CN114552349A - 椭圆柱形光学微谐振腔及椭圆柱形光学微谐振腔制备方法 - Google Patents

椭圆柱形光学微谐振腔及椭圆柱形光学微谐振腔制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种椭圆柱形光学微谐振腔，包括：腔体(1)，腔体(1)为椭圆柱形，第一布拉格反射镜(2)，第一布拉格反射镜(2)为与腔体(1)的端面相同的椭圆柱形，其一端面与所述腔体(1)的一端面连接，第二布拉格反射镜(3)，第二布拉格反射镜(3)为与腔体(1)的端面相同的椭圆柱形，其一端面与腔体(1)的另一端面连接。本公开中的结构可用于产生损失效率极低的单光子。

Description

椭圆柱形光学微谐振腔及椭圆柱形光学微谐振腔制备方法
技术领域
本公开涉及固态量子光学领域，尤其涉及一种椭圆柱形光学微谐振腔及椭圆柱形光学微谐振腔制备方法。
背景技术
单光子源是量子通讯、量子测量和量子计算的重要组成部分，结合具有帕塞尔增强效应的微柱微腔和共振激发的激发方式，可以产生接近傅里叶变换极限的单光子，并使单光子较高效的提取耦合进单模光纤中。但目前实现的单光子提取效率最高仅为33％左右，仍未满足各量子计算方案大于50％的要求。制约单光子提取效率的原因一方面在于，已有的方案需要将共振激发随机产生的左旋或右旋偏振单光子投影到单偏振，使得效率至少减半；另一方面在于，为了滤除同频率背景激发光，不得不采取的水平偏振激发垂直偏振收集的偏振滤波方式，这也使得系统效率无法高于50％。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种椭圆柱形光学微谐振腔，用于解决共振激发单光子源由于偏振投影和极化滤波产生的50％效率损失的问题。
(二)技术方案
本公开提供了一种椭圆柱形光学微谐振腔，包括：腔体1，所述腔体1为椭圆柱形；第一布拉格反射镜2，所述第一布拉格反射镜2为与所述腔体1的端面相同的椭圆柱形，其一端面与所述腔体1的一端面连接；第二布拉格反射镜3，所述第二布拉格反射镜3为与所述腔体1的端面相同的椭圆柱形，其一端面与所述腔体1的另一端面连接。
可选的，所述腔体1中设有单光子源。
可选的，所述腔体1的厚度为所述单光子源产生的单光子的二分之一波长的整数倍。
可选的，所述第一布拉格反射镜2包括的多层结构中的每层结构的厚度均为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。
可选的，所述第二布拉格反射镜3包括的多层结构中的每层结构的厚度均为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。
可选的，所述第一布拉格反射镜2和第二布拉格反射镜3均为包含了两种折射率不同的光学材料组成的多层结构，其中，所述多层结构由所述两种折射率不同的光学材料交替叠加构成，且每层结构所在平面均平行于所述第一布拉格反射镜2和第二布拉格反射镜3的端面。
可选的，所述两种折射率不同的光学材料为砷化铝和砷化镓。
本公开另一方面提供了一种椭圆柱形光学微谐振腔制备方法，应用于制作如第一方面所述的椭圆柱形光学微谐振腔，包括：在基底上使用两种折射率不同的光学材料交替生长薄膜，形成由所述两种光学材料交替叠加而成的多层结构，其中，所述多层结构中包括一层平行于各层薄膜所在平面的空腔层；在所述多层结构的一端制作椭圆形光刻胶掩模；根据所述光刻胶掩模的形状，延所述多层结构的垂直方向进行刻蚀，得到所述椭圆柱形光学微谐振腔。
可选的，所述空腔层中设有单光子源。
可选的，所述空腔层的厚度为所述单光子源产生的单光子的二分之一波长，所述多层结构中的其他单层薄膜的厚度为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。
(三)有益效果
本公开提供了一种椭圆柱光学微谐振腔，可使腔体1中的单光子源简并的极化模式劈裂为水平和正交两个垂直模式，同时，微谐振腔的腔膜也会劈裂为波长不同的水平偏振模式以及垂直偏振模式。当使用偏振为垂直方向但波长与椭圆柱微谐振腔水平偏振模式相同的激发光从椭圆柱顶部向下激发单光子源时，单光子源产生偏振为水平方向且波长与椭圆柱微谐振腔水平偏振模式相同的单光子，再采用水平偏振的极化片滤除激发光，便不会由于极化滤波产生的50％效率损失，同时，由于产生的单光子已是单极化，不需要再次投影，也解决了投影所带来的效率损失。
附图说明
图1是本公开实施例提供的一种椭圆柱光学微谐振腔的三维示意图；
图2是本公开实施例提供的一种椭圆柱光学微谐振腔的截面图；
图3是本公开实施例提供的一种椭圆柱光学微谐振腔的俯视图；
图4是本公开实施例提供的一种椭圆柱光学微谐振腔的光学原理图。
具体实施方式
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。
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种椭圆柱光学微谐振腔，图2示意性示出了本公开实施例提供的一种椭圆柱光学微谐振腔的截面图。
如图1示，本公开实施例提供的一种椭圆柱形光学微谐振腔，包括：腔体1，腔体1为椭圆柱形；第一布拉格反射镜2，第一布拉格反射镜2为与腔体1的端面相同的椭圆柱形，其一端面与腔体1的一端面连接；第二布拉格反射镜3，第二布拉格反射镜3为与腔体1的端面相同的椭圆柱形，其一端面与腔体1的另一端面连接。腔体1中设有单光子源，单光子源即量子点。参阅图2，其中，a为椭圆柱形腔体截面的半长轴，b为椭圆柱形腔体截面的半短轴，图中的矩形表示基底。
其中，第一布拉格反射镜2和第二布拉格反射镜3均为包含了两种折射率不同的光学材料组成的多层结构，其中，多层结构由两种折射率不同的光学材料交替叠加构成，且每层结构所在平面均平行于第一布拉格反射镜2和第二布拉格反射镜3的端面。
可选的，两种折射率不同的光学材料为砷化铝和砷化镓。
在本公开实施例中，腔体1的厚度为单光子源产生的单光子的二分之一波长的整数倍。第一布拉格反射镜2包括的多层结构中的每层结构的厚度均为单光子源产生的单光子的四分之一波长。第二布拉格反射镜3包括的多层结构中的每层结构的厚度均为单光子源产生的单光子的四分之一波长。
图3示意性是除了本公开实施例提供的一种椭圆柱光学微谐振腔的俯视图，如图3所示，d为腔体1厚度，e、f为构成第一布拉格反射镜2和第二布拉格反射镜3的多层结构的两种光学材料各层的厚度，最下方的矩形为基底。
如图4所示，在本公开实施例中，椭圆柱光学微谐振腔可使腔体1中的单光子源简并的极化模式劈裂为水平和正交两个垂直模式，同时，微谐振腔的腔膜也会劈裂为波长不同的水平偏振模式以及垂直偏振模式。当使用偏振为垂直方向但波长与椭圆柱微谐振腔水平偏振模式相同的激发光从椭圆柱顶部向下激发单光子源时，单光子源产生偏振为水平方向且波长与椭圆柱微谐振腔水平偏振模式相同的单光子，再采用水平偏振的极化片滤除激发光，便不会由于极化滤波产生的50％效率损失，同时，由于产生的单光子已是单极化，不需要再次投影，也解决了投影所带来的效率损失。本公开提供的这种椭圆柱光学微谐振腔，能够有效减少单光子损耗，提高单光子源收集效率。
示意性的，第一布拉格反射镜2长轴长度可以为2.1微米，短轴长度可以为1.4微米，由15对厚度为四分之一波长的铝砷/镓砷材料周期组合而成；第二布拉格反射镜3长轴长度可以为2.1微米，短轴长度可以为1.4微米，由25.5对厚度为四分之一波长的铝砷/镓砷材料周期组合而成。
需要说明的是，为了满足实际需要，可通过合理设计椭圆柱光学微谐振腔的椭圆形截面的椭偏率及尺寸，以获得最佳的劈裂大小、激发效率以及单光子收集效率。
本公开实施例提供的椭圆柱光学谐振腔的水平、垂直偏振模式品质因子分别可达到5016、4075，极化度分别可达到99.7％、99.6％。由于椭圆柱光学谐振腔使得单光子源产生的所有单光子偏振方向均与激发光偏振方向垂直，采用与单光子偏振方向相同的滤波片滤去激发光后，不会造成单光子损耗，同时，由于单光子源产生的单光子为单一偏振，在后续的量子光学方案中也不再需要进行偏振投影也减小了损耗。在76兆赫兹派脉冲的共振激光激发下，76％效率的超导探测器目前能探测到基于椭圆柱微谐振腔的单光子源产生的13.7兆赫兹单光子。
本公开还提供了一种椭圆柱形光学微谐振腔制备方法，应用于制作图1的椭圆柱形光学微谐振腔，包括S1～S3。
S1，在基底上使用两种折射率不同的光学材料交替生长薄膜，形成由两种光学材料交替叠加而成的多层结构，其中，多层结构中包括一层平行于各层薄膜所在平面的空腔层。
在该步骤中，形成的空腔层在经过步骤S3后，即为椭圆柱形光学微谐振腔中的腔体1，腔体1两侧的多层结构，即分别为第一布拉格反射镜2和第二布拉格反射镜3。
S2，在多层结构的一端制作椭圆形光刻胶掩模。
制作椭圆形光刻胶掩模，便于步骤S3中根据该椭圆形光刻胶掩模将各多层结构刻蚀形成椭圆柱形。
S3，根据光刻胶掩模的形状，延多层结构的垂直方向进行刻蚀，得到椭圆柱形光学微谐振腔。
在本公开实施例中，所述空腔层中设有单光子源。所述空腔层的厚度为所述单光子源产生的单光子的二分之一波长，所述多层结构中的其他单层薄膜的厚度为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。当使用偏振为垂直方向但波长与椭圆柱微谐振腔水平偏振模式相同的激发光从椭圆柱顶部向下激发单光子源时，产生的单光子的效果与上述椭圆柱形光学微谐振腔的效果相同，在此不作赘述。
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，所应理解的是，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)

1.一种椭圆柱形光学微谐振腔，其特征在于，包括：
腔体(1)，所述腔体(1)为椭圆柱形；
第一布拉格反射镜(2)，所述第一布拉格反射镜(2)为与所述腔体(1)的端面相同的椭圆柱形，其一端面与所述腔体(1)的一端面连接；
第二布拉格反射镜(3)，所述第二布拉格反射镜(3)为与所述腔体(1)的端面相同的椭圆柱形，其一端面与所述腔体(1)的另一端面连接。
2.根据权利要求1所述的椭圆柱形光学微谐振腔，其特征在于，所述腔体(1)中设有单光子源。
3.根据权利要求2所述的椭圆柱形光学微谐振腔，其特征在于，所述腔体(1)的厚度为所述单光子源产生的单光子的二分之一波长的整数倍。
4.根据权利要求1所述的椭圆柱形光学微谐振腔，其特征在于，所述第一布拉格反射镜(2)和第二布拉格反射镜(3)均为包含了两种折射率不同的光学材料组成的多层结构，其中，所述多层结构由所述两种折射率不同的光学材料交替叠加构成，且每层结构所在平面均平行于所述第一布拉格反射镜(2)和第二布拉格反射镜(3)的端面。
5.根据权利要求4所述的椭圆柱形光学微谐振腔，其特征在于，所述第一布拉格反射镜(2)包括的多层结构中的每层结构的厚度均为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。
6.根据权利要求4所述的椭圆柱形光学微谐振腔，其特征在于，所述第二布拉格反射镜(3)包括的多层结构中的每层结构的厚度均为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。
7.根据权利要求4所述的椭圆柱形光学微谐振腔，其特征在于，所述两种折射率不同的光学材料为砷化铝和砷化镓。
8.一种椭圆柱形光学微谐振腔制备方法，应用于制作如权1～7所述的椭圆柱形光学微谐振腔，其特征在于，包括：
在基底上使用两种折射率不同的光学材料交替生长薄膜，形成由所述两种光学材料交替叠加而成的多层结构，其中，所述多层结构中包括一层平行于各层薄膜所在平面的空腔层；
在所述多层结构的一端制作椭圆形光刻胶掩模；
根据所述光刻胶掩模的形状，延所述多层结构的垂直方向进行刻蚀，得到所述椭圆柱形光学微谐振腔。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述空腔层中设有单光子源。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述空腔层的厚度为所述单光子源产生的单光子的二分之一波长，所述多层结构中的其他单层薄膜的厚度为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。
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