包括一維金屬納米波導。本發明的目的在于提供一種含有一維金屬納米波導20的微腔結構，以實現單光子源產生的單光子轉化為納米波導端頭定向發射的高速率單光子束流。