[发明专利]双曲超材料复合光栅增强的高频量子点单光子源

说明书

本发明公开了双曲超材料复合光栅增强的高频量子点单光子源，包括衬底、双曲超材料和量子点，双曲超材料的表面或内部有光栅微结构；双曲超材料是由介质薄膜和金属薄膜/介质薄膜和类金属薄膜交替形成一维周期性结构；量子点置于一维周期性结构内部或在双曲超材料的近场；本发明利用双曲超材料实现量子点宽带自发辐射增强，同时结合光栅的定向耦合输出特性提高光出射效率，大大提高量子点单光子源的光子产生速率和收集利用效率，可实现GHz以上的高频、高亮度、定向发射的量子点单光子源；同时兼容光泵浦和电泵浦两种激发方式，并适用于从紫外到红外各个波段；可广泛应用于量子信息、量子计算、量子成像、量子认证、量子精密测量相关领域。

技术领域

本发明涉及单光子源、超材料、微纳光子领域，具体是指一种双曲超材料复合光栅增强的高频量子点单光子源。

背景技术

单光子源不仅在量子信息处理、量子保密通讯、量子雷达和量子光学计算中举足轻重，在微量吸收测量、超高灵敏磁场测量、生物荧光标记与成像等领域也有重要应用价值。在众多单光子发射的产生方案中，基于量子点的单光子源相比其它单光子源在各方面都有着很大的优越性，如具有谱线宽度窄、振子强度高、不会发生光褪色或闪烁、时间抖动小、重复频率高、发射波段可覆盖从紫外到红外的各个波段、适于电泵浦等。通常，量子点发射单光子都是没有方向性的，而且其在自由空间中的自发辐射效率低，造成重复频率低。尤其对于Ⅲ族氮化物半导体材料，有着强的自发极化和压电极化场，导致电子-空穴波函数分离（即量子限制斯塔克效应），使其自发辐射过程受到抑制，重复频率受到限制。而在大部分的量子技术应用中，都要求单光子源必须具备GHz以上的高重复频率。

为了提高单光子源的重复频率和发射效率，获得高品质单光子源，可以将量子点放在微腔中，利用Purcell效应，即微腔中量子发射体的自发辐射较处于自由空间中的自发辐射可以被极大地加强，从而利用微腔可以提高单光子发射的量子效率。对于电泵浦器件而言，微腔的存在可以极大地降低电注入的工作电压，从而提高器件的稳定性。通常是采用DBR微柱腔或光子晶体微腔或来获得高品质单光子源。然而，DBR微柱腔虽可以在垂直方向限制光，产生高Purcell因子，但是在平面方向则仅靠微柱侧壁界面反射限制光，会产生明显的光泄漏损失，形成非共振波长的光子发射通道，导致单光子源性能恶化；光子晶体微腔则可在二维乃至三维方向对光子进行限制，能进一步改善量子点发光性能。例如公开号为CN1638218A，公开日为2005年7月13日的中国发明专利文献，公开了一种用于单光子源的单量子点嵌埋光学微腔及制备方法，光学微腔包括：衬底，与衬底牢固结合的光学微腔，嵌埋在光学微腔中的单量子点。所说的光学微腔由光学膜系构成，其膜系的带通峰位与量子点的荧光峰位一致。其制备方法是将量子点的生长过程与光学微腔的制备过程分离开来，使其不再直接关联，从而可实现两个制备过程之间不再相互制约。但是，光子晶体微腔加工复杂，微腔和量子点位置对准难度极大，而且在光子晶体结构上实现电泵浦单光子源极为困难，电极也会影响微腔的品质因子。其它类型的微腔像微盘以及金属等离激元微腔等也面临类似的问题。这类微腔面临的更大问题是，无论是介质微腔还是金属等离激元微腔通常均是基于共振特性，所产生的自发辐射增强都是在很窄的光谱范围内，要求量子点发光频率与腔共振模式相匹配，这对工艺技术要求极为苛刻，而且不利于宽波段上的发射波长调控。目前实验上还无法很好地在腔模最强处生长单量子点，观察到的量子点-微腔系统还不能最大程度地发挥腔的耦合作用。