微型單光子光源的製作方法
2023-04-27 13:30:21
專利名稱：微型單光子光源的製作方法
技術領域：
本發明涉及量子信息、單光子源，具體是指一種激發光源和量子點發光光源集成的靈巧的、可攜式微型單光子光源。
背景技術：
量子特性在信息領域中有著獨特的功能，在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測精度等方面可能突破現有經典信息系統的極限，於是便誕生了一門新的學科分支——量子信息科學。它是量子力學與信息科學相結合的產物，包括量子密碼、量子通信、量子計算和量子測量等，近年來，在理論和實驗上已經取得了重要突破，引起各國政府、科技界和信息產業界的高度重視。人們越來越堅信，量子信息科學為信息科學的發展開創了新的原理和方法，將在21世紀發揮出巨大潛力，而其中的量子密碼是量子信息科學中很重要的應用領域之一。由於量子密碼的安全性由量子力學原理所保證，被測量可感知和不可克隆性確保了量子密碼不會不留痕跡地被竊聽，因此是非常安全的。
然而，無論是量子密碼學還是量子計算，單光子光源都是必須解決的關鍵設備，是量子信息研究的重要熱點之一，也是必須攻克的難題。現在研究中所使用的單光子光源是將相干光脈衝衰減到平均每個脈衝只有0.1、0.2個光子，由於光子的泊松分布特徵，通過這樣的衰減途徑實現的單光子源中，單個脈衝中存在2個光子的機率依然不可忽略，所以這是一種近似的單光子源，其效率低，既影響量子密鑰的傳輸距離，又影響其安全性。因此研製真實的單光子源成為量子密碼研究的一個關鍵性問題。而且，目前這種單光子源還需帶有雷射器，使用起來不夠方便，只能在實驗室或相對固定的場合使用。
如果能夠將單光子光源的發光部分和激發光部分集成到一起，製成攜帶方便、操作簡單的固態微型化單光子源，則不僅可以大大降低成本，而且還可以在很大程度上普及單光子光源，使得單光子光源的使用就象目前光通訊中雷射二極體的使用那樣方便，可極大地拓寬其應用領域，促進量子密碼學甚至量子信息科學的研究與應用。
發明內容
針對上述單光子光源存在的一些問題，本發明提出一種發光部分採用量子點嵌埋的三維光學微腔結構，並將其與激發光源集成，通過三維光學微腔的選模作用實現單個光子輸出，成為攜帶方便、操作簡單的微型單光子光源。
本發明的單光子光源，包括激發光部分、發光部分和濾光片。激發光部分採用雷射二極體1，發光部分採用量子點嵌埋的三維光學微腔2。以雷射二極體的晶片作為襯底101，在襯底上置有通過鍍膜和刻蝕方法形成的量子點嵌埋的三維光學微腔2，微腔2上置有濾光片3。
所說的量子點嵌埋的三維光學微腔由微腔膜系201，嵌埋在微腔中的量子點202，靠近腔體四周刻有呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱203構成。空氣柱203的深度為微腔膜系201的厚度。
所說的微腔膜系201結構為(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m為微腔的下反射膜系2011，nL為微腔的諧振腔層2012，(HL)m為微腔的上反射膜系2013，L為低折射率膜層，H為高折射率膜層，m為L與H的交替疊層次數，m≥6，n為2的整數倍，n≥2，L和H膜層的厚度為λ0/4，λ0為量子點的螢光峰位。
所說的量子點202嵌埋在諧振腔層2012的中間。
所說的濾光片3是一塊單光子光可以透過的帶通濾光片，或者是短波截止濾光片，即保證單光子透過的同時將單光子波長以短波段的光都濾掉，以保證激發光不會透射出來對單光子源形成幹擾。
上述的微腔膜係為F-P諧振結構，在垂直方向上形成一維光子晶體，同時微腔膜系又與四周呈三角格子周期性分布的空氣柱形成二維光子晶體，整個結構構成一個三維光子晶體的光學微腔，當嵌埋在微腔中的量子點被雷射二極體激發時，由於三維光學微腔的選模作用，可以獲得性能優良的單光子輸出，形成單光子源。
本發明的優點在於1.由於微腔採用準三維光子晶體結構的設計，使其在各個方向上都有很好的限制能力，從原理上克服了傳統二維光子晶體微腔結構在垂直方向上漏光的缺陷，而且可以方便地從多個嵌埋量子點中優選出單個量子點發光，形成真實的單光子發光源。
2.將性能優良的單光子發光部分與相應的激發光部分集成到一起，使得整個單光子源變得非常緊湊、小巧、便攜，使用起來特別方便；而且外加濾光片的特殊設計，使得在單光子輸出的同時，激發光源發出的光不能透過濾光片輸出，避免了激發光源對單光子光源的幹擾。
圖1為本發明的微型單光子光源的結構示意圖；圖2為本發明的光學微腔的透射譜和所選雷射二極體的發光譜，其中實線為光學微腔的透射譜，虛線為雷射二極體的發光譜；
圖3實線為濾光片的透射譜，虛線為雷射二極體的發光譜。
具體實施例方式
下面以波長為585nm的單光子源為實施例結合附圖對本發明的具體實施方式
作詳細說明1.微腔膜系201的設計根據量子點的螢光峰位λ0＝585nm，採用常規的膜系設計方法設計出帶通峰位與該螢光峰位完全一致的光學微腔膜系，微腔膜係為(LH)114L(HL)11，其中H為高折射率Nb2O5膜層，L為低折射率SiO2膜層。所設計的光學微腔的透射譜如圖2中的實線所示，圖2中的虛線為雷射二極體的發光譜，在選擇雷射二極體時，應將其發光峰位λ激選擇在位於光學微腔膜系短波方向的高透射區域，以使激發光進入到諧振腔層，激發量子點發光。根據附圖本實施例選擇發光峰位為506nm的雷射二極體1晶片作為襯底101。
2.發光部分的製備A.採用常規的光學薄膜鍍制方法依次將膜系(LH)11，2L鍍制到雷射二極體晶片101上，然後中止鍍膜；B.將化學方法生長的濃度低於nmol/L的量子點溶液通過勻膠、噴塗、刷塗或浸蘸等手段塗敷到上述2L膜層上。待溶劑揮發後，再繼續依次將膜系2L和(HL)11鍍完，完成光學微腔膜系的鍍制，此時量子點202分散嵌埋在諧振腔層中間。
C.然後採用電子束光刻和誘導耦合等離子體刻蝕的方法在微腔膜繫上，靠近腔體四周刻蝕呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱203，形成量子點嵌埋的三維光學微腔2。
3.將一塊單光子可以透過，但激發光波段完全反射的濾光片3粘貼在三維光學微腔2上。濾光片3也可以是短波截止濾光片，即保證單光子透過的同時將單光子波長以短波段的光都濾掉，，以保證激發光不會透射出來對單光子源形成幹擾。
4.在襯底101上引出電極102，接上電源103和電源開關104，構成可控雷射二極體1，最終完成可攜式微型單光子光源的製作。
權利要求
1.一種微型單光子光源，包括激發光部分、發光部分和濾光片；其特徵在於激發光部分為雷射二極體(1)，發光部分為量子點嵌埋的三維光學微腔(2)；以雷射二極體的晶片作為襯底(101)，在襯底上置有通過鍍膜和刻蝕方法形成的量子點嵌埋的三維光學微腔(2)，在微腔(2)上置有和濾光片(3)；所說的量子點嵌埋的三維光學微腔(2)由微腔膜系(201)，嵌埋在微腔中的量子點(202)，靠近腔體四周刻有呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱(203)構成；空氣柱(203)的深度為微腔膜系(201)的厚度；所說的微腔膜系(201)結構為(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m為微腔的下反射膜系(2011)，nL為微腔的諧振腔層(2012)，(HL)m為微腔的上反射膜系(2013)，L為低折射率膜層，H為高折射率膜層，m為L與H的交替疊層次數，m≥6，n為2的整數倍，n≥2，L和H膜層的厚度為λ0/4，λ0為量子點的螢光峰位；所說的量子點(202)嵌埋在諧振腔層(2012)的中間；所說的濾光片(3)是一塊單光子可以透過的帶通濾光片，或者是短波截止濾光片。
全文摘要
本發明公開了一種激發光源和量子點發光光源集成的、靈巧的、可攜式微型單光子光源。激發光源為雷射二極體，發光光源為量子點嵌埋的三維光學微腔。以雷射二極體的晶片作為襯底，在襯底上依次排列量子點嵌埋的三維光學微腔和濾光片。三維光學微腔是由微腔膜系和膜系四周刻蝕呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱構成的。這種結構的優點是在微腔膜系的垂直方向上形成一維光子晶體，同時微腔膜系又與空氣柱形成二維光子晶體，整個結構構成一個三維光子晶體微腔，當嵌埋在微腔中的量子點被雷射二極體激發時，由於三維光學微腔的選模作用，可以獲得性能優良的單光子輸出，形成單光子源。
文檔編號H01S5/00GK1702926SQ20051002527
公開日2005年11月30日 申請日期2005年4月21日 優先權日2005年4月21日
發明者陸衛, 王少偉, 陳平平, 李寧, 張波, 李志鋒, 陳效雙 申請人:中國科學院上海技術物理研究所