[发明专利]使用滑移面对称波导的高效自旋光子接口

说明书

技术领域

本发明涉及包括平面波导和量子发射器的光学器件。

背景技术

日常计算机上的数据包括比特，比特是零和一的二进制序列。这些位(比特)可以磁性地存储在硬盘驱动器上或电存储在闪存驱动器上。在过去几十年中，使用量子比特或“量子位(qubit)”的量子信息处理已经成为计算的一种全新形式。与比特不同，单个量子位是量子力学对象，并且可以是零和一状态的组合或叠加。可以操纵和处理量子位以执行计算任务。

表示量子位的两种常见方式包括：使用带电粒子的量化角动量或自旋，例如，上自旋(spin up)＝0和下自旋(spin down)＝1，或通过使用光子，例如，无光子存在＝0，一个光子存在＝1。

已经提出半导体量子点(QD)是固定量子位的优良候选。它们的光跃迁的大的振子强度允许快速初始化、光学操纵和读出自旋状态。此外，这些发射器的固态性质使得可以在纳米长度尺度上构造其环境，因此允许通过制造光子晶体结构来工程设计它们的光子的光学状态局部密度(LDOS)。为了沿着某些方向引导光，这种光子晶体通常利用其中纳米结构关于引导区域镜像对称(或上下对称)设置的几何形态。然而，由于这种光子晶体波导的对称性，这些波导具有相对于引导区域为偶函数或奇函数的电场，并且由线偏振的电场主导。因此，具有圆偏振跃迁偶极矩的任何集成量子发射器或量子点的不同自旋状态不能有效地耦合到这种波导。

Adam Mock等人：“Space group theory and Fourier space analysis of two-dimensional photonic crystal waveguide”，Physical Review B，Vol.81，no.14公开了B型波导，其中，在引导区域的每一侧的光子晶体晶格在纵向方向上偏移了半个周期，由此拥有滑移面(glide plane)对称性。该B型波导用于减少通过该波导传播的线偏振光的平面外辐射损耗。

Peter Lodahl等人：“Interfacing single photon and single quantum dots with photonic nanostructures”，2013年12月4日，ArXiv，是本发明人团队的公开，其提供了具有在嵌入光子纳米结构中的单量子点中的激子的量子光学的综述。

总的来说，仍然存在允许对具有圆偏振跃迁偶极矩的量子发射器进行片上有效读出的波导的需求。

发明内容

本发明的目的是获得一种光学器件，其克服或改善现有技术的至少一个缺点或提供有用的替代方案。

根据本发明，这通过一种包括平面波导和量子发射器的光学器件获得，其中，该平面波导包括：

-具有第一侧和第二侧的纵向延伸的引导区域，

-设置在所述引导区域的第一侧的第一纳米结构，以及

-设置在所述引导区域的第二侧的第二纳米结构，其中，

-所述平面波导包括第一纵向区域，在该第一纵向区域中所述第一纳米结构和所述第二结构关于所述波导的所述引导区域基本上滑移面对称地设置，

-并且其中，所述量子发射器耦接到所述平面波导的所述第一区域。

具有关于引导区域的滑移面对称性的纳米结构的平面波导提供了如下的波导，其模式具有带有强的面内圆偏振的电场。该结构的模式可以耦合到跃迁偶极矩为圆偏振的量子点或任何集成的量子发射器的不同自旋状态。因此，本发明提供了一种光子纳米结构，其使得光子量子位能够非常有效地与自旋量子位相互作用，从而提供一种器件，其中具有高效率的量子发射器能够耦接到平面波导并被读出。应当注意的是，“圆偏振模式”不是传统意义上的圆偏振。就本发明和平面波导而言，电场矢量在发射器的位置处的结构的平面内是圆偏振的。

量子发射器可以包括圆偏振的光跃迁。因此，可以看出，量子发射器用作单光子发射器，其以圆偏振模式发射光子。已经发现这种跃迁非常有效地耦合到具有基本上滑移面对称的纳米结构的平面波导。

量子发射器可以设置在平面波导的引导区域上或嵌入在平面波导的引导区域中。量子发射器可以例如外延生长，例如通过分子束外延，或沉积。

应当注意的是，术语“纵向”并不意味着引导区域必须沿着直线设置。其意味着光总体上在波导的给定方向上传播。