[实用新型]高速率、定向发射的单光子源器件

说明书

技术领域

本实用新型涉及单光子源技术领域，特别是涉及一种高速率、定向发射的单光子源器件。

背景技术

量子信息科学是量子力学和信息科学技术结合的产物，包括量子密码、量子通信、量子计算、量子测量等，近年来，在理论和实验上都已经取得了重要突破。引起各国政府、科技界、信息界的高度关注。无论是量子通信还是量子计算，稳定的、高速率的单光子光源都是必须解决的关键设备，是现阶段量子信息研究的重要热点之一，也是必须攻克的难题。

单光子源是指在同一时刻仅仅发射一个光子的光源。现有技术中通常利用单个半导体量子点、单个荧光分子或者金刚石中的NV色心等纳米光源来产生单光子，其原理均是利用单个电偶极子的跃迁。由于电偶极子发射不具有明显的方向性，因此如何提高系统对此类纳米光源发射出来的光子的收集效率一直都是人们迫切需要解决的难题，同时这些单光子源发射光子时的发射速率较低，也限制了它们的实际应用。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在提供一种高速率、定向发射的单光子源器件，能够使单光子源所发射出的光子高速、定向传播。

为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，提供了一种高速率、定向发射的单光子源器件，包括：表面等离激元微腔结构，用于形成表面等离激元微腔；以及单光子源，设置在表面等离激元微腔内；表面等离激元微腔结构包括一维金属纳米波导。

进一步地，表面等离激元微腔结构还包括一金属纳米颗粒；金属纳米颗粒邻近一维金属纳米波导设置并与一维金属纳米波导形成所述表面等离激元微腔。

进一步地，金属纳米颗粒设置在一维金属纳米波导的侧面。

进一步地，金属纳米颗粒与一维金属纳米波导的垂直距离为d，其中0＜d≤100nm。

进一步地，一维金属纳米波导为纳米线或纳米沟槽。

进一步地，一维金属纳米波导的横截面为圆形、椭圆形、矩形、V形或Λ形。

进一步地，一维金属纳米波导的横截面为圆形，一维金属纳米波导的横截面直径为10～500nm。

进一步地，形成一维金属纳米波导和/或金属纳米颗粒的材料选自金、银、铂、铜和铝中的一种或多种。

进一步地，金属纳米颗粒的形状为纳米棒、纳米球、纳米三角板或纳米立方体。

进一步地，单光子源为单个原子、荧光分子、半导体量子点或金刚石色心。

应用本实用新型的技术方案，该单光子源器件由于具有一维金属纳米波导形成的表面等离激元微腔结构，通过将单光子源置于表面等离激元微腔结构所形成的表面等离激元微腔内，通过表面等离激元微腔与单光子源的相互作用，可以将单光子源所发射出的一部分单光子转化为沿着一维金属纳米波导传导的表面等离激元，并最终在一维金属纳米波导的端部散射形成定向传播的单光子束流。采用本实用新型所提供的单光子源器件，不仅实现了单光子的定向发射，提高了光子的收集效率，同时由于表面等离激元的近场增强效应可以极大地增强单光子源感受到的电磁场强度，使得单光子源的单光子发射速率得到了明显提高，解决了现有技术中由于单光子源发射速率较低实际应用受到限制的问题。

根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为根据本实用新型一种典型实施例的金属纳米线-金属纳米球结构的单光子源器件的使用状态示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中的单光子源发射时由于发射的光子方向定不强使得光子的收集效率较低以及由于光子的发射速率较低使其应用受到限制的问题，本实用新型提出了一种单光子源器件。如图1所示，本实用新型所提供的单光子源器件包括表面等离激元微腔结构以及单光子源。其中，表面等离激元微腔结构用于形成表面等离激元微腔，单光子源设置在表面等离激元微腔内。表面等离激元微腔结构包括一维金属纳米波导。本实用新型的目的在于提供一种含有一维金属纳米波导30的微腔结构，以实现单光子源产生的单光子转化为纳米波导端头定向发射的高速率单光子束流。

在工作时，由于表面等离激元微腔与单光子源的相互作用，单光子源发出的光子的至少一部分转化为沿着一维金属纳米波导传导的表面等离激元，表面等离激元传导至一维金属纳米波导的端部处时被散射成从一维金属纳米波导发射的单光子束流。