CN113067238B - 一种产生单光子的谐振腔及单光子源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生单光子的谐振腔，其包括：谐振腔体和衬底，所述谐振腔体包括上反射层、下反射层和设置在所述上反射层、下反射层中间的光栅层形成的三明治结构，所述上反射层、下反射层采用金属薄膜或类金属薄膜，所述光栅层设有光栅微结构以形成光学微腔，所述衬底设置于所述谐振腔体的底部，该衬底为截角倒锥形衬底，在所述衬底与下反射层接触的表面，设有用以提高反射效率的二维超结构；以及包括该谐振腔和激发光产生系统的一种单光子源系统，所述激发光产生系统将其产生的激发光子发射至所述谐振腔内，所述激发光子在所述光栅微结构中经多次反射后从所述谐振腔射出。

Description

一种产生单光子的谐振腔及单光子源系统

技术领域

本发明属于单光子源领域，具体涉及一种产生单光子的谐振腔及单光子源系统。

背景技术

单光子源技术、量”子编码和传输技术、单光子检测技术作为量子通信中的三大核心技术。已经有大量研究证明量子通信在单光子源下是绝对安全的，并且具有很高的发生和吸收效率。

理想的单光子源可以作为量子通信和量子计算中的发光光源信号，是最优的光源解决方案，可用于量子力学的基础研究，量子计算，隐形态传送，量子网络，量子存储等实验，单光子光源指在光互连网络中，作为光信号产生的源头，其产生的光信号是单光子。由此可知，理想的单光子源作为量子通信的重要保障，对于其特性的研究在不仅科研界都有着愈来愈大的意义，在工业生活生产上都有着不可替代的作用。

现如今，利用量子点脉冲共振激发方法，可以得到高品质的单光子。然而，基于单色光的共振激发方法在提升光子品质的同时，激发光会带来本底噪声，一般需要高精度的极化滤波去除，因而导致50％的效率损失。这个效率损失使得操纵多个光子的成功率下降，光出射效率也是亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，实现提高单光子出射效率和品质。

基于上述发明目的，本发明提出一种产生单光子的谐振腔，包括：谐振腔体和衬底，所述谐振腔体包括上反射层、下反射层和设置在所述上反射层、下反射层中间的光栅层形成的三明治结构，所述上反射层、下反射层采用金属薄膜或类金属薄膜，所述光栅层设有光栅微结构以形成光学微腔；

所述衬底设置于所述谐振腔体的底部，该衬底为截角倒锥形衬底，在所述衬底与下反射层接触的表面，设有用以提高反射效率的二维超结构。

作为优选，所述光栅层采用对单光子发射波段透明的介质薄膜，所述光栅微结构在所述介质薄膜上刻蚀而成。

作为优选，所述衬底为Si，SiO2，或Al2O3。

作为优选，对于紫外-可见波段，所述金属薄膜或类金属薄膜采用包括 Al、或Au、或Ag、或ZrN、或HfN材料；对于近红外波段，所述金属薄膜或类金属薄膜采用ITO，或采用掺Al或掺Ga的ZnO，或TiN材料；对于红外波段采用石墨烯材料。

基于上述发明目的，本发明还提出一种单光子源系统，其特征在于，包括如上所述产生单光子的谐振腔和激发光产生系统，所述激发光产生系统用于产生激发光子，其设置于所述谐振腔的表面近场，所述激发光产生系统包括一个4f光学系统和二能级量子系统，所述4f光学系统用于产生两个锁相脉冲，通过所述两个锁相脉冲驱动所述二能级量子系统，进行光谱滤波，以消除散射的激光，得到激发光；

所述激发光产生系统将其产生的激发光子发射至所述谐振腔内，所述激发光子在所述光栅微结构中经多次反射后从所述谐振腔射出。

作为优选，所述二能级量子系统包括一个单个InGaAs量子点，所述 InGaAs量子点嵌入直径为2.5μm的微柱腔内。

作为优选，所述4f光学系统包括激光器、第一光栅、第二光栅、阻挡块和单模光纤，所述激光器发出激光脉冲被第一光栅衍射分成不同空间方向传递的双色脉冲，该双色脉冲经过放置在傅立叶平面中的阻挡块时被截获中心频率，剩余的双色脉冲旁波在所述第二光栅上重新组合，并收集到所述单模光纤中，得到锁相脉冲。

作为优选，所述两个锁相脉冲为两个相位差恒定的激光脉冲，其中一个为红失谐脉冲，另一个为蓝失谐脉冲。

作为优选，每个锁相脉冲会从两级谐振对称失谐，从而消除失谐带来的影响。

基于上述发明目的，本发明还提出一种如上所述的产生单光子的谐振腔制备方法，包括步骤如下：

S1、制备一截角倒锥形衬底；

S2、在所述衬底的上表面制作具有增加反射效率的超结构；

S3、在所述衬底上依次制作下反射层、光栅层和上反射层；

其中，所述光栅层为通过刻蚀工艺形成的具有周期性光栅结构的介质膜层，所述下反射层和上反射层为金属膜层或类金属膜层。

与现有技术相比，本发明的益处有：

通过本发明的激发光产生系统，有效提高单光子纯度，得到高品质的单光子，再通过将其打入谐振腔内，利用谐振腔提供正反馈，结合光栅的定向耦合输出特性提高了该单光子出射效率以及光子产生速率和收集利用效率，得到高品质无背景色光、高亮度、定向出射的单光子源。

附图说明

图1为本发明的单光子源系统的一种实施例示意图；

图2为本发明的激发光产生系统中的4f光学系统的一种实施例示意图；

图3为本发明的产生单光子的谐振腔制备方法示意图；

其中，10：激发光产生产生系统，20：产生单光子的谐振腔，30：二维超结构，40：衬底，11：第一反射镜，12：第二反射镜，13：第三反射镜， 14：第四反射镜，15：第一光栅，16：第二光栅，17：第一透镜，18：第二透镜，19：阻挡块，21：上反射层，22：光栅层，23：下反射层。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

根据图1所示，一种单光子源系统，该系统包括：产生单光子的谐振腔和激发光产生系统；

该谐振腔20包括谐振腔体和衬底40，谐振腔体包括上反射层21、下反射层23和设置在上反射层21、下反射层23中间的光栅层22形成的三明治结构，上反射层21、下反射层23采用金属薄膜或类金属薄膜，光栅层22设有光栅微结构以形成光学微腔；

衬底40设置于谐振腔体的底部，该衬底40为截角倒锥形衬底，此形状设置增大了透光面积，可提高光出射效率，在衬底40与下反射层23接触的表面，设有用以提高反射效率的二维超结构30，二维超结构30可以是镀在衬底40上的高反射膜。

其中，光栅层22可以采用对单光子发射波段透明的介质薄膜，光栅微结构可以在此介质薄膜上刻蚀而成。对于紫外-可见波段，所述金属薄膜或类金属薄膜可以采用但不限于包括Al、或Au、或Ag、或ZrN、或HfN材料；对于近红外波段，所述金属薄膜或类金属薄膜可以采用但不限于ITO，或采用掺Al或掺Ga的ZnO，或TiN材料；对于红外波段可以采用但不限于石墨烯材料。

激发光产生系统10包括一个4f光学系统和二能级量子系统，激发光产生系统10用于产生激发光子，其设置于谐振腔20的表面近场，所述4f光学系统用于产生两个锁相脉冲，通过所述两个锁相脉冲驱动所述二能级量子系统，进行光谱滤波，以消除散射的激光，得到激发光；

激发光产生系统10将其产生的激发光子发射至谐振腔20内，所述激发光子在光栅微结构中经多次反射后从谐振腔20射出。

如图2所示，4f光学系统包括激光器L、第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜13、第四反射镜14、第一光栅15、第二光栅16、第一透镜17、第二透镜18、阻挡块19和单模光纤F，激光器L采用蓝宝石激光器，该蓝宝石激光器发出的宽度为3ps的皮秒脉冲至第一反射镜11反射到第一光栅 15，被第一光栅15衍射，即不同的频率分量被分到不同的空间方向，生成双色脉冲，分别为红失谐脉冲和蓝失谐脉冲，再经过第二反射镜12反射，经过第一透镜17后，由放置在傅立叶平面中的阻挡块19截获该双色脉冲的中心频率，此时剩余的红失谐脉冲旁波和蓝失谐脉冲旁波经过第二透镜18，被第三反射镜13反射到第二光栅16上重新组合，再由第四反射镜14传输至单模光纤F中进行收集，其中第一透镜17和第二透镜18焦距相同，且焦距＝20cm；该4f光学系统通过使用光栅在空间上扩展3ps激光脉冲的频率分量，在频谱上截取中心频率，再重新组合频谱分量，从而得到两个相位差恒定的锁相脉冲，分别为红失谐脉冲和蓝失谐脉冲，每个脉冲会从两级谐振对称失谐，从而抵消失谐，有效驱动二级量子系统。

所述二级量子系统包括一个InGaAs量子点和一个直径为2.5μm的微柱，该微柱包括一个微柱腔，将单个InGaAs量子点嵌入至微柱腔内，冷却至3.6K。该微柱腔具有的相对较低的品质因数，因此其空腔带宽可以容纳双色的光谱宽度脉冲。

通过所述4f光学系统生成的双色脉冲激发二级量子系统，可以对散射的激光脉冲进行光谱滤波，直接通过频率滤波将激光有效滤除，降低激光的本底噪声带来的效率损失，有效提高单光子纯度，得到高品质的单光子，再通过将其打入谐振腔20内，利用谐振腔20提供正反馈，控制腔内的振荡光束的特征，结合光栅的定向耦合输出特性提高了该单光子出射效率以及光子产生速率和收集利用效率，得到高品质无背景色光、高亮度、定向出射的单光子源。

如图3所示，一种根据上述的产生单光子的谐振腔制备方法，包括步骤如下：

S1、制备一截角倒锥形衬底40；

S2、在所述衬底40的上表面制作具有增加反射效率的超结构；

S3、在所述衬底40上依次制作下反射层、光栅层和上反射层；

其中，所述光栅层为通过刻蚀工艺形成的具有周期性光栅结构的介质膜层，所述下反射层和上反射层为金属膜层或类金属膜层。

在权利要求书中，词语“包括”不排除其他单元或步骤；词语“一”或“一个”并不排除多个。在权利要求书中，使用诸如“第一”“第二”等序数词来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素具有较另外一个权利要求元素的优先级、次序或者动作执行的时间顺序，而仅仅出于将一个权利要求的元素与另一个权利要求元素相区别的目的。尽管在互不相同的从属权利要求中分别记载了某些特定技术特征，但这并不意味着这些特定技术特征不能被组合利用。本发明的各个方面可单独、组合或者以未在前述实施例中具体讨论的各种安排来使用，从而并不将其应用限于前文所描述或附图中所示的组件的细节和排列。例如，可使用任何方式将一个实施例中描述的多个方面与其他实施例中描述的多个方面组合。

Claims (8)

1.一种单光子源系统，其特征在于，包括一能够产生单光子的谐振腔和激发光产生系统；

所述谐振腔包括谐振腔体和衬底，所述谐振腔体包括上反射层、下反射层和设置在所述上反射层、下反射层中间的光栅层形成的三明治结构，所述上反射层、下反射层采用金属薄膜或类金属薄膜，所述光栅层设有光栅微结构以形成光学微腔；

所述衬底设置于所述谐振腔体的底部，该衬底为截角倒锥形衬底，在所述衬底与下反射层接触的表面，设有用以提高反射效率的二维超结构；

所述激发光产生系统用于产生激发光子，其设置于所述谐振腔的表面近场，所述激发光产生系统包括一个4f光学系统和二能级量子系统，所述4f光学系统用于产生两个锁相脉冲，通过所述两个锁相脉冲驱动所述二能级量子系统，进行光谱滤波，以消除散射的激光，得到激发光；

所述激发光产生系统将其产生的激发光子发射至所述谐振腔内，所述激发光子在所述光栅微结构中经多次反射后从所述谐振腔射出。

2.根据权利要求1所述的单光子源系统，其特征在于，所述光栅层采用对单光子发射波段透明的介质薄膜，所述光栅微结构在所述介质薄膜上刻蚀而成。

3.根据权利要求1所述的单光子源系统，其特征在于，所述衬底为Si，SiO2，或Al2O3。

4.根据权利要求1所述的单光子源系统，其特征在于，对于紫外-可见波段，所述金属薄膜或类金属薄膜采用包括Al、或Au、或Ag、或ZrN、或HfN材料；对于近红外波段，所述金属薄膜或类金属薄膜采用ITO，或采用掺Al或掺Ga的ZnO，或TiN材料；对于红外波段采用石墨烯材料。

5.根据权利要求1所述的单光子源系统，其特征在于，所述二能级量子系统包括一个单个InGaAs量子点，所述InGaAs量子点嵌入直径为2.5μm的微柱腔内。

6.根据权利要求1所述的单光子源系统，其特征在于，所述4f光学系统包括激光器、第一光栅、第二光栅、阻挡块和单模光纤，所述激光器发出激光脉冲被第一光栅衍射分成不同空间方向传递的双色脉冲，该双色脉冲经过放置在傅立叶平面中的阻挡块时被截获中心频率，剩余的双色脉冲旁波在所述第二光栅上重新组合，并收集到所述单模光纤中，得到锁相脉冲。

7.根据权利要求6所述的单光子源系统，其特征在于，所述两个锁相脉冲为两个相位差恒定的激光脉冲，其中一个为红失谐脉冲，另一个为蓝失谐脉冲。

8.根据权利要求7所述的单光子源系统，其特征在于，每个锁相脉冲会从两级谐振对称失谐，从而消除失谐带来的影响。

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