CN112038882A - 单光子发射体与金属波导的集成结构及其制备方法、量子回路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单光子发射体与金属波导的集成结构。所述单光子发射体与金属波导的集成结构包括金属波导和单光子发射体。所述金属波导包括金属层、设于所述金属层上的介质层、及设于所述介质层上的介质条。所述单光子发射体设于所述介质层的表面并被所述介质条覆盖，位于介质层上的单光子发射体处于介质条下表面的中心位置。本发明的单光子发射体与金属波导的集成结构中单光子发射体的自发辐射速率可达到22～30。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息处理技术领域，尤其涉及一种单光子发射体与金属波导的集成结构，单光子发射体与金属波导的集成结构的制备方法，及应用该单光子发射体与金属波导的集成结构的量子回路。
背景技术
在集成量子回路和量子芯片的发展过程中，需要将单光子发射体放置在金属波导中的确定位置，以实现单光子发射体与金属波导的精确集成。单光子发射体与金属波导的集成结构中，单光子发射体的自发辐射速率不仅受到金属波导本身结构的影响，还受到单光子发射体和金属波导之间的相对位置的影响。
目前，可利用阴极荧光定位技术、扫描共聚焦成像定位技术及原子力扫描显微镜定位技术于量子芯片上集成单光子发射体与金属波导。然而，上述三种定位技术最多只能定位单光子发射体在金属波导中位于一个平面内的两个维度的位置，无法控制单光子发射体于第三个维度的位置，导致现有的单光子发射体与金属波导的集成结构中，单光子发射体的自发辐射速率较低。例如，在一些示例性技术中，单个单光子发射体与银纳米线波导耦合时，单光子发射体的自发辐射速率增强2.5倍；单个单光子发射体与金属-介质-金属波导耦合时，单光子发射体的自发辐射速率增强3.0倍；利用扫描探针将单个氮空位(NV)中心拨到V型槽波导中，NV中心的自发辐射速率增强2.3倍；利用扫描探针将单个NV中心拨到银纳米线波导周围，NV中心的自发辐射速率增强3.6倍。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种单光子发射体与金属波导的集成结构，旨在提高该单光子发射体与金属波导的集成结构中单光子发射体的自发辐射速率。
为解决上述技术问题，本发明提供的单光子发射体与金属波导的集成结构包括：
金属波导，所述金属波导包括金属层、设于所述金属层上的介质层、及设于所述介质层上的介质条；及
单光子发射体，设于所述介质层的表面并被所述介质条覆盖，位于介质层上的单光子发射体处于介质条下表面的中心位置。
在至少一实施例中，所述单光子发射体的中心与金属层之间的垂直距离的范围为3nm～55nm；和/或
所述单光子发射体的半径的范围为1nm～5nm；和/或
所述单光子发射体为CdSe/ZnS量子点、CdSe/CdS量子点、ZnCdSe/ZnS量子点、或钙钛矿量子点。
在至少一实施例中，所述介质层的厚度范围为2nm～50nm；和/或
所述介质层的折射率为1.3～2.5；和/或
所述介质层为单层，所述介质层的材质为氟化镁、二氧化硅、或氧化铝；和/或
所述介质层为复合层，所述复合层的每一层的材质为氟化镁、二氧化硅、或氧化铝，且相邻两层的材质不同，或所述复合层为聚苯乙烯磺酸盐层和盐酸多烯丙胺层的交替层。
在至少一实施例中，所述金属层的材质为金或银；和/或
所述介质条的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚氢倍半硅氧烷、或alfa-氯代丙烯酸甲酯和alfa-甲基苯乙烯的交替共聚物；和/或
所述介质条的厚度范围为350nm～450nm；和/或
所述介质条的宽度范围为350nm～450nm；和/或
所述金属波导还包括基底，所述金属层设于基底上；和/或
所述金属波导为弯曲波导或Y分束器。
本发明还提供一种单光子发射体与金属波导的集成结构的制备方法，其包括以下步骤：
于金属层的表面形成介质层；
于所述介质层的表面涂覆若干单光子发射体；及
于所述介质层的表面形成介质膜，其中，所述介质膜覆盖该单光子发射体；
根据光致发光定位技术获得单光子发射体于介质层上的面内位置，采用电子束光刻技术对介质膜进行刻蚀处理，以形成介质条，其中，所述单光子发射体被介质条覆盖，且处于介质条下表面的中心位置。
在至少一实施例中，采用物理制膜技术或化学制膜技术于金属层的表面形成厚度范围为2nm～50nm的介质层。
在至少一实施例中，所述制备方法还包括：
采用电子束光刻技术对介质膜进行第一次电子束曝光处理，于介质层上形成定位标记；及
根据所述定位标记，采用光致发光定位技术获得所述单光子发射体于介质层上的面内位置。
在至少一实施例中，采用电子束光刻技术对介质膜进行刻蚀处理以形成介质条的步骤包括：
根据所述单光子发射体于介质层上的面内位置，采用电子束光刻技术对介质膜进行第二次电子束曝光处理，以形成介质条。
在至少一实施例中，采用电子束光刻技术对介质膜进行第二次电子束曝光处理的过程中，还于介质条的至少一端形成散射光栅。
本发明还提供一种量子回路，其包括上述单光子发射体与金属波导的集成结构。
本发明技术方案的单光子发射体与金属波导的集成结构包括金属波导和单光子发射体。所述金属波导包括金属层、设于所述金属层上的介质层、和设于所述介质层上的介质条。由于单光子发射体与金属层之间设有所述介质层，使得单光子发射体的中心与金属层之间的垂直距离可通过介质层来得到精确地控制，即实现单光子发射体在金属波导z方向(第三个维度)上的位置控制，从而使本发明的单光子发射体与金属波导的集成结构中单光子发射体的自发辐射速率增强(又称，Purcell增强)Fp可达到22～30。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的单光子发射体与金属波导的集成结构的剖视图；
图2为本发明另一实施例的单光子发射体与金属波导的集成结构的剖视图；
图3为图1的单光子发射体与金属波导的集成结构的z-取向偶极子在x-y平面处的能流分布；
图4为本发明一实施例的形成在介质层上的定位标记和单光子发射体的结构示意图；
图5为本发明一实施例的形成在介质层上的定位标记、介质条、单光子发射体及散射光栅的结构示意图。
附图标号说明：
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种单光子发射体与金属波导的集成结构100的制备方法。
参图1，所述制备方法包括以下步骤：
于金属层13的表面形成介质层15；
于所述介质层15的表面涂覆若干单光子发射体30；及
于所述介质层15的表面形成介质膜，其中，所述介质膜覆盖单光子发射体30；
根据光致发光定位技术获得单光子发射体于介质层上的面内位置，采用电子束光刻技术对介质膜进行刻蚀处理，以形成介质条17，其中，所述单光子发射体30被介质条17覆盖，且处于介质条17下表面的中心位置。
本发明实施例中，所述单光子发射体与金属波导的集成结构100中的单光子发射体30的中心与金属层13之间的垂直距离定义为d，介质层15的厚度定义为t，介质条17的宽度和厚度分别定义为w和h。
在至少一实施例中，所述金属波导10为弯曲波导或Y分束器。
可以理解的，所述单光子发射体30为圆形结构。
在至少一实施例中，所述单光子发射体30的半径的范围为1nm～5nm。
在至少一实施例中，所述单光子发射体30的中心与金属层13之间的垂直距离d的范围为3nm～55nm。
在至少一实施例中，所述单光子发射体30为CdSe/ZnS量子点、CdSe/CdS量子点、ZnCdSe/ZnS量子点、或钙钛矿量子点。
在至少一实施例中，所述金属层13的材质为金(Au)或银(Ag)。
在至少一实施例中，所述介质层15的折射率为1.3～2.5，优选为1.45～1.55。
在至少一实施例中，所述介质条17的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚氢倍半硅氧烷、或alfa-氯代丙烯酸甲酯和alfa-甲基苯乙烯的交替共聚物。所述介质条17可于横向上束缚表面等离激元模式。
在至少一实施例中，所述介质条17的厚度h的范围为350nm～450nm。
在至少一实施例中，所述介质条17的宽度w的范围为350nm～450nm。
在至少一实施例中，参图2，所述金属层13设于基底11上。所述基底11可为光学棱镜。
本发明技术方案中，将介质膜覆盖介质层15表面的单光子发射体30后，根据光致发光定位技术获得的单光子发射体于介质层上的面内位置，采用电子束光刻技术对介质膜进行刻蚀处理，以形成介质条17。其中，所述单光子发射体30被介质条17覆盖，且处于介质条17下表面的中心位置。由于单光子发射体30与金属层13之间设有所述介质层15，使得单光子发射体30的中心与金属层13之间的垂直距离可通过调节介质层15的厚度来得到精确的控制，即实现单光子发射体13在金属波导10的z方向(第三个维度)上的位置控制，从而使本发明的单光子发射体与金属波导的集成结构100中单光子发射体30的Purcell增强Fp可达到22～30。此外，介质层15还可以防止单光子发射体30直接接触金属层13，从而避免了单光子发射体30发生淬灭。
在一些实施例中，可通过物理制膜技术(如电子束蒸镀、磁控溅射、脉冲激光沉积等)于金属层13的表面沉积介质层15，该介质层15的厚度t的范围为2nm～50nm。可通过于金属层13上沉积不同厚度的介质层15，来达到精确控制所述单光子发射体30的中心与金属层13之间的垂直距离d的目的，以调节单光子发射体30的Purcell增强Fp。
在一些实施例中，该介质层15为单层，其材质可为氟化镁层、二氧化硅层、或氧化铝层。所述氟化镁层、二氧化硅层、或氧化铝层的厚度的范围为2nm～50nm，优选为5nm～40nm，更加优选为10nm～20nm。
在又一些实施例中，所述介质层15为复合层，所述复合层的每一层的材质为氟化镁、二氧化硅、或氧化铝，且相邻两层的材质不同。所述复合层中每一层的厚度的范围为1nm～20nm，优选为5nm～15nm，更加优选为5nm～10nm。
所述物理制膜技术，如电子束蒸镀、磁控溅射、脉冲激光沉积等，为常用的制膜技术，此处不再赘述。
在另一些实施例中，所述介质层15为复合层，所述复合层为聚苯乙烯磺酸盐层和盐酸多烯丙胺层的交替层。所述交替层中每一层的厚度的范围为1nm～5nm，优选为1nm～4nm，更加优选为1nm～2nm。
可以理解的，可通过化学制膜技术(如化学沉积等)于金属层13的表面沉积聚苯乙烯磺酸盐层和盐酸多烯丙胺层的交替层。
可以理解的，所述聚苯乙烯磺酸盐可为聚苯乙烯磺酸钠、或聚苯乙烯磺酸钙。
聚苯乙烯磺酸盐(PAH)的水溶液带少量正电荷，盐酸多烯丙胺(PSS)的水溶液带少量负电荷。而使用电子束蒸镀技术制备的金属层13(材质为金或银)的表面带有轻微的负电荷，因此在金属层13表面利用静电效应先吸附一层PAH，接下来在PAH的表面吸附一层PSS，循环往复，以在金属层13表面形成介质层15。该介质层15至少有3层。
在一实施例中，采用化学沉积的方式制备介质层15包括以下步骤：
a.将覆有金属层13的基底11浸入到含有PAH的NaCl溶液(或含有PAH的水溶液)，静置3min～10min，从而于金属层13的表面沉积一层厚度为1nm～5nm的PAH层；
b.取出基底11，采用超纯水或去离子水冲洗3min～10min后，再浸入到NaCl溶液(或水溶液)中20s～40s，以清洗该PAH薄膜，以增加PAH层表面的电荷；
c.将清洗之后的基底11放置在含有PSS的NaCl溶液(或含有PSS的水溶液)中，静置3min～10min，从而于PAH层上沉积一层厚度为1nm～5nm的PSS层；
d.取出基底11，采用超纯水或去离子水冲洗3min～10min，后再浸入到NaCl溶液(或水溶液)中20s～40s，以增加PSS层表面的电荷；
e.重复步骤a到步骤b，并用清洁氮气干燥，从而于金属层13的表面沉积具有四层绝缘膜层的介质层15。
可以理解的，可根据实际需求设置重复步骤a到步骤b的次数，从而得到层数不同的介质层15。
其中，NaCl溶液中NaCl的浓度为5～10％，含有PAH的NaCl溶液中PAH的浓度为20～30％，含有PSS的NaCl溶液中PSS的浓度为10～20％。
本发明技术方案中，所述介质层15可为单层或复合层，可根据实际的需求，来选择介质层15的层数及各层的厚度，以准确地获得所需的厚度，进而准确地控制单光子发射体30的中心与金属层13之间的垂直距离d。
所述于所述介质层15的表面涂覆若干单光子发射体30的步骤包括以下步骤：
提供单光子发射体溶液；
使用溶剂稀释所述单光子发射体溶液，稀释后的单光子发射体溶液的浓度范围为5×10-6mg/ml～5×10-5mg/ml；及
将稀释后的单光子发射体溶液涂覆于介质层15的表面，从而于所述介质层15的表面形成若干单光子发射体30。
所述溶剂可为氯仿、正己烷、或甲苯。
本发明技术方案中，将单光子发射体溶液稀释后涂敷(如悬涂的方式)于介质层15的表面，从而于所述介质层15的表面形成若干单光子发射体30。此时，位于介质层15表面的单光子发射体30的中心与金属层13之间的垂直距离d可被精确地控制。
参图4，于所述介质层15的表面形成介质膜后，采用电子束光刻技术对介质膜进行刻蚀处理以形成介质条17之前，所述制备方法还包括：
采用电子束光刻技术对介质膜进行第一次电子束曝光处理，于介质层15上形成定位标记171；及
根据所述定位标记171，采用光致发光定位技术获得所述若干单光子发射体30于介质层15上的面内位置(x，y)。
可以理解的，光致发光定位技术为采用宽光束激发样品表面的单光子发射体，可以同时获得多个单光子发射体的荧光数据。
可以理解的，所述面内位置为位于介质层15的表面上的单光子发射体30在该表面的x，y坐标。
可以理解的，所述定位标记171为介质膜上刻蚀出的空洞区域，该空洞区域可为十字形或者正方形等。
在一些实施例中，所述定位标记171的数量为多个，且多个定位标记171间隔设置。
本发明技术方案中，通过电子束光刻技术对介质膜进行第一次电子束曝光处理，从而于介质层15上形成若干定位标记171。并根据所述定位标记171，采用光致发光定位技术获得所述若干单光子发射体30于介质层15上的面内位置(x，y)。
根据所述定位标记171，采用光致发光定位技术获得所述单光子发射体30于介质层15上的面内位置(x，y)的步骤包括：
提供斜入射宽场激发系统，其中，该斜入射宽场激发系统中的激光的功率和光斑尺寸分别为2mW～3mW和(50-150)μm×(50-150)μm；
采用该斜入射宽场激发系统激发定位标记171周围的单光子发射体30；
采用一个数值孔径NA为0.8的100倍物镜收集单光子发射体30发出的经过长通滤波片的荧光；
将滤波之后的荧光反射到科学级别互补金属氧化物半导体(ScientificComplementary Metal Oxide Semiconductor，sCMOS)相机上进行成像；
采用柯勒照明系统中的红色发光二极管对定位标记171进行宽场照明，其中，红色LED的功率范围为1μW～2μW；
采用数值孔径NA为0.8的100倍物镜收集定位标记171的散射光；
将从定位标记171散射的光成像在sCMOS相机上；及
采用Matlab程序分析单光子发射体30的成像中心和定位标记171散射光的中心，以获得所述单光子发射体30于介质层15上的面内位置(x，y)。
优选的，所述激光的功率和光斑尺寸分别为2.6mW和120μm×60μm。
可以理解的，可采用该斜入射宽场激发系统激发定位标记171周围的若干个单光子发射体30。
可以理解的，采用所述Matlab程序分析单光子发射体30的成像中心的方式包括：对sCMOS相机拍摄的图像进行二值化处理；利用Canny算子对经过二值化处理后的图像中的边缘进行提取；利用膨胀、填充和平滑的方法对提取的边缘重新补全；再利用regionprops图像处理图像区域属性的函数，以快速的给出每个图像的联通区域的中心的像素坐标。
本发明技术方案中，采用斜入射宽场激发系统来激发定位标记171周围的单光子发射体30，收集单光子发射体30发出的荧光，对荧光进行滤波处理后于sCMOS相机上成像。再采用红色发光二极管对定位标记171进行宽场照明，收集定位标记171的散射光后将散射光于sCMOS相机上成像。采用Matlab程序分析单光子发射体30的成像中心和定位标记171散射光的中心，以获得所述单光子发射体30于介质层15上的面内位置(x，y)。
参图5，所述采用电子束光刻技术对介质膜进行刻蚀处理以形成介质条17的步骤包括：
根据所述单光子发射体30于介质层15上的面内位置(x，y)，采用电子束光刻技术对介质膜进行第二次电子束曝光处理，以形成介质条17，其中，位于介质层15上的单光子发射体30处于介质条17下表面的中心位置。
可根据金属波导10的介质条17所需的宽度w，采用电子束光刻技术对介质膜进行加工，从而对介质膜进行蚀刻，形成特定宽度w的介质条17。由于单光子发射体30于介质层15上的面内位置(x，y)已经确定，在蚀刻介质条17时可以根据该面内位置(x，y)将单光子发射体30设置在介质条17下表面的中心位置。
参图5，采用电子束光刻技术对介质膜进行第二次电子束曝光处理的过程中，还可于介质条17的至少一端形成散射光栅173。
在一些实施例中，所述介质条17的两端均形成有散射光栅173。
所述散射光栅173的散射效率的范围为8％～10％。
所述散射光栅173的周期和占空比分别为500nm～550nm和0.45～0.55。
在一些实施例中，荧光在所述单光子发射体与金属波导的集成结构100的传输长度可为1μm～30μm，当量子点和两个散射光栅173之间的距离均是1μm～30μm时，荧光传输到每一散射光栅173处的能量占单光子发射体30耦合到金属波导10中能量的比例是20％～30％，向外辐射光子效率为4％～5％。
本发明技术方案中，所述介质条17的至少一端形成有散射光栅173，单光子发射体30辐射出的荧光被收集后，可沿金属波导10进行传输，然后从所述散射光栅173散射出来。通过对从散射光栅173处散射出的光能量进行计算，以得到单光子发射体与金属波导的集成结构100的耦合效率(为10％～20％)。
本发明还提供一种由上述制备方法所制得的单光子发射体与金属波导的集成结构100。
参图1，本发明一实施例的单光子发射体与金属波导的集成结构100包括：
金属波导10，所述金属波导10包括金属层13、设于所述金属层13上的介质层15、及设于所述介质层15上的介质条17；及
单光子发射体30，设于所述介质层15的表面并被介质条17覆盖，位于介质层上的单光子发射体处于介质条17下表面的中心位置。
参图2，可以理解的，所述金属波导10还可包括一基底11，所述金属层13设于所述基底11上。所述基底11可为光学棱镜。
本发明实施例中，所述单光子发射体与金属波导的集成结构100中的单光子发射体30的中心与金属层13之间的垂直距离定义为d，介质层15的厚度定义为t，介质条17的宽度和厚度分别定义为w和h。
在至少一实施例中，所述单光子发射体30的中心与金属层13之间的垂直距离d的范围为3nm～55nm。
可以理解的，所述金属波导10为弯曲波导或Y分束器。
可以理解的，所述单光子发射体30为圆形结构。
在至少一实施例中，所述单光子发射体30的半径的范围为1nm～5nm。
在至少一实施例中，所述金属层13的材质为金(Au)或银(Ag)。
在至少一实施例中，所述介质层15的折射率为1.3～2.5，优选为1.45～1.55。
在至少一实施例中，所述单光子发射体30为CdSe/ZnS量子点、CdSe/CdS量子点、ZnCdSe/ZnS量子点、或钙钛矿量子点。
在至少一实施例中，所述介质条17的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚氢倍半硅氧烷、或alfa-氯代丙烯酸甲酯和alfa-甲基苯乙烯的交替共聚物。所述介质条17可于横向上束缚表面等离激元模式。
在至少一实施例中，所述介质条17的厚度h的范围为350nm～450nm。
在至少一实施例中，所述介质条17的宽度w的范围为350nm～450nm。
在至少一实施例中，位于介质层15上的单光子发射体30处于介质条17下表面的中心位置。
本发明技术方案的单光子发射体与金属波导的集成结构包括金属波导10和单光子发射体30。所述金属波导10包括金属层13、设于所述金属层13上的介质层15、和设于所述介质层15上的介质条17。由于单光子发射体30与金属层13之间设有所述介质层15，使得单光子发射体30的中心与金属层13之间的垂直距离可通过调整介质层15的厚度来得到精确的控制，即实现单光子发射体13在金属波导10z方向(第三个维度)上的位置控制，从而使本发明的单光子发射体与金属波导的集成结构100中单光子发射体30的Purcell增强Fp可达到22～30。此外，介质层15还可以防止单光子发射体30直接接触金属层13，从而避免了单光子发射体30发生淬灭。
在一些实施例中，可通过物理制膜技术(如电子束蒸镀、磁控溅射、脉冲激光沉积等)于金属层13的表面沉积介质层15，该介质层15的厚度t的范围为2nm～50nm。可通过于金属层13上沉积不同厚度的介质层15，来达到精确控制所述单光子发射体30的中心与金属层13之间的垂直距离d的目的，以调节单光子发射体30的Purcell增强Fp。
在一些实施例中，该介质层15为单层，其材质可为氟化镁层、二氧化硅层、或氧化铝层。所述氟化镁层、二氧化硅层、或氧化铝层的厚度的范围为2nm～50nm，优选为5nm～40nm，更加优选为10nm～20nm。
在又一些实施例中，所述介质层15为复合层，所述复合层的每一层的材质为氟化镁、二氧化硅、或氧化铝，且相邻两层的材质不同。所述复合层中每一层的厚度的范围为1nm～20nm，优选为5nm～15nm，更加优选为5nm～10nm。
在另一些实施例中，所述介质层15为复合层，所述复合层为聚苯乙烯磺酸盐层和盐酸多烯丙胺层的交替层。所述交替层中每一层的厚度的范围为1nm～5nm，优选为1nm～4nm，更加优选为1nm～2nm。
可以理解的，所述聚苯乙烯磺酸盐可为聚苯乙烯磺酸钠、或聚苯乙烯磺酸钙。
本发明技术方案中，所述介质层15可为单层或复合层，可根据实际的需求，来选择介质层15的层数及各层的厚度，以准确地获得所需的厚度，进而准确地控制单光子发射体30的中心与金属层13之间的垂直距离d。
图3为本发明一实施例中单光子发射体与金属波导的集成结构100的z-取向偶极子在x-y平面处的能流分布，其中，z-取向偶极子的坐标为(0,0,10nm)。单光子发射体与金属波导的集成结构100可有效地收集单光子发射体30辐射出来的荧光能量，且荧光沿着金属波导10进行传播。在模拟中得到的金属波导10收集单光子发射体辐射出来的荧光能量的速率是FP×β×γ0＝2.2γ0，远大于示例性技术中的收集单光子的速率(约0.9γ0～1.75γ0)。
其中，β表示单光子发射体30与金属波导10的耦合效率，其范围为10％～20％。
本发明还提供一种量子回路，其包括上述的单光子发射体与金属波导的集成结构100。
可以理解的，所述量子回路可为量子干涉仪和单光子晶体管等。
由于该量子回路采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
实施例一之单光子发射体与金属波导的集成结构包括：
Au波导，所述Au波导包括Au层、设于所述Au层上的MgF2层、及设于所述MgF2层上的PMMA条；及
CdSe/ZnS量子点，设于所述MgF2层的表面并容置于所述PMMA条中。
MgF2层的厚度为5nm，CdSe/ZnS量子点的半径为5nm，CdSe/ZnS量子点于Au波导中的坐标为(0,0,10)。
该实例一之单光子发射体与金属波导的集成结构的CdSe/ZnS量子点的自发辐射速率增强是22.4。
实施例二之单光子发射体与金属波导的集成结构包括：
Ag波导，所述Ag波导包括Ag层、设于所述Ag层上的氧化铝层和二氧化硅层、及设于所述二氧化硅上的HSQ条；及
钙钛矿量子点，设于所述二氧化硅的表面并容置于所述HSQ条中。
氧化铝层和二氧化硅层的厚度分别为5nm和5nm，钙钛矿量子点的半径为4nm，钙钛矿量子点于Ag波导中的坐标为(0,0,14)。
该实例二之单光子发射体与金属波导的集成结构的钙钛矿量子点的自发辐射速率增强是30。
实施例三之单光子发射体与金属波导的集成结构：
Au波导，所述Au波导包括Au层、设于所述Au层上的PAH层和PSS层、及设于所述PSS层上的ZEP520条；及
ZnCdSe/ZnS量子点，设于所述PSS层的表面并容置于所述ZEP520条中。
PAH层和PSS层的厚度分别为2nm和2nm，ZnCdSe/ZnS量子点的半径为5nm，CdSe/ZnS量子点于Au波导中的坐标为(0,0,9)。
该实例三之单光子发射体与金属波导的集成结构的ZnCdSe/ZnS量子点的自发辐射速率增强是24。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种单光子发射体与金属波导的集成结构，所述单光子发射体与金属波导的集成结构包括：
金属波导，所述金属波导包括金属层、设于所述金属层上的介质层、及设于所述介质层上的介质条；及
单光子发射体，设于所述介质层的表面并被所述介质条覆盖，位于介质层上的单光子发射体处于介质条下表面的中心位置。
2.如权利要求1所述的单光子发射体与金属波导的集成结构，其特征在于，所述单光子发射体的中心与金属层之间的垂直距离的范围为3nm～55nm；和/或
所述单光子发射体的半径的范围为1nm～5nm；和/或
所述单光子发射体为CdSe/ZnS量子点、CdSe/CdS量子点、ZnCdSe/ZnS量子点、或钙钛矿量子点。
3.如权利要求1所述的单光子发射体与金属波导的集成结构，其特征在于，所述介质层的厚度范围为2nm～50nm；和/或
所述介质层的折射率为1.3～2.5；和/或
所述介质层为单层，所述介质层的材质为氟化镁、二氧化硅、或氧化铝；和/或
所述介质层为复合层，所述复合层的每一层的材质为氟化镁、二氧化硅、或氧化铝，且相邻两层的材质不同，或所述复合层为聚苯乙烯磺酸盐层和盐酸多烯丙胺层的交替层。
4.如权利要求1至3任一项所述的单光子发射体与金属波导的集成结构，其特征在于，所述金属层的材质为金或银；和/或
所述介质条的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚氢倍半硅氧烷、或alfa-氯代丙烯酸甲酯和alfa-甲基苯乙烯的交替共聚物；和/或
所述介质条的厚度范围为350nm～450nm；和/或
所述介质条的宽度范围为350nm～450nm；和/或
所述金属波导还包括基底，所述金属层设于基底上；和/或
所述金属波导为弯曲波导或Y分束器。
5.一种单光子发射体与金属波导的集成结构的制备方法，其包括以下步骤：
于金属层的表面形成介质层；
于所述介质层的表面涂覆若干单光子发射体；及
于所述介质层的表面形成介质膜，其中，所述介质膜覆盖该单光子发射体；
根据光致发光定位技术获得单光子发射体于介质层上的面内位置，采用电子束光刻技术对介质膜进行刻蚀处理，以形成介质条，其中，所述单光子发射体被介质条覆盖，且处于介质条下表面的中心位置。
6.如权利要求5所述的单光子发射体与金属波导的集成结构的制备方法，其特征在于，采用物理制膜技术或化学制膜技术于金属层的表面形成厚度范围为2nm～50nm的介质层。
7.如权利要求5所述的单光子发射体与金属波导的集成结构的制备方法，还包括：
采用电子束光刻技术对介质膜进行第一次电子束曝光处理，于介质层上形成定位标记；及
根据所述定位标记，采用光致发光定位技术获得所述单光子发射体于介质层上的面内位置。
8.如权利要求7所述的单光子发射体与金属波导的集成结构的制备方法，其特征在于，采用电子束光刻技术对介质膜进行刻蚀处理以形成介质条的步骤包括：
根据所述单光子发射体于介质层上的面内位置，采用电子束光刻技术对介质膜进行第二次电子束曝光处理，以形成介质条。
9.如权利要求8所述的单光子发射体与金属波导的集成结构的制备方法，其特征在于，采用电子束光刻技术对介质膜进行第二次电子束曝光处理的过程中，还于介质条的至少一端形成散射光栅。
10.一种量子回路，其特征在于，包括如权利要求1至4任一所述的单光子发射体与金属波导的集成结构。
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