[發(fā)明專利]雙曲超材料復(fù)合光柵增強(qiáng)的高頻量子點單光子源

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710600355.8
• 申請日: 2017-07-21
• 公開（公告）號: CN107452844B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳飛良;李沫;張暉;黃鋒;李倩;張健
• 申請（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/24
• 代理公司: 成都天嘉專利事務(wù)所(普通合伙) 51211
• 代理人: 蔣斯琪

本發(fā)明公開了雙曲超材料復(fù)合光柵增強(qiáng)的高頻量子點單光子源，包括襯底、雙曲超材料和量子點，雙曲超材料的表面或內(nèi)部有光柵微結(jié)構(gòu)；雙曲超材料是由介質(zhì)薄膜和金屬薄膜/介質(zhì)薄膜和類金屬薄膜交替形成一維周期性結(jié)構(gòu)；量子點置于一維周期性結(jié)構(gòu)內(nèi)部或在雙曲超材料的近場；本發(fā)明利用雙曲超材料實現(xiàn)量子點寬帶自發(fā)輻射增強(qiáng)，同時結(jié)合光柵的定向耦合輸出特性提高光出射效率，大大提高量子點單光子源的光子產(chǎn)生速率和收集利用效率，可實現(xiàn)GHz以上的高頻、高亮度、定向發(fā)射的量子點單光子源；同時兼容光泵浦和電泵浦兩種激發(fā)方式，并適用于從紫外到紅外各個波段；可廣泛應(yīng)用于量子信息、量子計算、量子成像、量子認(rèn)證、量子精密測量相關(guān)領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及單光子源、超材料、微納光子領(lǐng)域，具體是指一種雙曲超材料復(fù)合光柵增強(qiáng)的高頻量子點單光子源。

背景技術(shù)

單光子源不僅在量子信息處理、量子保密通訊、量子雷達(dá)和量子光學(xué)計算中舉足輕重，在微量吸收測量、超高靈敏磁場測量、生物熒光標(biāo)記與成像等領(lǐng)域也有重要應(yīng)用價值。在眾多單光子發(fā)射的產(chǎn)生方案中，基于量子點的單光子源相比其它單光子源在各方面都有著很大的優(yōu)越性，如具有譜線寬度窄、振子強(qiáng)度高、不會發(fā)生光褪色或閃爍、時間抖動小、重復(fù)頻率高、發(fā)射波段可覆蓋從紫外到紅外的各個波段、適于電泵浦等。通常，量子點發(fā)射單光子都是沒有方向性的，而且其在自由空間中的自發(fā)輻射效率低，造成重復(fù)頻率低。尤其對于Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料，有著強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化場，導(dǎo)致電子-空穴波函數(shù)分離（即量子限制斯塔克效應(yīng)），使其自發(fā)輻射過程受到抑制，重復(fù)頻率受到限制。而在大部分的量子技術(shù)應(yīng)用中，都要求單光子源必須具備GHz以上的高重復(fù)頻率。

為了提高單光子源的重復(fù)頻率和發(fā)射效率，獲得高品質(zhì)單光子源，可以將量子點放在微腔中，利用Purcell效應(yīng)，即微腔中量子發(fā)射體的自發(fā)輻射較處于自由空間中的自發(fā)輻射可以被極大地加強(qiáng)，從而利用微腔可以提高單光子發(fā)射的量子效率。對于電泵浦器件而言，微腔的存在可以極大地降低電注入的工作電壓，從而提高器件的穩(wěn)定性。通常是采用DBR微柱腔或光子晶體微腔或來獲得高品質(zhì)單光子源。然而，DBR微柱腔雖可以在垂直方向限制光，產(chǎn)生高Purcell因子，但是在平面方向則僅靠微柱側(cè)壁界面反射限制光，會產(chǎn)生明顯的光泄漏損失，形成非共振波長的光子發(fā)射通道，導(dǎo)致單光子源性能惡化；光子晶體微腔則可在二維乃至三維方向?qū)庾舆M(jìn)行限制，能進(jìn)一步改善量子點發(fā)光性能。例如公開號為CN1638218A，公開日為2005年7月13日的中國發(fā)明專利文獻(xiàn)，公開了一種用于單光子源的單量子點嵌埋光學(xué)微腔及制備方法，光學(xué)微腔包括：襯底，與襯底牢固結(jié)合的光學(xué)微腔，嵌埋在光學(xué)微腔中的單量子點。所說的光學(xué)微腔由光學(xué)膜系構(gòu)成，其膜系的帶通峰位與量子點的熒光峰位一致。其制備方法是將量子點的生長過程與光學(xué)微腔的制備過程分離開來，使其不再直接關(guān)聯(lián)，從而可實現(xiàn)兩個制備過程之間不再相互制約。但是，光子晶體微腔加工復(fù)雜，微腔和量子點位置對準(zhǔn)難度極大，而且在光子晶體結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)電泵浦單光子源極為困難，電極也會影響微腔的品質(zhì)因子。其它類型的微腔像微盤以及金屬等離激元微腔等也面臨類似的問題。這類微腔面臨的更大問題是，無論是介質(zhì)微腔還是金屬等離激元微腔通常均是基于共振特性，所產(chǎn)生的自發(fā)輻射增強(qiáng)都是在很窄的光譜范圍內(nèi)，要求量子點發(fā)光頻率與腔共振模式相匹配，這對工藝技術(shù)要求極為苛刻，而且不利于寬波段上的發(fā)射波長調(diào)控。目前實驗上還無法很好地在腔模最強(qiáng)處生長單量子點，觀察到的量子點-微腔系統(tǒng)還不能最大程度地發(fā)揮腔的耦合作用。