CN106199856A - 单光子源器件光纤阵列耦合输出装置、耦合系统及方法 - Google Patents

单光子源器件光纤阵列耦合输出装置、耦合系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种单光子源器件光纤阵列耦合输出装置、耦合系统及方法，该单光子源器件光纤阵列耦合输出装置包括：单光子源器件样片，具有多个单光子源单元，所述单光子源单元能够发射单光子；光纤阵列，包括多根光纤，耦合至所述单光子源器件样片的上表面，其中光纤阵列中的一根或多根光纤与所述单光子源单元耦合。该单光子源器件光纤阵列耦合输出装置制作简单、方便、可靠。

Description

单光子源器件光纤阵列耦合输出装置、耦合系统及方法
技术领域
本发明涉及半导体光源领域，具体涉及单光子源器件光纤阵列耦合输出装置、耦合系统及方法。
背景技术
单光子源应用的一个重要前提就是与光纤的耦合输出，其中垂直耦合出射结构由于其可阵列化、便于工业化生产、操作相对简单等优点而得到普遍的应用。传统的光纤耦合技术包括在材料上刻蚀V型槽后与光纤耦合、光纤锥与光波导的耦合以及开放式外腔技术等，但是这些技术都存在工艺复杂、对准困难、适用范围有限等不同的局限性。尤其对于量子点单光子源器件与光纤的耦合输出，由于单光子源的自组织量子点的尺寸在纳米量级，器件尺寸在微米量级，为隔离单个单光子源单元的单光子输出对单光子源器件与光纤的对准精度提出了更高的要求，传统的耦合方式很难发挥作用。如何准确且便捷地实现光纤与单光子源器件的耦合输出，是单光子源走向实用化的关键一步。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种单光子源器件光纤阵列耦合输出装置、耦合系统及方法。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种单光子源器件光纤阵列耦合输出装置。该单光子源器件光纤阵列耦合输出装置包括：单光子源器件样片，具有多个单光子源单元，所述单光子源单元能够发射单光子；光纤阵列，包括多根光纤，耦合至所述单光子源器件样片的上表面，其中光纤阵列中的一根或多根光纤与所述单光子源单元耦合。
根据本发明的另一方面，提供一种用于制作单光子源器件光纤阵列耦合输出装置的耦合系统，包括：制冷平台，用于固定及冷却单光子源器件样片；六维位移平台，通过夹具固定光纤阵列，用于移动光纤阵列；激光器，用于产生激发光，激发单光子源器件样片中的单光子源单元；光谱仪探测器，用于探测所述单光子源单元产生的单光子信号；波分复用器，连接所述激光器、光谱仪探测器和光纤阵列，将所述激光器的激发光传输至光纤阵列，将所述光纤阵列接收的单光子信号传输给光谱仪。
根据本发明的另一方面，提供一种制作单光子源器件光纤阵列耦合输出装置的方法，包括：将单光子源器件样片固定于制冷平台上，光纤阵列的光纤阵列端面与样片平行设置且位于样片上方；将光纤阵列的光纤阵列端面抵近并对准单光子源器件样片表面；在水平面上移动光纤阵列，对单光子源器件样片表面实施扫描，通过探测单光子信号确定单光子源单元位置；耦合光纤阵列于单光子源器件样片的上述单光子源单元位置。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)采用光纤阵列耦合至单光子源器件样片的单光子源单元上，相比于单根光纤垂直耦合操作更为便捷，无需通过显微镜观察来精确控制光纤端面抵近样片且固化过程也更易操作；
(2)单光子源器件样片上设置微柱结构，通过Purcell效应进一步提高单光子源单元的单光子的出射速率。
(3)采用光纤阵列与单光子源器件的微柱阵列耦合，光纤纤芯直径略小于微柱结构间距，实现每个光纤内芯处有且仅有一个微柱结构，操作便捷可靠，并且采用排式光纤阵列进行耦合相比于单根光纤更具有稳定性强、技术操作简单可靠等优点；
(4)采用六维位移平台调节光纤端位置，实现光纤端面在微柱结构上的精确扫描并且可实现原位对准(即测试到单光子信号输出位置点可原位对准)。
附图说明
图1为本发明实施例单光子源器件光纤阵列耦合输出装置的示意图；
图2为制作图1中单光子源器件光纤阵列耦合输出装置应用的耦合系统示意图；
图3为制作图1中单光子源器件光纤阵列耦合输出装置的方法流程图。
【主要元件】
1-微柱结构； 2-光纤阵列； 3-光纤阵列端面；
4-光纤； 5-制冷平台； 6-六维位移平台；
7-激光器； 8-光谱仪； 9-波分复用器；
10-夹具。
具体实施方式
在描述问题的解决方案之前，先定义一些特定词汇的定义是有帮助的。本发明中的X方向为水平左右方向，Y方向为水平前后方向，Z方向为竖直方向，XY平面为水平平面。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种单光子源器件光纤阵列耦合输出装置，如图1所示，单光子源器件样片，具有多个单光子源单元，光纤阵列2，由多根光纤4排布而成，耦合至所述单光子源器件样片的上表面，光纤阵列2中的一根或多根光纤4与所述单光子源单元耦合。
本发明实施例中的单光子源器件光纤阵列耦合输出装置采用光纤阵列实现单光子源器件与光纤的垂直耦合输出。单光子源器件为具有微柱结构的单光子源器件。如附图1所示，单光子源器件包括多个阵列排布的微柱结构1，相邻微柱结构1之间的距离为10μm～50μm，优选为10μm，直径为1～5μm，优选为2μm，微柱结构1均包括由下至上依次生长的下DBR(Distributed Bragg Reflector)层、有源区以及上DBR层，下DBR层、有源区以及上DBR层形成共振腔，有源区为自组织梯度生长的In(Ga)As/GaAs量子点，只有有源区存在量子点稀点的微柱结构1才可以发射单光子，作为单光子源单元，微柱结构1通过半导体工艺在形成有依次生长有下DBR(Distributed Bragg Reflector)层、有源区以及上DBR层的单光子源器件样片上刻蚀而成，微柱结构1通过Purcell效应进一步提高单光子的出射速率。
光纤阵列2由多根光纤4阵列排布而成，光纤阵列端面3尺寸优选为3mm×2.5mm，并且经磨平处理，光纤选用普通的单模光纤，光纤4的直径为125μm，内芯直径为9μm，略小于相邻微柱结构1之间的距离，可保证每个光纤内芯处有且仅有一个微柱结构，且相邻微柱结构1之间的合适距离可以对光纤阵列形成有效的支撑。
本实施例还提供了一种制作上述单光子源器件光纤阵列耦合输出装置的耦合系统，如图2所示，其中，制冷平台5，用于固定单光子源器件样片，并保持固定单光子源器件样片处于低温，可以通过倒入液氮使单光子源器件样片处于低温，优选77K。
六维位移平台6，通过夹具固定光纤阵列2，并在X、Y、Z三个方向上移动光纤阵列2。激光器7，用于产生激发光，来激发单光子源器件样片中的单光子源单元。光谱仪探测器8，用于探测单光子源单元产生的单光子信号。
波分复用器9(Wavelength Division Multiplexing，WDM)，连接激光器7、光谱仪探测器8和光纤阵列2，将激光器7的激发光传输给光纤阵列2中，将光纤阵列2接收的单光子信号传输给光谱仪8。
本发明实施例还提供了一种利用上述耦合系统制作单光子源器件光纤阵列耦合输出装置的方法。采用激光器7发射激发光通过波分复用器9经光纤阵列2激发单光子源器件样片上的微柱结构1，若微柱结构1为单光子源单元，则受激发光激发产生单光子，反向经过光纤阵列2及波分复用器9，由光谱仪探测器8收集，通过六维位置平台带动光纤阵列在样片的微柱结构1上移动，并通过光谱仪探测器8实时探测单光子来寻找微柱结构1中的单光子源单元，确定单光子源单元位置而后通过紫外胶固化原位将光线阵列2耦合至单光子源单元形成单光子源光纤输出器件。
其中光纤阵列2中一根光纤或根光纤用于传输激发光和单光子信号，优选用一根光纤来传递传输激发光和单光子。
具体的，制作单光子源器件光纤阵列耦合输出装置的方法包括以下步骤，如图3所示：
步骤A：在量子点单光子源器件样片上刻蚀出阵列排布的微柱结构1。
具体的，在GaAs(SI)衬底上依次生长的下DBR(Distributed Bragg Reflector)层、有源区以及上DBR层，下DBR层、有源区以及上DBR层形成共振腔，有源区为自组织梯度生长的In(Ga)As/GaAs量子点，形成样片，利用电子束曝光和干法刻蚀等工艺流程在样片上刻蚀出阵列排布的微柱结构1，相邻两微柱结构1之间的距离为10μm，周期性排列的微柱结构对后述的光纤阵列端面3也有支撑作用。
步骤B：将单光子源器件样片固定于制冷平台5上，光纤阵列2的光纤阵列端面3与样片平行设置且位于样片上方。
具体的，光纤阵列2由多根光纤4阵列排布而成，光纤阵列端面3尺寸优选为3mm×2.5mm，并且经磨平处理，利于提高单光子的收集效率，光纤4的直径为，优选为125μm，内芯直径略小于邻微柱结构1之间的距离，为9μm，保证每个光纤内芯处有且仅有一个微柱。
样片固定于制冷平台5上，制冷平台5用于降低样片温度，在温度优选为77K温度下可通过光谱仪8观测量子点的光谱信号，光纤阵列2由夹具10固定，夹具10的具体位置由六维位移平台6控制，将光纤阵列2通过夹具固定于样片正上方，调节六维位移平台6使得光纤阵列端面3与样片平行。
步骤C：将光纤阵列2的光纤阵列端面3抵近并对准单光子源器件样片的微柱结构1；
具体的，将光纤阵列2通过夹具10固定并将光纤阵列3端面抵近并对准测试样片的微柱结构1后，激光器7发射激发光，经波分复用器9及光纤阵列2激发与光纤阵列2相对准的微柱结构1，若微柱结构1为单光子源单元，则受激发光激发产生单光子，反向经过光纤阵列2及波分复用器9，由光谱仪探测器8探测到单光子信号，若微柱结构1不是单光子源单元，则光谱仪探测器8探测不到单光子信号；
步骤D：移动光纤阵列2，对微柱结构1实施扫描，确定单光子源单元位置。
通过六维位移平台6来调节光纤阵列端面3的位置来对样片上微柱结构1在XY平面内实施扫描，并实时观测光谱仪探测器8是否探测的单光子信号，若探测到单光子信号，则停止扫描，保持光纤阵列端面3的位置不动。
步骤E：耦合光纤阵列2与单光子源器件样片。
具体的，通过六维位移平台6将光纤阵列2在Z轴方向上抬高，在相应的样片区域涂覆紫外胶，通过六维位移平台6将光纤阵列2在Z轴方向上降低，使得光纤阵列端面3紧密抵近样片，采用紫外灯照射固化固定，实现单光子源器件的光纤耦合输出。
尽管本发明实施例仅给出了单光子源与光纤的耦合输出，本发明还可用于垂直发射器件如垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)的光纤耦合，具有广泛的应用前景。
应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
例如：
(1)具有微柱结构的单光子源器件可以用不刻蚀微柱仅含有上下DBR共振腔的量子点样片来替代，可以省略步骤A；
(2)具有微柱结构的单光子源器件还可以用VCSEL这种面发射的器件来替代形成耦合输出装置；
(3)具有微柱结构的单光子源器件还可以用含氮空位色心的金刚石纳米晶体来替代形成耦合输出装置。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单光子源器件光纤阵列耦合输出装置，其特征在于，包括：
单光子源器件样片，具有多个单光子源单元，所述单光子源单元能够发射单光子；
光纤阵列(2)，包括多根光纤(4)，耦合至所述单光子源器件样片的上表面，其中光纤阵列(2)中的一根或多根光纤(4)与所述单光子源单元耦合。
2.根据权利要求1所述的单光子源器件光纤阵列耦合输出装置，其特征在于，所述单光子源器件样片具有多个微柱结构(1)，光纤阵列(2)中的一根或多根光纤与作为单光子源单元的微柱结构(1)耦合。
3.根据权利要求2所述的单光子源器件光纤阵列耦合输出装置，其特征在于，所述光纤阵列(2)中光纤的直径略小于所述微柱结构(1)间距。
4.根据权利要求2所述的单光子源器件光纤阵列耦合输出装置，其特征在于，所述光纤阵列(2)中光纤的直径为9μm，所述微柱结构(1)间距为10μm。
5.一种用于制作权利要求1至4中任一所述的单光子源器件光纤阵列耦合输出装置的耦合系统，其特征在于，包括：
制冷平台(5)，用于固定及冷却单光子源器件样片；
六维位移平台(6)，通过夹具(10)固定光纤阵列(2)，用于移动光纤阵列(2)；
激光器(7)，用于产生激发光，激发单光子源器件样片中的单光子源单元；
光谱仪探测器(8)，用于探测所述单光子源单元产生的单光子信号；
波分复用器(9)，连接所述激光器(7)、光谱仪探测器(8)和光纤阵列(2)，将所述激光器(7)的激发光传输至光纤阵列(2)，将所述光纤阵列(2)接收的单光子信号传输给光谱仪(8)。
6.根据权利要求5所述的耦合系统，其特征在于，所述光纤阵列(2)中仅一根光纤(4)用于传输激发光和单光子信号。
7.一种制作权利要求1至4中任一所述的单光子源器件光纤阵列耦合输出装置的方法，其特征在于，包括：
步骤B：将单光子源器件样片固定于制冷平台(5)上，光纤阵列(2)的光纤阵列端面(3)与样片平行设置且位于样片上方；
步骤C：将光纤阵列(2)的光纤阵列端面(3)抵近并对准单光子源器件样片表面；
步骤D：在水平面上移动光纤阵列(2)，对单光子源器件样片表面实施扫描，通过探测单光子信号确定单光子源单元位置；
步骤E：耦合光纤阵列(2)于单光子源器件样片的上述单光子源单元位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述单光子源器件样片具有多个微柱结构(1)，所述步骤B之前还包括：步骤A：在单光子源器件样片上刻蚀出多个微柱结构(1)。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述步骤E包括：
步骤E1：将光纤阵列(2)在竖直方向上升高；
步骤E2：在所述单光子源单元位置涂覆紫外胶；
步骤E3：将光线阵列(2)在竖直方向上下降抵，光纤阵列端面(3)抵接单光子源器件样片，采用紫外光照射固化。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述光纤阵列端面(3)经磨平处理，用于提高单光子信号的收集效率。
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