CN110945395B - 相干单光子源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及提供具有高不可区分度的光子的相干单光子源。基于纳米光子结构中的QD的单光子源的缺点是，即使在低温下，声振动也与QD相互作用以降低发射光谱的相干性。本发明利用纳米结构的机械夹持来阻尼振动，从而导致相继发射的光子之间较弱的QD‑声子耦合和较高的不可区分度。所述夹具机械地连接到所述光子纳米结构的长度并且具有足以抑制所述夹具与所述纳米结构的组合结构中的低频振动(ω≤10GHz)的刚度和尺寸。

Description

相干单光子源
技术领域
本发明涉及单光子源，特别是提供具有高不可区分度的光子的相干单光子源。
背景技术
相干单光子源在量子信息应用中特别受关注，其中光子是量子信息的一种有前景的载体。这里，发射的光子的高不可区分度是基本要求。
量子点(QD)代表了用于通过将QD嵌入光子纳米结构中而有效且高速率地产生单光子的有前景的系统。为了获得高度相干的单光子，需要消除由波导的随机热运动诱导的消相干过程。随后，所产生的相干光子从光子纳米结构被耦合出以用于应用。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可以以受控方式产生、捕获和传输光子同时保持高不可区分度的相干单光子源。
本发明的另一个目的是提供一种既具有从单光子发射器到光子纳米结构的高耦合率又具有在随后发射的光子之间的高不可区分性的相干单光子源。
给出以下对现有技术装置的问题和缺点的描述以解释本发明的创造性特征、它们背后的机制和它们的优点。该描述包含来自发明人的与本发明的构思相关的实现和洞悉，并且不应当在事后回溯分析中用于推导本发明。
某类现有技术的有效单光子源是纳米光子波导中的QD，参见例如Arcari等人Near-Unity Coupling Efficiency of a Quantum Emitter to a Photonic CrystalWaveguide,Physical Review Letters 113,093603(2014)。在这项工作中没有实现单光子的不可区分性。这里，引入了从QD到波导模的耦合的以下记法：
β＝Γwg/(Γwg+Γrad+Γnr)，
其给出QD中的单个激子通过向波导模发射单光子而重组的概率。Γwg和Γrad是QD衰变为导模或非导辐射模的速率，而Γnr表示QD的固有非辐射衰变率。该记法也将在本说明书中使用。所报道的从QD到波导的近完全耦合效率(高于98.4％)要求波导是单模，并且从QD到辐射模的耦合被强烈抑制。这意味着使用悬浮或自立式纳米光子波导以最大化到周围介质的折射率阶跃。需要高耦合效率来获得有效的单光子源，即，该源将产生并传输接近QD被激发次数的100％的单光子。
与从QD产生单光子相关的重要的退相机制是波动的静电环境和核自旋场，但是这些过程可以被强烈地抑制而且如此缓慢以至于它们通常不影响在短时间标度(最高至毫秒)内发射的光子的不可区分性。剩余的和最重要的消相干过程是波导的晶格(声子)的声振动，已知其是温度相关的，但是一直缺乏对它们对光子相干性的影响的定量了解。现有模型仅适用于嵌入在均匀介质中的QD，但是用于单光子源的光子纳米结构不是均匀的并因此也构成不均匀的声环境。后者对光子相干性的影响很大程度上是未知的。因此，基于纳米光子结构中QD的单光子源的一个缺点是，即使在低温下(几开尔文)，声振动也与QD相互作用以降低发射光谱的相干性。
通过使用与QD相互作用较弱的振动模式的较大波导可以改善这样的源的相干性。然而，这将是不利的，因为波导将不再是单模的，由此向一个所需模式的耦合效率受到损害。
本发明的主旨是在光子纳米结构中使用QD，它提供据所报道的从QD到纳米结构的高耦合效率，并使用对纳米结构的夹持来阻尼振动，从而导致较弱的QD-声子耦合和相继发射的光子之间更高的不可区分度。
第一方面，本发明提供一种具有波长λ的相干单光子源，其包含细长的半导体光子纳米结构和位于所述光子纳米结构内的自组装量子点，其中所述光子纳米结构具有小于2μm2的横截面积。所述单光子源进一步包含由透明的并在波长λ处具有小于2的折射率的材料形成的细长夹具，其中所述夹具机械地连接到所述光子纳米结构的长度并且具有足以抑制所述夹具与所述纳米结构的组合结构中的低频振动(ω≤10GHz)的刚度和尺寸。
类似地，第二方面，本发明提供一种改善单光子源的不可区分性的方法，所述单光子源具有细长的半导体光子纳米结构和位于所述光子纳米结构内的自组装量子点，其中所述光子纳米结构具有小于2μm2的横截面积，所述方法包含以下步骤：
-激发量子点以发射光子；和
-用由透明的并在波长λ处具有小于2的折射率的夹持材料形成的夹具来增加相继发射到所述光子纳米结构中的光子的不可区分性，所述夹具机械地连接到所述光子纳米结构的长度并且具有足以抑制所述夹具与所述纳米结构的组合结构中的低频振动(ω≤10GHz)的刚度和尺寸。
用另一种材料夹持纳米结构可以用于阻尼振动并由此增加不可区分性。但是，这样的夹持材料即使当其具有低折射率时也意味着较低的折射率阶跃和由此增加的辐射损失Γrad和较低的耦合效率β。然而，结果是耦合效率的降低小而光子不可区分性的改善大，从而可以设计既有效又相干的单光子源。
所述量子点是自组装量子点，优选由砷化铟嵌入砷化镓制成。
QD位于光子纳米结构内，在本说明书中，光子纳米结构可以是具有小于2μm2如小于1.5μm2或优选小于1μm2的横截面积a的空腔或波导。Lodahl等人,Interfacing singlephotons and single quantum dots with photonic nanostructures,Reviews ofModern Physics 87,347(2015),第III章给出了本领域常用的且可用于本发明实施方案的各种光子纳米结构的全面描述。
所述光子纳米结构是针对发射的光子的波长的单模纳米光子波导或纳米光子空腔。在一个优选实施方案中，所述光子纳米结构是在波长λ处为单模的纳米光子波导。优选地，单模纳米光子波导由波导的横截面积a限定，a满足条件：a＜0.07*λ2，对应于圆形纳米结构的小于0.3λ的直径。这里，λ是发射的光子的中心自由空间波长。这确保了波导是单模的，这再次增加向所需模式的耦合效率。在另一个优选实施方案中，所述光子纳米结构是纳米光子空腔。优选地，纳米光子空腔被定义为具有模体积V<10*(λ/n)3，其中n是保持QD的材料的折射率，并且品质因数Q>500。
所述夹具通过增加光子纳米结构和夹具的组合结构的体积来阻尼光子纳米结构中的声(低频，ω≤10GHz)振动。振动的阻尼导致在T＝1.6K时至少99％的所产生光子的更高的不可区分性。
在一个优选实施方案中，调节夹具的刚度和尺寸以提供来自源的发射的光子之间的至少97％或至少98％，如优选至少99％的光子不可区分性。
夹具和/或组合结构的振动特性主要由夹持材料(特别是其刚度)和夹具的几何形状(即，其尺寸和围绕纳米结构的布局)确定。不能获得要获得给定的不可区分性所需的刚度和尺寸的解析表达式。相反，使用优选的材料和几何形状进行模拟以达到提供所需不可区分性的设计。下表1总结了计算机模拟的结果，所述模拟寻找导致在1.6K的温度下99％的不可区分性的组合结构横截面积A。所述模拟使用与图1B的几何模型类似的几何模型。使用GaAs波导对四种优选的夹持材料BCB、SU8、SiO2和Si3Ni4进行模拟。选择这四种是因为它们具有不同范围内的杨氏模量，因此代表了宽范围的可能材料。由于夹持材料和波导具有由它们的不同杨氏模量表示的不同刚度，在表中也有加权平均杨氏模量。带着找到指示所需夹具刚度和尺寸的单个关键参数的目标测试了几种表达式，其中一些在表的底行列出。
Figure BDA0002373413540000041
Figure BDA0002373413540000051
表1
由于没有发现指示夹具所需刚度和尺寸的单个关键参数，本发明的特征可以在于，纳米结构材料和夹持材料的平均杨氏模量Eav和组合结构的横截面积A可根据下式选择：
对于
Figure BDA0002373413540000052
3GPa[，A≥10.5μm2；
对于
Figure BDA0002373413540000053
5.5GPa[，A≥7μm2；
对于
Figure BDA0002373413540000054
70GPa[，A≥1μm2；
对于Eav≥70GPa，A≥0.5μm2。
对于给定的光子纳米结构和夹持材料，这些关系给出了实现高光子不可区分性所需的组合结构的最小横截面积(并且因此也给出了夹具的尺寸)。类似地，对于夹具的所需尺寸，所述关系指定了实现高光子不可区分性所需的夹持材料的刚度(由杨氏模量表示)。导出这些关系的模拟将光子不可区分性设置为99％。根据本发明的单光子源的早期物理原型的制造在进行之中。在第一原型装置中，我们期望在T＝1.6K下达到99％的不可区分性，当优化装置设计时，我们期望扩展到T＝4K的升高的温度。
夹具机械地连接到光子纳米结构的长度。这是指QD所位于其中并且其中振动与QD的激子相互作用的纳米结构的区段的长度。如本领域技术人员所良好理解的，在纳米结构非常长或者由具有不同功能的若干区段组成的实施方案中，纳米结构的离QD非常远的区段不需要机械地连接到夹具，因为这些区段中的振动将不影响QD。
下面，将总结多个优选的和/或可选的特征、元件、实施例和实施方式。关于一个实施方案或方面描述的特征或元件可以在适用时与其它实施方案或方面组合或应用于其它实施方案或方面。例如，与透镜组件相关应用的结构和功能特征也用作与方法相关的特征，反之亦然。
波长λ优选位于区间400-1600nm(对于n＝1、真空的值)内。
光子纳米结构形成于半导体材料中，如优选GaAs或AlGaAs或InP。
还选择了已经提到的四种优选的夹持材料，这基于它们适用于微制造工艺。其他可能的材料可以是光刻胶或其他环氧树脂。
为了不诱导过高的辐射损失，夹持材料应该具有比纳米结构的材料低的折射率。优选地，所述夹持材料在波长λ处的折射率在区间1-2中，如优选1.4-1.7。
材料的密度通常遵循其刚度——密度越高，杨氏模量越高。尽管如此，此经验法则有变化。优选的是，夹持材料在具有如上所定义的高杨氏模量的同时具有低密度，如低于3500kg/m3或优选低于2500kg/m3。
对于给定的纳米结构，优选夹持材料的高泊松比，如高于0.15或优选高于0.3或甚至高于0.4或优选0.5，以使得当结构应变时QD不改变纳米结构内部的体积。
夹具的几何形状在很大程度上由光子纳米结构的类型和材料以及兼容的微制造技术确定。在一个优选实施方案中，所述夹具在横向方向上至少部分地围绕所述光子纳米结构。由此，意味着夹持材料在纳米结构的至少三个侧面上或在纳米结构的至少三个横向方向上具有相当大的厚度。在另一个优选实施方案中，所述光子纳米结构在横向方向上嵌入所述夹具中。由此，意味着夹持材料在纳米结构的所有侧面上或所有方向上具有相当大的厚度。图1A-J中示出了一组非穷尽的示例性几何形状，其示出了光子纳米结构(深灰)和夹具(浅灰)的截面图。
用于单光子源的现有技术光子纳米结构从支撑结构即晶片或芯片悬浮或自立在其上。优选将本发明中使用的光子纳米结构悬浮或自立直到添加夹具。在一个优选实施方案中，夹具在原本悬浮或自立的光子纳米结构和支撑结构之间形成附加机械连接。这样的附加机械连接提供进一步抑制纳米结构中的声振动的优点。当形成这样的附加机械连接时，应当注意保持纳米结构和支撑结构之间的距离如此大以至于夹具的添加不能实现从纳米结构到支撑结构的辐射的倏逝耦合。
在上述中，从使用图1B的几何形状的模拟结果中导出获得99％不可区分性所需的平均杨氏模量Eav和横截面积A之间的关系。图1中所示的其它几何形状预期提供比模拟中使用的1B更好的振动阻尼。如前所述，可以优选纳米结构嵌入夹具中，如以几何形状1C、1E、1F和1G嵌入，因为这些有望提供对声振动的更大抑制。因此预期这些几何形状的模拟将产生较窄的Eav和A之间的关系，即，位于图1B的几何形状的关系之内。应注意，对于商业用途的实施，阻尼振动的性能不是唯一要考虑的参数；当评估最佳实施方式时，其他如制造的容易性、机械稳定性、价格、与其他组件的兼容性等也起作用。
图1H、1I和1J的特别之处在于它们示出了作为光子晶体膜中的缺陷区域的纳米结构。光子晶体纳米结构是有利的，因为它们在面内方向上提供几乎完美的限制，因为面内振动分量通过结构的增加的尺寸而自然受阻尼。此外，它们更容易夹持而不降低耦合效率，因为夹持材料可以沉积在膜的与波导结构分离的一侧上。
因此，在一个优选实施方案中，光子纳米结构是光子晶体膜中的缺陷区域，并且夹具包含夹住光子晶体膜的两层夹持材料。
本发明的主要目的是产生光子并将其以高效率和不可区分性耦合到纳米结构。第二个目标是将光子传输到其它器件，同时保持高效率(即，不损失许多光子)和不可区分性。因此，所述相干单光子源优选进一步包含用于耦合出由光子纳米结构中的量子点发射的光子的装置。在一个优选实施方案中，所述用于耦合出光子的装置是单模纳米光子波导段，所述单模纳米光子波导段是光子纳米结构的延伸并且沿着其长度机械地连接到夹具并且在横向方向上至少部分地以被夹具包围，所述波导段在远离纳米结构的方向上逐渐变细以在夹具中将光子从单模倏逝地耦合到导模。
QD可以通过电子或光脉冲激发，这些在现有技术中被很好地描述。在一个优选实施方案中，所述单光子源进一步包含用于耦合入光子以激发光子纳米结构中的QD的装置。
附图说明
图1A-J示出了光子纳米结构和夹具的示例性横截面几何形状。
图2是示出了对于波导内QD的不同位置，作为夹具的厚度的函数或没有夹具时的模拟光子失真度(光子可区分性的量度)的曲线图。夹持材料示例性地被选为SU8。
图3是示出光子纳米结构和支撑结构上的夹具的形成的横截面图。
图4A-C示出了根据本发明实施方案的不同输出耦合装置的俯视图，其中蚀刻不足的部分为黑色。
具体实施方式
图1A-J中示出了多个不同的示例性几何形状的横截面图，其中深灰色区是纳米结构1并且浅灰色是夹具2。这些仅示出了纳米结构夹具的几何形状，并且适用于如下所述的大量不同的纳米结构。
本发明中使用的光子纳米结构可以是纳米光子空腔或纳米光子波导。可用于本发明的典型的光子纳米结构例如是：
-微柱空腔，其中在柱的中心上方和下方的布拉格堆叠将光限制到保持QD的中心区域，或保持QD的光子纳米线。在现有技术器件中，柱或线自立以最大化来自QD的耦合效率，并且从结构中垂直地耦合出光子。在根据本发明的一个实施方案中，夹持材料将形成在柱/线周围以至少部分地围绕它。
-在膜中实现的光子晶体空腔或波导，其中光子带隙将光(在面内维度上)局限在保持QD的缺陷区域中。在现有技术中，保持QD的光子晶体膜被悬浮以最大化折射率阶跃并由此最大化面外限制。在本发明中，光子晶体膜将由夹具支撑或者夹在两个夹具层之间。图1H、1I和1J示出了这样的光子晶体膜，其中深灰色区具有打孔晶体区域和中心缺陷区域。
-纳米梁空腔或波导，其中窄膜提供两个横向维度上的限制。在空腔的情况下，纵向限制可以由梁中的1D布拉格光栅提供。在保持QD的现有技术纳米梁中，将梁悬浮以最大化折射率阶跃并由此最大化横向限制。在本发明中，所述梁将由夹在两个夹具层之间的夹具支撑，或者完全嵌入夹具中。
上述光子纳米结构是示例，并且其它现有的或未来的纳米结构也可以用于本发明的实施方案中。
在本发明的一个实施方案中，光子纳米结构是矩形GaAs波导板，其横向尺寸为300nm×175nm，部分地封闭在形成于SU8(环氧树脂)中的夹具中，其几何结构如图1B所示。
使用该实施方案进行了计算机模拟，并且图2中的曲线图示出了由波导中的QD发射的光子的光子失真度(1减去光子不可区分度)作为夹具的横向尺寸W的函数。可以看出，不可区分性随着钳制尺寸增加而增加，这归因于组合结构的体积增加，因此增加了对与QD激子相互作用的低声振动的抑制。
图2的曲线图还示出了没有夹具的波导的光子失真度(对夹持尺寸无依赖性)，其自然与夹具尺寸W＝0μm的光子失真度一致。
对于QD在波导中的两个不同位置，即在中心处和在边缘处，模拟有和没有夹具时的光子失真度。在纳米光子波导中具有QD而没有夹具的现有技术装置中，观察到耦合对QD在波导中的位置的大的依赖性，其中远离波导中心的不可区分性较差。这也可以从“无夹具”线和W＝0μm值看出。然而，随着W的值增加，两个QD位置的光子失真度汇合。因此，本发明的优点进一步在于，夹具降低不可区分性对光子纳米结构中QD的空间位置的依赖性。应注意，这种位置依赖性的消除伴随着夹具在QD位置移动的方向上的厚度增加。如果QD在图3的几何结构中向下移动，则位置依赖性将仍然存在，因为在纳米结构的这一侧上没有夹具。
图3示出了该实施方案的示例性制造。首先，在通常为硅的基板5上形成AlGaAs层4，然后在该AlGaAs层上形成GaAs层6。在箭头处干法蚀刻GaAs层以在GaAs层6的剩余部分7之间形成中心纳米光子波导1。然后沉积SU8的夹具2以覆盖波导和部分剩余部分7两者，其中一些开口(不在该横截面平面中)提供到AlGaAs层4的通路。然后通过湿法蚀刻AlGaAs层来底切波导1和夹具2以形成悬浮纳米光子波导1。可以看出，夹具2在纳米结构1和支撑结构之间形成机械连接，这里支撑结构是剩余部分7和基板5。
图4A-C示出了用于耦合出由光子纳米结构1中的量子点发射的光子的不同装置、锥形波导段10(图4A)、光栅11(图4B)、倏逝耦合器12(图4C)和输出耦合镜(在空腔的情况下，未示出)或者从波导或空腔耦合出光的其它已知方式。类似地，用于耦合入光子以激发光子纳米结构中的QD的装置，例如锥形波导段、光栅、倏逝耦合器和输入耦合镜(在空腔的情况下)或将光耦合到波导或空腔中的其他已知方式。
图4C示出了一种优选实施方案，其中光子纳米结构是由夹持材料线夹持的纳米梁波导。输出耦合装置在此是纳米梁的锥形段。在锥形段中，纳米结构的单模辐射倏逝地耦合到夹持材料线，所述夹持材料线由于其形状而构成了介电指数导向的波导。由于其较大的横向尺寸，该波导使得能够更容易地耦合至例如量子网络中通常使用的光纤。
相干单光子源期望成为未来量子通信应用中的关键基础硬件元件。应用领域包括安全量子通信(量子密码学)、复杂量子系统的量子模拟，并且最终单光子将成为大规模量子网络中远程量子节点之间量子信息的载体。

Claims (10)

1.一种具有波长λ的相干单光子源，其包含细长的半导体光子纳米结构和配置成自组装的量子点，所述量子点位于所述光子纳米结构内，其中所述光子纳米结构具有小于2μm2的横截面积，所述单光子源进一步包含由透明的并在波长λ处具有小于2的折射率的材料形成的细长夹具，其中所述夹具机械地连接到所述光子纳米结构的长度并且具有足以抑制所述夹具与所述纳米结构的组合结构中的ω≤10GHz的低频振动的刚度和尺寸，其中所述夹具在横向方向上至少部分地围绕所述光子纳米结构，并且其中所述光子纳米结构在横向方向上嵌入所述夹具中，并且所述夹具在光子纳米结构的所有侧面上或所有方向上具有相当大的厚度。
2.根据权利要求1所述的相干单光子源，其中所述夹具的刚度由所述组合结构的平均杨氏模量Eav和所述组合结构的横截面积A表示，并且其中Eav和A根据以下选择：
对于Eav∈[0GPa；3GPa[，A≥10.5μm2；
对于Eav∈[3GPa；5.5GPa[，A≥7μm2；
对于Eav∈[5.5GPa；70GPa[，A≥1μm2；
对于Eav≥70GPa，A≥0.5μm2。
3.根据权利要求1所述的相干单光子源，其进一步包含用于耦合出由光子纳米结构中的量子点发射的光子的装置。
4.根据权利要求3所述的相干单光子源，其中用于耦合出的装置是锥形段、光栅或输出耦合镜。
5.根据权利要求3所述的相干单光子源，其中所述用于耦合出光子的装置是单模纳米光子波导段，所述单模纳米光子波导段是光子纳米结构的延伸并且沿着其长度机械地连接到夹具并且在横向方向上至少部分地被夹具包围，所述波导段在远离纳米结构的方向上逐渐变细以在夹具中将光子从单模倏逝地耦合到导模。
6.根据权利要求1所述的相干单光子源，其进一步包含用于耦合入光子以激发光子纳米结构中的量子点的装置。
7.根据权利要求6所述的相干单光子源，其中用于耦合入的装置是锥形段、光栅或输入耦合镜。
8.根据权利要求1所述的相干单光子源，其中所述光子纳米结构是空腔，其在纳米结构的两端包含反射体。
9.根据权利要求1所述的相干单光子源，其中所述光子纳米结构是在波长λ处为单模的纳米光子波导。
10.一种改善根据权利要求1所述的单光子源的不可区分性的方法，所述方法包含以下步骤：
–激发量子点以发射光子；和
–用由透明的并在波长λ处具有小于2的折射率的夹持材料形成的夹具来增加相继发射到所述光子纳米结构中的光子的不可区分性，所述夹具机械地连接到所述光子纳米结构的长度并且具有足以抑制所述夹具与所述纳米结构的组合结构中的ω≤10GHz的低频振动的刚度和尺寸。
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