[发明专利]一种基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件及其制备方法和应用。所述确定性量子光源器件由下至上依次为反射层金、SiO₂层和微透镜阵列；其中量子点在微透镜中。所述确定性量子光源器件中微透镜的底端圆截面直径为200nm～3μm，并以金作为反射镜，结合微透镜大大提高荧光提取效率与带宽，当NA=1时，荧光提取效率高达90%，带宽可达100nm；在电泵浦高速发射量子点单光子源以及与压电陶瓷键合产生高效率级联发射纠缠光子对等方面具有极大的潜在应用价值；在制备方法中，利用加热电子胶的方法实现金反射层上微透镜掩膜的制作，同时通过对荧光成像定位和高精度电子束曝光套刻实现单个量子点与GaAs微透镜的确定性耦合，方法灵活、简单，可大面积制备。

技术领域

本发明涉及半导体技术、量子计算和量子信息处理器件制作工艺技术领域，更具体地，涉及一种基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件及其制备方法和应用。

背景技术

光子，作为良好的信息载体，不仅被应用在经典光通信中，在量子信息领域里也发挥其独特的作用。单光子作为量子化的电磁场的基本单元，具有极化、动量、轨道角动量以及时间等自由度可以用来编码量子信息（量子比特）。同时，它与环境的相互作用十分微弱，能够长时间保持相干性质，保证其所携带的量子信息不丢失，非常适合进行远距离的信息传输。此外，虽然光子之间的相互作用很微弱，但是通过后选择测量的方法，可以实现基于光子的受控量子门操作，也可以把不同的光子纠缠起来，为线性光学量子计算提供重要的多光子纠缠资源。这些应用需要用到单光子源和纠缠光子源，它们是完全不同于任何经典光源的新型量子光源，对量子通信、量子计算和量子网络的实用化具有非常重要的意义。

被称为“人造原子”的半导体量子点是一种纳米结构材料，具有优秀的光学性质：寿命短、线宽接近辐射极限、发光性质稳定，通过改变量子点的生长材料和调控生长条件，可以获得不同波长的量子点荧光（700~1550nm）。单个量子点能够囚禁住电子和空穴，像单个原子一样形成分立的能级结构，产生单光子和纠缠光子对。目前，实验上已经在单个InAs量子点中实现了高品质的单光子按需产生，这种单光子源在单个共振π脉冲光触发下产生单个光子的概率接近于1，多光子出射概率接近于0，光子的不可分辨性大于 99%。此外，基于成熟的半导体生长和加工技术，容易实现量子点的大规模扩展与集成，制造具有实用性的量子点量子光源器件。

然而，量子点位于高折射率的半导体材料当中，大部分的出射荧光在材料和空气的交界面发生全反射而无法被有效地收集起来，通常块状结构中的量子点荧光的提取效率（被第一个透镜收集到的效率）不到0.1%，如此低的收集效率严重阻碍了实际应用。

法国巴黎-萨克雷大学的一个研究小组在高Q值（10000）的微柱微腔中实现了单个量子点的共振激发，光子的提取效率接近 65%。但是，高Q值的微腔带宽只有零点几个纳米，不仅对量子点的谱匹配有很高的要求，而且通常只能收集单条谱线，不适合纠缠光子对的产生。基于量子点的纠缠光子对是通过级联跃迁产生的，两个光子波长相差了几个纳米，窄带宽的高Q值微腔无法同时和这两个光子共振。此外，在非共振激发下，微柱微腔中量子点会再次捕获载流子，单光子的纯度会随着激发功率的增加而下降。纳米线量子点也被证明具有非常高的光子提取效率，提取效率可以达到 72%，但由于量子点非常接近纳米线表面，表面缺陷态中囚禁的电子的电场振荡会造成谱线的非均匀加宽，降低了光子的相干性，目前还无法通过共振激发的方式实现高品质的纳米线量子点单光子源。

理论模拟表明在下方有金反射层的量子点表面通过微纳加工技术制造出直径只有亚微米量级的透镜结构能够显著增强量子点荧光的发光方向性，用数值孔径为1的物镜收集时光子提取效率可以达到 90%以上，并且具有很高的带宽。而且在作为电泵浦单光子源背电极以及与压电陶瓷键合产生高效率纠缠光子对等方面具有潜在应用。

但是，目前尚未报道基于金反射层结合的可控制备的微透镜阵列，其难度在于金反射层上电子胶对比度太高，利用传统3D EBL曝光难以制备微透镜掩膜。

发明内容