KR102299787B1 - Quantum light source - Google Patents

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Abstract

본 실시예에 의한 양자 광원은 반도체 베이스(base)와, 반도체 베이스를 관통하고 중심으로부터 이격된 복수의 홀(hole)들을 포함하는 하나 이상의 홀 그룹들을 포함하고, 동일한 홀 그룹에 포함된 복수의 홀들은 중심으로부터 동일한 거리만큼 이격된다. The quantum light source according to the present embodiment includes a semiconductor base and one or more hole groups including a plurality of holes passing through the semiconductor base and spaced apart from the center, and a plurality of holes included in the same hole group. They are spaced the same distance from the center.

Description

양자 광원{QUANTUM LIGHT SOURCE}Quantum Light Source {QUANTUM LIGHT SOURCE}

본 기술은 양자 광원과 관련된다.The present technology relates to quantum light sources.

양자정보는 1과 0로 구분되는 비트(Bit) 대신 중첩 원리를 이용하여 1과 0을 동시에 표현하는 것이 가능한 "양자 비트(Quantum Bit)"를 이용한다. 양자정보 처리에는 원자나 빛, 슈퍼 컨덕팅 소자 등 다양한 접근 방식이 존재하며, 빛, 즉 광자(光子)를 이용한 양자 정보 처리에 관심이 집중되고 있다. 빛의 편광이나 시간, 경로 정보 등을 이용하면 전자의 스핀(Spin)처럼 양자 비트를 구현할 수 있기 때문이다.Quantum information uses "quantum bits" that can express 1 and 0 simultaneously using the superposition principle instead of bits that are divided into 1 and 0. There are various approaches to quantum information processing, such as atoms, light, and super-conducting devices, and attention is focused on quantum information processing using light, that is, photons. This is because quantum bits can be implemented like the spin of electrons by using the polarization, time, and path information of light.

최근에는 양자 물리의 특징인 중첩성, 양자 얽힘, 복사 불가능성을 나타내는 양자광원(Quantum light source)이 개발돼 이를 이용한 양자 시뮬레이터나 양자전송, 양자 암호와 같은 응용기술이 활발히 연구되고 있다. 양자 광원이란, 고전 광원과는 차별화된 단일 또는 얽힘 광자를 생성하는 광원을 의미하며, 단일 원자 또는 단일 양자점과 같은 단일 양자구조에서 빛이 생성된다. Recently, a quantum light source that exhibits superimposition, quantum entanglement, and non-radiability, which are characteristics of quantum physics, has been developed, and applied technologies such as quantum simulators, quantum transmission, and quantum cryptography are being actively studied. A quantum light source means a light source that generates single or entangled photons that are differentiated from a classical light source, and light is generated from a single quantum structure such as a single atom or a single quantum dot.

기존 고체 기반 양자 광원 중 양자광을 좁은 각도로 수직 방출이 가능한 구조는 불스 아이 구조(Bull's eye)가 대표적이다. 기존 불스 아이 구조는 동심원 형태의 격자(circular grating)형태의 다수 링(ring) 구조를 가진다. 기존 불스 아이 구조에서 방사된 광은 방출광의 각도가 개구수(NA, numerical aperture) 작은 광섬유와 결합하기에는 충분히 작지 않아 고효율의 광자 신호 전달을 위해서는 추가적인 광학 시스템이 요구된다. 따라서 광섬유와 결합이 용이하면서도 높은 효율을 유지하기 위해서는 좁은 각도에서의 수직 광 방사가 가능한 광학구조와 결합된 양자 광원 개발이 선행되어야 한다. Among the existing solid-state quantum light sources, the Bull's eye structure is representative of a structure capable of vertically emitting quantum light at a narrow angle. The existing bull's eye structure has a multi-ring structure in the form of a circular grating. The light emitted from the existing bull's eye structure is not small enough to couple with the optical fiber having a small numerical aperture (NA), so an additional optical system is required for high-efficiency photon signal transmission. Therefore, in order to maintain high efficiency while being easy to combine with optical fibers, it is necessary to develop a quantum light source combined with an optical structure capable of vertical light emission at a narrow angle.

본 기술이 해결하고자 하는 과제는 상기한 종래 기술에 의한 양자 광원의 문제점을 해소하기 위한 것이다. 즉, 본 기술이 해결하고자 하는 과제는 높은 수직 광추출 효율을 얻을 수 있는 양자 광원를 제공하는 것이 본 기술이 해결하고자 하는 과제 중 하나이다.The problem to be solved by the present technology is to solve the problems of the quantum light source according to the prior art. That is, one of the problems to be solved by the present technology is to provide a quantum light source capable of obtaining high vertical light extraction efficiency.

본 실시예에 의한 양자 광원은 반도체 양자 구조를 포함하는 베이스(base)와, 반도체 베이스를 관통하고 중심으로부터 이격된 복수의 홀(hole)들을 포함하는 하나 이상의 홀 그룹들을 포함하고, 동일한 홀 그룹에 포함된 복수의 홀들은 중심으로부터 동일한 거리만큼 이격된다. The quantum light source according to the present embodiment includes a base including a semiconductor quantum structure, and one or more hole groups including a plurality of holes passing through the semiconductor base and spaced apart from the center, and in the same hole group. The included plurality of holes are spaced apart from the center by the same distance.

본 실시예에 의한 양자 광원 어레이는 양자 구조를 포함하는 반도체 레이어(layer)와, 고효율 단위 양자 광원을 위한 반도체 베이스 (base), 반도체 베이스 관통하고 중심으로부터 이격된 복수의 홀(hole)들을 포함하는 하나 이상의 홀 그룹들을 포함하고, 동일한 홀 그룹에 포함된 복수의 홀들은 중심으로부터 동일한 거리만큼 이격된 단위 양자 광원 및 단위 양자 광원과 반도체 기판을 연결하는 브릿지(Bridge)를 포함하며, 복수의 단위 양자 광원들이 어레이로 배치된다.The quantum light source array according to this embodiment includes a semiconductor layer including a quantum structure, a semiconductor base for a high-efficiency unit quantum light source, and a plurality of holes passing through the semiconductor base and spaced apart from the center. One or more hole groups are included, and the plurality of holes included in the same hole group includes a unit quantum light source spaced apart from the center by the same distance and a bridge connecting the unit quantum light source and the semiconductor substrate, The light sources are arranged in an array.

본 실시예에 의한 양자 광원은 개구율이 낮은 광 섬유에 대하여 높은 광결합 효율을 얻을 수 있으며, 높은 광 추출 효율을 가지고, 좁은 각도로 광방출이 가능하다는 장점이 제공된다.The quantum light source according to the present embodiment has the advantages of being able to obtain high light coupling efficiency with respect to an optical fiber having a low aperture ratio, high light extraction efficiency, and light emission at a narrow angle.

도 1은 본 실시예에 의한 양자 광원의 개요를 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1에서 실선 원으로 표시된 영역을 확대하여 표시한 도면이다.
도 3(a)는 도 1에서 A-A'선을 따른 단면도이고, 도 3(b)는 도 1에서 C-C'선을 따른 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 의한 양자 광원에 포함된 베이스의 평면도이다.
도 5는 양자 광원을 어레이 형태로 배치한 양자 광원 어레이의 현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 본 실시예에 의한 양자 광원 동작의 실시예를 개요적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 실시예에 의한 양자 광원 동작의 다른 실시예를 개요적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 8(a)는 양자 광원의 현미경(SEM) 사진이고, 도 8(b)는 방출하는 광의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 종래(불스 아이 구조)의 양자 광원과 본 실시예에 의한 양자 광원이 발산하는 전기장의 광학 모드를 도시한 도면들이다.
도 10은 시료의 빛을 포집하는 포집 각도와 관련된 광학계의 개구율에 따른 구조별 광포집 효율(collection efficiency)을 비교한 그래프이다.
1 is a plan view showing an outline of a quantum light source according to the present embodiment.
FIG. 2 is an enlarged view of an area indicated by a solid line circle in FIG. 1 .
FIG. 3(a) is a cross-sectional view taken along line A-A' in FIG. 1, and FIG. 3(b) is a cross-sectional view taken along line C-C' in FIG.
4 is a plan view of a base included in a quantum light source according to another embodiment.
5 is a microscope (SEM) photograph of a quantum light source array in which quantum light sources are arranged in an array form.
6 is a diagram for schematically explaining an embodiment of an operation of a quantum light source according to the present embodiment.
7 is a diagram for schematically explaining another embodiment of the operation of the quantum light source according to the present embodiment.
FIG. 8(a) is a microscope (SEM) photograph of a quantum light source, and FIG. 8(b) is a graph illustrating a spectrum of emitted light.
9(a) and 9(b) are diagrams illustrating optical modes of an electric field emitted by a quantum light source according to the present embodiment and a quantum light source according to the present embodiment.
10 is a graph comparing light collection efficiencies for each structure according to an aperture ratio of an optical system related to a collection angle for collecting light from a sample.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Since the description of the present invention is merely an embodiment for structural or functional description, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiment described in the text. That is, since the embodiment may have various changes and may have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. On the other hand, the meaning of the terms described in the present application should be understood as follows.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The singular expression is to be understood as including the plural expression unless the context clearly dictates otherwise, and terms such as "comprises" or "have" refer to the described feature, number, step, action, component, part or these It is to be understood that this is intended to indicate that a combination exists, and does not preclude the possibility of addition or existence of one or more other features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다. Each step may occur in a different order than the stated order unless the context clearly dictates a specific order. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다. All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as being consistent with the meaning in the context of the related art, and cannot be interpreted as having an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. .

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 양자 광원을 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 양자 광원(100)의 개요를 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1에서 실선 원으로 표시된 영역을 확대하여 표시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 양자 광원(100)은 반도체 베이스(base)와, 상기 반도체 베이스(base)를 관통하고 중심으로부터 이격된 복수의 홀(hole)들을 포함하는 하나 이상의 홀 그룹(HG1, HG2, ..., HGK)들을 포함하고, 동일한 상기 홀 그룹에 포함된 상기 복수의 홀들은 상기 중심으로부터 동일한 거리만큼 이격된다. Hereinafter, a quantum light source according to the present embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. 1 is a plan view illustrating an outline of a quantum light source 100 according to the present embodiment, and FIG. 2 is an enlarged view of an area indicated by a solid circle in FIG. 1 . 1 and 2 , a quantum light source 100 according to the present embodiment includes a semiconductor base and a plurality of holes passing through the semiconductor base and spaced apart from the center. The plurality of holes including the above hole groups HG1, HG2, ..., HGK, and included in the same hole group, are spaced apart from the center by the same distance.

홀 그룹(HG1, HG2, ..., HGK)들은 복수의 홀(H)들을 포함한다. 도 1 및 도 2로 예시된 실시예에서, 동일한 홀 그룹에 포함된 홀(H)들은 동일한 반지름(r)을 가지고, 인접한 홀의 중심 사이 간격(d)이 동일하도록 상호 이격될 수 있다. 인접한 홀 그룹과 홀 그룹은 서로 간의 간격이 동일하도록 상호 이격될 수 있다. 각각의 홀(H)들은 반도체 베이스(base)를 관통하여 형성된다. The hole groups HG1, HG2, ..., HGK include a plurality of holes H. 1 and 2, the holes H included in the same hole group may have the same radius r and may be spaced apart from each other so that the spacing d between the centers of adjacent holes is the same. The adjacent hole group and the hole group may be spaced apart from each other so that the distance therebetween is the same. Each of the holes H is formed through a semiconductor base.

양자 광원(100)이 제공하는 광의 파장은 중심으로부터 첫 번째 홀 그룹 사이의 거리 rc, 홀들의 반지름 r, 인접한 홀 그룹 사이의 거리 G, 인접한 홀의 중심 사이 간격 d에 의하여 결정된다. The wavelength of light provided by the quantum light source 100 is determined by the distance rc between the first hole group from the center, the radius r of the holes, the distance G between adjacent hole groups, and the distance d between the centers of adjacent holes.

광 파장(λ)은 홀 그룹 사이의 거리 G 와 물질이 가지는 유효 굴절율(effective refractive index (n eff))에 의해서 크게 결정이 되며 주관계는 다음과 같다. λ=G×n eff . rc, r, d 등의 변수 등은 시뮬레이션을 통해 최적화 될수 있으며, 일례로, 도 8에 사용된 구조는 InP 물질에서 1300 nm 광파장을 갖는 광학구조의 예시이며, 사용된 변수는 다음과 같다. G=485 nm, rc= 2.7 x G, r=0.105 x G, d=0.6 x G 이다. The light wavelength λ is largely determined by the distance G between the hole groups and the effective refractive index ( n eff ) of the material, and the main relationship is as follows. λ=G× n eff . Variables such as rc, r, and d can be optimized through simulation. For example, the structure used in FIG. 8 is an example of an optical structure having an optical wavelength of 1300 nm in an InP material, and the parameters used are as follows. G = 485 nm, rc = 2.7 x G, r = 0.105 x G, d = 0.6 x G.

도 3(a)는 도 1의 A-A'선을 따른 단면도이고, 도 3(b)는 도 1의 C-C'선을 따른 단면도이다. 도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하면, 양자 광원(100)은 반도체 층(130)과 희생층(120) 및 반도체층(110)이 적층된 기판으로부터 형성된다. 반도체층(110)은 패터닝되어 반도체 층(110)을 관통하고 중심으로부터 이격된 복수의 홀(hole)들을 포함하는 하나 이상의 홀 그룹(HG1, HG2, ..., HGK)들이 형성되어 베이스(base)를 형성할 수 있다. 3(a) is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 1 , and FIG. 3(b) is a cross-sectional view taken along line C-C' of FIG. 1 . Referring to FIGS. 3A and 3B , the quantum light source 100 is formed from a substrate on which a semiconductor layer 130 , a sacrificial layer 120 , and a semiconductor layer 110 are stacked. The semiconductor layer 110 is patterned to form one or more hole groups HG1 , HG2 , ..., HGK penetrating the semiconductor layer 110 and including a plurality of holes spaced apart from the center to form a base. ) can be formed.

양자 광원(100)의 형성과정에서 베이스 하부의 희생층(120)은 식각되어 제거된다. 반도체 베이스(base)와 레이어(layer)는 브릿지(B)에 의하여 연결되나, 브릿지(B)가 형성되지 않은 부분은 서로 이격된다. 레이어(layer)는 반도체층(110) 중 반도체 베이스(base) 및/또는 브릿지(B)로 패턴되지 않은 부분일 수 있다.In the process of forming the quantum light source 100 , the sacrificial layer 120 under the base is etched and removed. The semiconductor base and the layer are connected by a bridge B, but portions in which the bridge B is not formed are spaced apart from each other. The layer may be a portion of the semiconductor layer 110 that is not patterned with the semiconductor base and/or the bridge B.

반도체 베이스(base)는 III-V 반도체 및 II-VI 반도체 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 일 예로, III-V 반도체는 InP,GaAs, GaN일 수 있으며, II-VI 반도체는 ZnO, CdSe 일 수 있다. 이외에도 양자 구조를 포함하는 다이아몬드, SiC 등의 물질일 수 있다. 일 실시예로, 반도체 멤브레인(membrane)과 브릿지(B) 및 반도체 베이스(base)는 동일한 반도체 기판을 패터닝하여 형성될 수 있다.The semiconductor base may be formed of any one of a III-V semiconductor and a II-VI semiconductor. For example, the III-V semiconductor may be InP, GaAs, or GaN, and the II-VI semiconductor may be ZnO or CdSe. In addition, it may be a material such as diamond or SiC having a quantum structure. In an embodiment, the semiconductor membrane, the bridge B, and the semiconductor base may be formed by patterning the same semiconductor substrate.

도 3(a) 및 도 3(b)로 예시된 실시예에서, 반도체 베이스(base)는 양자구조(quantum structure, QS)를 포함한다. 일 예로, 양자 구조는 (quantum structure)은 InAs, InGaAs, GaN, InGaN 양자점 중 하나일 수 있으며, 양자점은 반도체 층 사이에 위치할 수 있다. 도시되지 않은 다른 실시예에 의하면 반도체 베이스(base)에는 고체 점 결함(defect center), 도핑 이온은 및 이차원 물질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 도핑 이온은 어븀(Er) 이온 일 수 있고, 이차원 물질은 텅스텐다이셀레나이드(WSe2) 및 육방정 질화 불소(hBN, hexagonal boron nitride) 중 어느 하나일 수 있다. 양자점(quantum dot), NV 센터 구조(nitrogen-vacancy center structure), 도핑 이온 및 이차원 물질은 양자 광원을 생성하는 광원 역할을 한다. 양자 구조를 포함하는 베이스는 생성된 양자 광원을 수직으로 방출하는 효율을 증가시킨다.3(a) and 3(b), the semiconductor base comprises a quantum structure (QS). For example, the quantum structure may be one of InAs, InGaAs, GaN, and InGaN quantum dots, and the quantum dots may be positioned between semiconductor layers. According to another embodiment not shown, the semiconductor base may include any one or more of a solid point defect, silver doping ions, and a two-dimensional material. The doping ion may be an erbium (Er) ion, and the two-dimensional material may be any one of tungsten diselenide (WSe2) and hexagonal boron nitride (hBN). Quantum dots, NV center structures (nitrogen-vacancy center structures), doping ions, and two-dimensional materials serve as light sources to generate quantum light sources. A base comprising a quantum structure increases the efficiency of vertically emitting the generated quantum light source.

도 4는 다른 실시예에 의한 양자 광원에 포함된 베이스(base)의 평면도이다. 설명의 편의를 위하여 브릿지(B)와 레이어(layer)는 도시를 생략하였다. 도 4로 예시된 실시예에 의하면, 중심으로부터 서로 동일한 거리에 위치하여 동일한 홀 그룹에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 서로 동일하고, 중심으로부터 이격될수록 동일한 홀 그룹들에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 감소한다. 또한, 이웃한 홀 그룹 사이의 간격은 홀 그룹이 중심으로부터 이격된 거리가 증가할수록 감소한다.4 is a plan view of a base included in a quantum light source according to another embodiment. For convenience of description, the bridge (B) and the layer (layer) are omitted from illustration. According to the embodiment illustrated in FIG. 4 , the radii of the plurality of holes included in the same hole group located at the same distance from the center are the same, and the radius of the plurality of holes included in the same hole group is the same as the distance from the center is increased. is decreased Also, the spacing between adjacent hole groups decreases as the distance between the hole groups increases from the center.

도시되지 않은 다른 실시예에 의하면, 중심으로부터 서로 동일한 거리에 위치하여 동일한 홀 그룹에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 서로 동일할 수 있으나, 중심으로부터 거리가 변화함에 따라 동일한 홀 그룹들에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 변화할 수 있다. 또한, 이웃한 홀 그룹 사이의 간격도 홀 그룹이 중심으로부터의 거리가 변화할수록 변화할 수 있다.According to another embodiment (not shown), the radii of the plurality of holes included in the same hole group located at the same distance from the center may be the same, but as the distance from the center changes, the plurality of holes included in the same hole group may be the same. The radius of the holes in can be varied. Also, the spacing between adjacent hole groups may change as the distance from the center of the hole groups changes.

도 5는 양자 광원을 어레이 형태로 배치한 양자 광원 어레이의 현미경(SEM) 사진이다. 도 5를 참조하면, 복수의 단위 양자 광원 어레이를 단일한 반도체 기판에 배치하여 양자 광원 어레이를 형성할 수 있다. 양자 광원 어레이에 포함된 하나 이상의 양자 광원은 도 1로 예시된 것과 같이 동일한 홀 그룹에 포함된 홀(H)들은 동일한 반지름(r)을 가지고, 인접한 홀의 중심 사이 간격(d)이 동일하도록 상호 이격되고, 인접한 홀 그룹과 홀 그룹은 서로 간의 간격이 동일하도록 상호 이격되며, 각각의 홀(H)들은 반도체 베이스(base)를 관통하여 형성된 구조를 가질 수 있다. 5 is a microscope (SEM) photograph of a quantum light source array in which quantum light sources are arranged in an array form. Referring to FIG. 5 , a plurality of unit quantum light source arrays may be disposed on a single semiconductor substrate to form a quantum light source array. One or more quantum light sources included in the quantum light source array are spaced apart from each other so that the holes (H) included in the same hole group have the same radius (r), and the spacing (d) between the centers of adjacent holes is the same as illustrated in FIG. 1 . The adjacent hole group and the hole group may be spaced apart from each other so that the distance therebetween is the same, and each hole H may have a structure formed through a semiconductor base.

양자 광원 어레이에 포함된 하나 이상의 양자 광원은 도 2로 예시된 것과 같이 중심으로부터 서로 동일한 거리에 위치하여 동일한 홀 그룹에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 서로 동일하고, 중심으로부터 이격될수록 동일한 홀 그룹들에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 감소하며 이웃한 홀 그룹 사이의 간격은 홀 그룹이 중심으로부터 이격된 거리가 증가할수록 감소하는 구조를 가질 수 있다. One or more quantum light sources included in the quantum light source array are positioned at the same distance from the center as illustrated in FIG. 2 , so that the radius of a plurality of holes included in the same hole group is the same, and as the distance from the center increases, the same hole groups are formed. The radius of the plurality of holes included in the ? may decrease, and the spacing between adjacent hole groups may have a structure in which the distance between the adjacent hole groups decreases as the distance from the center of the hole groups increases.

또한, 양자 광원 어레이에 포함된 하나 이상의 양자 광원은 중심으로부터 서로 동일한 거리에 위치하여 동일한 홀 그룹에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 서로 동일하며, 중심으로부터 이격될수록 동일한 홀 그룹들에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 증가하고, 이웃한 홀 그룹 사이의 간격은 홀 그룹이 중심으로부터 이격된 거리가 증가할수록 증가하는 구조를 가질 수 있다. In addition, one or more quantum light sources included in the quantum light source array are located at the same distance from the center, so that the radius of the plurality of holes included in the same hole group is the same, and the more spaced from the center, the more the plurality of holes included in the same hole group are located. The radius of the holes may increase, and the spacing between adjacent hole groups may have a structure that increases as the distance between the hole groups increases from the center.

이하에서는 도 6 내지 도 7을 참조하여 본 실시예에 의한 양자 광원을 살펴본다. 양자 광원(100)은 점착성 전사 기판(미도시, adhesive transfer substrate)로 전사된다. 일 실시예로, 반도체 기판에 형성된 양자 광원(100)이 점착성 전사 기판과 접촉하면 베이스(base)와 기판(100)을 연결하는 브릿지(B)가 파괴되고, 양자 광원(100)은 점착성 전사 기판으로 전사된다. 일 실시예로, 점착성 전사 기판은 점착성 표면을 가지는 폴리머 기판일 수 있으며, 일 예로, 점착성 전사 기판은 투명한 PDMS 기판일 수 있다. 점착성 전사 기판에 점사된 양자 광원(100)은 광섬유(500)의 코어(core)와 정렬되어 부착된다.Hereinafter, a quantum light source according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 6 to 7 . The quantum light source 100 is transferred to an adhesive transfer substrate (not shown, adhesive transfer substrate). In one embodiment, when the quantum light source 100 formed on the semiconductor substrate comes into contact with the adhesive transfer substrate, the bridge B connecting the base and the substrate 100 is destroyed, and the quantum light source 100 is the adhesive transfer substrate. is transcribed into In one embodiment, the adhesive transfer substrate may be a polymer substrate having an adhesive surface, for example, the adhesive transfer substrate may be a transparent PDMS substrate. The quantum light source 100 irradiated onto the adhesive transfer substrate is aligned with the core of the optical fiber 500 and attached thereto.

전사과정은 광학 현미경을 통해 진행될 수 있으며, 광섬유 반대쪽에서 가이드 레이저를 입사시켜 광섬유 코어의 위치를 확인할 수 있다. 고배율의 현미경과 정밀 위치 제어 스테이지를 통해 양자광원과 광섬유 코어(core) 사이의 정밀 얼라인 및 결합이 가능하다.The transfer process can be performed through an optical microscope, and the position of the optical fiber core can be confirmed by irradiating a guide laser from the opposite side of the optical fiber. The high-magnification microscope and precise positioning stage enable precise alignment and coupling between the quantum light source and the optical fiber core.

도 6은 본 실시예에 의한 양자 광원(100) 동작의 실시예를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 양자 광원(100)은 광섬유의 일 단부의 중심에 위치한다. 양자 광원(100)의 제1 면은 제1 전극(E1)과 전기적으로 연결되고, 제2 면은 제2 전극(E2)와 연결된다. 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2)에는 전압원이 연결되어 양자 광원(100)에 구동 전력을 제공한다. 도 6으로 예시된 실시예는 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2)은 전압원이 연결되나, 도시되지 않은 실시예에서, 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2)은 전류원이 연결된다. 일 실시예로, 광섬유와 결합하지 않는 면으로 단일 또는 얽힘 광자가 방출되는 것을 방지하기 위하여 제1 면에 형성된 제1 전극(E1)은 금(gold), 은(silver) 등의 높은 반사율을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 제1 전극(E1)은 양자 광원(100)이 목적하지 않는 방향으로 방출한 양자를 반사하는 미러(mirror)로 기능할 수 있다.6 is a diagram schematically illustrating an embodiment of the operation of the quantum light source 100 according to the present embodiment. Referring to FIG. 6 , the quantum light source 100 is located at the center of one end of the optical fiber. A first surface of the quantum light source 100 is electrically connected to the first electrode E1 , and a second surface thereof is connected to the second electrode E2 . A voltage source is connected to the first electrode E1 and the second electrode E2 to provide driving power to the quantum light source 100 . In the embodiment illustrated in FIG. 6 , the first electrode E1 and the second electrode E2 are connected to a voltage source, but in an embodiment not shown, the first electrode E1 and the second electrode E2 are a current source Connected. In one embodiment, the first electrode E1 formed on the first surface to prevent single or entangled photons from being emitted to the surface that is not coupled to the optical fiber has a high reflectance such as gold and silver. It may be formed of a material. The first electrode E1 may function as a mirror that reflects the quantum emitted by the quantum light source 100 in an undesired direction.

전압원 및 전류원 등의 전원에 의하여 양자 광원(100)에 에너지가 제공됨에 따라 양자 광원(100)은 단일 또는 얽힘 광자를 광섬유를 통하여 제공하며 낮은 개구율을 가지는 광섬유에 효율적인 광학 결합이 가능하다.As energy is provided to the quantum light source 100 by power sources such as a voltage source and a current source, the quantum light source 100 provides single or entangled photons through an optical fiber, and efficient optical coupling is possible to an optical fiber having a low aperture ratio.

도 7은 본 실시예에 의한 양자 광원(100) 동작의 다른 실시예를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 레이저 소스(Laser Source)는 커플러(coupler)를 거쳐 양자 광원(100)에 레이저를 조사한다. 양자 광원(100)에 조사된 레이저의 에너지에 의하여 양자 광원(100)은 단일 또는 얽힘 광자를 생성하여 출력한다. 일 실시예로, 양자 광원(100)에는 목적하지 않는 방향으로 양자가 방출되는 것을 방지하기 위하여 미러(M)가 형성될 수 있다. 7 is a diagram schematically illustrating another embodiment of the operation of the quantum light source 100 according to the present embodiment. Referring to FIG. 7 , a laser source irradiates a laser to the quantum light source 100 through a coupler. The quantum light source 100 generates and outputs single or entangled photons by the energy of the laser irradiated to the quantum light source 100 . In an embodiment, a mirror M may be formed in the quantum light source 100 to prevent quantum emission in an undesirable direction.

양자 광원(100)에서 방출된 단일 또는 얽힘 광자는 광 섬유(500)를 거쳐 광섬유 커플러(fiber coupler) 제공된다. 광섬유 커플러(fiber coupler)를 거친 양자 광은 광 섬유를 통해 유도된다. 도시되지 않은 실시 예에서 광 섬유에 양자 광원외 일부 레이저가 일부 포함되는 것을 막기 위해서 광 섬유 파장 필터 또는 편광 필터가 포함될 수 있다. 도시된 양자 광원(100)은 낮은 개구율을 가지는 광섬유와 효율적인 광학 결합이 가능하다는 장점이 제공된다. A single or entangled photon emitted from the quantum light source 100 is provided to an optical fiber coupler via an optical fiber 500 . Quantum light passing through a fiber coupler is guided through an optical fiber. In an embodiment not shown, an optical fiber wavelength filter or a polarizing filter may be included to prevent a partial laser other than the quantum light source from being partially included in the optical fiber. The illustrated quantum light source 100 is provided with the advantage that efficient optical coupling with an optical fiber having a low aperture ratio is possible.

모의 실험예simulation example

이하에서는 도 8(a) 및 도 8(b)를 참조하여 본 실시예에 의한 양자 광원의 실험 결과를 살펴본다. 도 8(a)는 양자 광원(100)의 현미경(SEM) 사진이고, 도 8(b)는 방출하는 광의 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 도 8(a)를 참조하면, 양자 광원은, 중심과 인접한 홀 그룹 사이의 거리가 1000nm, 양자 광원에 포함된 복수의 홀들의 반지름이 52.5nm, 이웃하는 홀 그룹 사이의 이격 거리가 500nm, 동일한 홀 그룹에 속하는 홀 들 사이의 중심과 중심 사이의 거리가 300nm로 설계 되어 방출하는 파장이 1300nm가 되도록 설계되었다. 이와 같이 설계된 양자 광원은 방출하는 광의 파장이 1300nm 임을 도 8(b)로 확인할 수 있다.Hereinafter, the experimental results of the quantum light source according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 8(a) and 8(b). FIG. 8(a) is a microscope (SEM) photograph of the quantum light source 100, and FIG. 8(b) is a graph illustrating a spectrum of emitted light. Referring to FIG. 8(a), in the quantum light source, the distance between the center and the adjacent hole group is 1000 nm, the radius of a plurality of holes included in the quantum light source is 52.5 nm, the spacing between the neighboring hole groups is 500 nm, the same The center-to-center distance between the holes belonging to the hole group is designed to be 300 nm, and the emission wavelength is designed to be 1300 nm. It can be seen from FIG. 8(b) that the quantum light source designed in this way has a wavelength of 1300 nm.

도 9(a) 및 도 9(b)는 종래의 양자 광원과 본 실시예에 의한 양자 광원이 발산하는 전기장의 광학 모드를 도시한 도면들이다. 도 9(a) 및 도 9(b)를 참조하면, 종래의 양자 광원은 전기장을 널리 퍼지게 발산하는 것을 위에서 확인한 광학 모드 및 옆에서 확인한 광학 모드로부터 확인할 수 있다. 그러나, 본 실시예에 의한 양자 광원은 전기장을 더 좁은 각도로 발산하는 것을 도 9(b)로부터 확인할 수 있다.9(a) and 9(b) are diagrams illustrating an optical mode of an electric field emitted by a conventional quantum light source and a quantum light source according to the present embodiment. Referring to FIGS. 9( a ) and 9 ( b ), it can be confirmed from the optical mode confirmed above and the optical mode from the side that the conventional quantum light source widely radiates an electric field. However, it can be seen from FIG. 9(b) that the quantum light source according to the present embodiment radiates the electric field at a narrower angle.

도 10은 시료의 빛을 포집하는 포집 각도와 관련된 광학계의 개구율에 따른 구조별 광포집 효율(collection efficiency)을 비교한 그래프이다. 도 10을 참조하면, 광 섬유에 해당하는 광 포집 각도(collection angle)인 NA= 0.1일 때 종래 기술의 효율에 비하여 2배 이상의 효율을 가지는 것을 알 수 있다. 나아가, NA=0.35, NA = 0.7인 경우에도 종래 기술에 비하여 높은 효율을 가지는 것을 확인할 수 있다.10 is a graph comparing light collection efficiencies for each structure according to an aperture ratio of an optical system related to a collection angle for collecting light from a sample. Referring to FIG. 10 , it can be seen that when NA=0.1, which is a light collection angle corresponding to the optical fiber, the efficiency is more than twice that of the prior art. Furthermore, even when NA=0.35 and NA=0.7, it can be confirmed that the efficiency is higher than that of the prior art.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다. Although it has been described with reference to the embodiment shown in the drawings in order to help the understanding of the present invention, this is an embodiment for implementation, it is merely an example, and those of ordinary skill in the art have various modifications and equivalents therefrom. It will be appreciated that other embodiments are possible. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

100: 양자 광원
rc: 중심과 첫 번째 홀 그룹 사이의 이격 거리
B: 브릿지 H: 홀
r: 홀들의 반지름 G: 인접한 홀 그룹 사이의 거리
d: 인접한 홀의 중심 사이 간격 sub: 반도체 기판
base: 반도체 베이스 QD: 양자점
cladding: 클래딩 core: 코어
E1: 제1 전극 E2: 제2 전극
Laser Source: 레이저 소스 coupler:커플러
M:미러 500: 광 섬유
QS: 양자 구조
HG1, HG2, ...HGK: 홀 그룹
100: quantum light source
rc: the distance between the center and the first group of holes
B: Bridge H: Hall
r: radius of holes G: distance between adjacent groups of holes
d: spacing between centers of adjacent holes sub: semiconductor substrate
base: semiconductor base QD: quantum dots
cladding: cladding core: core
E1: first electrode E2: second electrode
Laser Source: laser source coupler: coupler
M:Mirror 500: Fiber Optic
QS: Quantum Structure
HG1, HG2, ...HGK: Hall group

Claims (23)

반도체 베이스(base);
상기 반도체 베이스를 관통하고 중심으로부터 이격된 복수의 홀(hole)들을 포함하는 하나 이상의 홀 그룹들을 포함하고,
동일한 상기 홀 그룹에 포함된 상기 복수의 홀들은 상기 중심으로부터 동일한 거리만큼 이격되고, 동일한 상기 홀 그룹에 포함된 상기 복수의 홀들은 서로 동일한 거리만큼 이격된 양자 광원.
semiconductor base;
one or more hole groups penetrating the semiconductor base and including a plurality of holes spaced apart from the center;
The plurality of holes included in the same hole group are spaced apart from the center by the same distance, and the plurality of holes included in the same hole group are spaced apart from each other by the same distance.
제1항에 있어서,
상기 반도체 베이스(base)는 III-V 반도체 및 II-VI 반도체, 다이아몬드, SiC 중 어느 하나를 포함하는 양자 광원.
According to claim 1,
The semiconductor base (base) is a quantum light source comprising any one of III-V semiconductor, II-VI semiconductor, diamond, and SiC.
제2항에 있어서,
상기 III-V 반도체는 InP, GaAs, GaN 중 어느 하나이고, 상기 II-VI 반도체는 ZnO, CdSe 중 어느 하나인 양자 광원.
3. The method of claim 2,
The III-V semiconductor is any one of InP, GaAs, and GaN, and the II-VI semiconductor is A quantum light source of any one of ZnO and CdSe.
제1항에 있어서,
상기 반도체 베이스(base)는 양자점, 고체 점 결함(defect center structure), 도핑 이온 및 이차원 물질 중 어느 하나를 포함하는 양자 광원.
According to claim 1,
The semiconductor base (base) is a quantum light source including any one of a quantum dot, a solid point defect (defect center structure), doping ions, and a two-dimensional material.
제4항에 있어서,
상기 양자점은 III-V 반도체 양자점이고,
상기 도핑 이온은 어븀(Er) 이온 이며,
상기 이차원 물질은 텅스텐다이셀레나이드(WSe2) 및 육방정 질화 불소(hBN, hexagonal boron nitride) 중 어느 하나인 양자 광원.
5. The method of claim 4,
The quantum dots are III-V semiconductor quantum dots,
The doping ion is an erbium (Er) ion,
The two-dimensional material is a quantum light source of any one of tungsten diselenide (WSe2) and hexagonal fluorine nitride (hBN, hexagonal boron nitride).
제1항에 있어서,
상기 동일한 홀 그룹에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 서로 동일한 양자 광원.
According to claim 1,
A quantum light source having the same radius of the plurality of holes included in the same hole group.
제1항에 있어서,
서로 다른 상기 홀 그룹에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 서로 상이한 양자 광원.
According to claim 1,
A quantum light source having different radii of a plurality of holes included in the different hole groups.
제1항에 있어서,
상기 복수의 홀 그룹에 포함된 상기 홀들의 반지름은 상기 중심으로부터 이격된 거리가 증가할수록 감소하는 양자 광원.
According to claim 1,
The radius of the holes included in the plurality of hole groups decreases as the distance from the center increases.
제1항에 있어서,
상기 양자 광원은
레이어와 하나 이상의 브릿지(bridge)로 연결된 양자 광원.
According to claim 1,
The quantum light source is
A quantum light source connected by one or more bridges to a layer.
제1항에 있어서,
상기 양자 광원은,
상기 양자 광원의 제1 면에 연결된 제1 전극과,
상기 양자 광원의 상기 제1 면의 방향과 반대 방향인 제2 면과 연결된 제2 전극을 포함하며,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 제공되는 에너지에 의하여 단일 또는 얽힘 광자를 제공하는 양자 광원.
According to claim 1,
The quantum light source is
a first electrode connected to a first surface of the quantum light source;
and a second electrode connected to a second surface opposite to the direction of the first surface of the quantum light source,
A quantum light source providing single or entangled photons by energy provided to the first electrode and the second electrode.
제1항에 있어서,
상기 양자 광원은,
레이저가 조사되어 제공되는 에너지에 의하여 단일 또는 얽힘 광자를 제공하는 양자 광원.
According to claim 1,
The quantum light source is
A quantum light source that provides single or entangled photons by the energy provided by irradiating a laser.
제1항에 있어서,
상기 양자 광원은,
상기 중심과 상기 홀 그룹 사이의 이격 거리, 상기 홀 그룹들 사이의 이격거리 및 홀 그룹에 속한 홀들의 반지름 중 어느 하나 이상에 따라 제공하는 파장이 제어되는 양자 광원.
According to claim 1,
The quantum light source is
A quantum light source whose wavelength is controlled according to at least one of a separation distance between the center and the hole group, a separation distance between the hole groups, and a radius of holes belonging to the hole group.
반도체 레이어;
반도체 베이스(base)와, 상기 반도체 베이스를 관통하고 중심으로부터 이격된 복수의 홀(hole)들을 포함하는 하나 이상의 홀 그룹들을 포함하고, 동일한 상기 홀 그룹에 포함된 상기 복수의 홀들은 상기 중심으로부터 동일한 거리만큼 이격되고, 동일한 상기 홀 그룹에 포함된 상기 복수의 홀들은 서로 동일한 거리만큼 이격된 단위 양자 광원 및
상기 단위 양자 광원과 상기 반도체 레이어를 연결하는 브릿지를 포함하며,
복수의 상기 단위 양자 광원들이 어레이로 배치된 양자 광원 어레이.
semiconductor layer;
one or more hole groups including a semiconductor base and a plurality of holes passing through the semiconductor base and spaced apart from a center, wherein the plurality of holes included in the same hole group are identical from the center A unit quantum light source spaced apart by a distance, and the plurality of holes included in the same hole group are spaced apart by the same distance from each other;
a bridge connecting the unit quantum light source and the semiconductor layer;
A quantum light source array in which a plurality of the unit quantum light sources are arranged in an array.
제13항에 있어서,
상기 반도체 베이스(base) 및 상기 반도체 레이어(layer)는 III-V 반도체 및 II-VI 반도체 중 어느 하나를 포함하는 양자 광원 어레이.
14. The method of claim 13,
wherein the semiconductor base and the semiconductor layer include any one of a III-V semiconductor and a II-VI semiconductor.
제14항에 있어서,
상기 III-V 반도체는 InP,GaAs, GaN 중 어느 하나 이고, 상기 II-VI 반도체는 ZnO, CdSe 중 어느 하나인 양자 광원 어레이.
15. The method of claim 14,
The III-V semiconductor is any one of InP, GaAs, and GaN and the II-VI semiconductor is Quantum light source array of any one of ZnO and CdSe.
제13항에 있어서,
상기 반도체 베이스는 양자점, 고체 점 결함(defect center structure), 도핑 이온 및 이차원 물질 중 어느 하나를 포함하는 양자 광원 어레이.
14. The method of claim 13,
The semiconductor base is a quantum dot, a solid dot defect (defect center structure), a quantum light source array including any one of doping ions and a two-dimensional material.
제16항에 있어서,
상기 양자점은 III-V 반도체 양자점이고,
상기 도핑 이온은 어븀(Er) 이온 이며,
상기 이차원 물질은 텅스텐다이셀레나이드(WSe2) 및 육방정 질화 불소(hBN, hexagonal boron nitride) 중 어느 하나인 양자 광원 어레이.
17. The method of claim 16,
The quantum dots are III-V semiconductor quantum dots,
The doping ion is an erbium (Er) ion,
The two-dimensional material is a quantum light source array of any one of tungsten diselenide (WSe2) and hexagonal fluorine nitride (hBN, hexagonal boron nitride).
제13항에 있어서,
상기 동일한 홀 그룹에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 서로 동일한 양자 광원 어레이.
14. The method of claim 13,
A quantum light source array having the same radius of the plurality of holes included in the same hole group.
제13항에 있어서,
서로 다른 상기 홀 그룹에 포함된 복수의 홀들의 반지름은 서로 상이한 양자 광원 어레이.
14. The method of claim 13,
A quantum light source array in which radii of a plurality of holes included in the different hole groups are different from each other.
제13항에 있어서,
상기 복수의 홀 그룹에 포함된 상기 홀들의 반지름은 상기 중심으로부터 이격된 거리가 증가할수록 감소하는 양자 광원 어레이.
14. The method of claim 13,
A quantum light source array in which a radius of the holes included in the plurality of hole groups decreases as a distance from the center increases.
제13항에 있어서,
상기 단위 양자 광원은,
상기 단위 양자 광원의 제1 면에 연결된 제1 전극과,
상기 단위 양자 광원의 상기 제1 면의 방향의 제2 면과 연결된 제2 전극을 포함하며,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 제공되는 에너지에 의하여 단일 또는 얽힘 광자를 제공하는 양자 광원 어레이.
14. The method of claim 13,
The unit quantum light source is
a first electrode connected to a first surface of the unit quantum light source;
a second electrode connected to a second surface in the direction of the first surface of the unit quantum light source;
A quantum light source array providing single or entangled photons by energy provided to the first electrode and the second electrode.
제13항에 있어서,
상기 양자 광원 어레이는,
레이저가 조사되어 제공되는 에너지에 의하여 단일 또는 얽힘 광자를 제공하는 양자 광원 어레이.
14. The method of claim 13,
The quantum light source array,
A quantum light source array that provides single or entangled photons by the energy provided by irradiating a laser.
제13항에 있어서,
상기 단위 양자 광원은,
상기 중심과 상기 홀 그룹 사이의 이격 거리, 상기 홀 그룹들 사이의 이격거리 및 홀 그룹에 속한 홀들의 반지름 중 어느 하나 이상에 따라 제공하는 파장이 제어되는 양자 광원 어레이.
14. The method of claim 13,
The unit quantum light source is
A quantum light source array in which a wavelength to provide is controlled according to at least one of a separation distance between the center and the hole group, a separation distance between the hole groups, and a radius of holes belonging to the hole group.
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