本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光源領(lǐng)域，具體涉及單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置、耦合系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

單光子源應(yīng)用的一個(gè)重要前提就是與光纖的耦合輸出，其中垂直耦合出射結(jié)構(gòu)由于其可陣列化、便于工業(yè)化生產(chǎn)、操作相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而得到普遍的應(yīng)用。傳統(tǒng)的光纖耦合技術(shù)包括在材料上刻蝕V型槽后與光纖耦合、光纖錐與光波導(dǎo)的耦合以及開(kāi)放式外腔技術(shù)等，但是這些技術(shù)都存在工藝復(fù)雜、對(duì)準(zhǔn)困難、適用范圍有限等不同的局限性。尤其對(duì)于量子點(diǎn)單光子源器件與光纖的耦合輸出，由于單光子源的自組織量子點(diǎn)的尺寸在納米量級(jí)，器件尺寸在微米量級(jí)，為隔離單個(gè)單光子源單元的單光子輸出對(duì)單光子源器件與光纖的對(duì)準(zhǔn)精度提出了更高的要求，傳統(tǒng)的耦合方式很難發(fā)揮作用。如何準(zhǔn)確且便捷地實(shí)現(xiàn)光纖與單光子源器件的耦合輸出，是單光子源走向?qū)嵱没年P(guān)鍵一步。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置、耦合系統(tǒng)及方法。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置。該單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置包括：?jiǎn)喂庾釉雌骷悠?，具有多個(gè)單光子源單元，所述單光子源單元能夠發(fā)射單光子；光纖陣列，包括多根光纖，耦合至所述單光子源器件樣片的上表面，其中光纖陣列中的一根或多根光纖與所述單光子源單元耦合。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于制作單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的耦合系統(tǒng)，包括：制冷平臺(tái)，用于固定及冷卻單光子源器件樣片；六維位移平臺(tái)，通過(guò)夾具固定光纖陣列，用于移動(dòng)光纖陣列；激光器，用于產(chǎn)生激發(fā)光，激發(fā)單光子源器件樣片中的單光子源單元；光譜儀探測(cè)器，用于探測(cè)所述單光子源單元產(chǎn)生的單光子信號(hào)；波分復(fù)用器，連接所述激光器、光譜儀探測(cè)器和光纖陣列，將所述激光器的激發(fā)光傳輸至光纖陣列，將所述光纖陣列接收的單光子信號(hào)傳輸給光譜儀。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制作單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的方法，包括：將單光子源器件樣片固定于制冷平臺(tái)上，光纖陣列的光纖陣列端面與樣片平行設(shè)置且位于樣片上方；將光纖陣列的光纖陣列端面抵近并對(duì)準(zhǔn)單光子源器件樣片表面；在水平面上移動(dòng)光纖陣列，對(duì)單光子源器件樣片表面實(shí)施掃描，通過(guò)探測(cè)單光子信號(hào)確定單光子源單元位置；耦合光纖陣列于單光子源器件樣片的上述單光子源單元位置。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)采用光纖陣列耦合至單光子源器件樣片的單光子源單元上，相比于單根光纖垂直耦合操作更為便捷，無(wú)需通過(guò)顯微鏡觀察來(lái)精確控制光纖端面抵近樣片且固化過(guò)程也更易操作；

(2)單光子源器件樣片上設(shè)置微柱結(jié)構(gòu)，通過(guò)Purcell效應(yīng)進(jìn)一步提高單光子源單元的單光子的出射速率。

(3)采用光纖陣列與單光子源器件的微柱陣列耦合，光纖纖芯直徑略小于微柱結(jié)構(gòu)間距，實(shí)現(xiàn)每個(gè)光纖內(nèi)芯處有且僅有一個(gè)微柱結(jié)構(gòu)，操作便捷可靠，并且采用排式光纖陣列進(jìn)行耦合相比于單根光纖更具有穩(wěn)定性強(qiáng)、技術(shù)操作簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)；

(4)采用六維位移平臺(tái)調(diào)節(jié)光纖端位置，實(shí)現(xiàn)光纖端面在微柱結(jié)構(gòu)上的精確掃描并且可實(shí)現(xiàn)原位對(duì)準(zhǔn)(即測(cè)試到單光子信號(hào)輸出位置點(diǎn)可原位對(duì)準(zhǔn))。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的示意圖；

圖2為制作圖1中單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置應(yīng)用的耦合系統(tǒng)示意圖；

圖3為制作圖1中單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的方法流程圖。

【主要元件】

1-微柱結(jié)構(gòu)； 2-光纖陣列； 3-光纖陣列端面；

4-光纖； 5-制冷平臺(tái)； 6-六維位移平臺(tái)；

7-激光器； 8-光譜儀； 9-波分復(fù)用器；

10-夾具。

具體實(shí)施方式

在描述問(wèn)題的解決方案之前，先定義一些特定詞匯的定義是有幫助的。本發(fā)明中的X方向?yàn)樗阶笥曳较颍琘方向?yàn)樗角昂蠓较?，Z方向?yàn)樨Q直方向，XY平面為水平平面。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置，如圖1所示，單光子源器件樣片，具有多個(gè)單光子源單元，光纖陣列2，由多根光纖4排布而成，耦合至所述單光子源器件樣片的上表面，光纖陣列2中的一根或多根光纖4與所述單光子源單元耦合。

本發(fā)明實(shí)施例中的單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置采用光纖陣列實(shí)現(xiàn)單光子源器件與光纖的垂直耦合輸出。單光子源器件為具有微柱結(jié)構(gòu)的單光子源器件。如附圖1所示，單光子源器件包括多個(gè)陣列排布的微柱結(jié)構(gòu)1，相鄰微柱結(jié)構(gòu)1之間的距離為10μm～50μm，優(yōu)選為10μm，直徑為1～5μm，優(yōu)選為2μm，微柱結(jié)構(gòu)1均包括由下至上依次生長(zhǎng)的下DBR(Distributed Bragg Reflector)層、有源區(qū)以及上DBR層，下DBR層、有源區(qū)以及上DBR層形成共振腔，有源區(qū)為自組織梯度生長(zhǎng)的In(Ga)As/GaAs量子點(diǎn)，只有有源區(qū)存在量子點(diǎn)稀點(diǎn)的微柱結(jié)構(gòu)1才可以發(fā)射單光子，作為單光子源單元，微柱結(jié)構(gòu)1通過(guò)半導(dǎo)體工藝在形成有依次生長(zhǎng)有下DBR(Distributed Bragg Reflector)層、有源區(qū)以及上DBR層的單光子源器件樣片上刻蝕而成，微柱結(jié)構(gòu)1通過(guò)Purcell效應(yīng)進(jìn)一步提高單光子的出射速率。

光纖陣列2由多根光纖4陣列排布而成，光纖陣列端面3尺寸優(yōu)選為3mm×2.5mm，并且經(jīng)磨平處理，光纖選用普通的單模光纖，光纖4的直徑為125μm，內(nèi)芯直徑為9μm，略小于相鄰微柱結(jié)構(gòu)1之間的距離，可保證每個(gè)光纖內(nèi)芯處有且僅有一個(gè)微柱結(jié)構(gòu)，且相鄰微柱結(jié)構(gòu)1之間的合適距離可以對(duì)光纖陣列形成有效的支撐。

本實(shí)施例還提供了一種制作上述單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的耦合系統(tǒng)，如圖2所示，其中，制冷平臺(tái)5，用于固定單光子源器件樣片，并保持固定單光子源器件樣片處于低溫，可以通過(guò)倒入液氮使單光子源器件樣片處于低溫，優(yōu)選77K。

六維位移平臺(tái)6，通過(guò)夾具固定光纖陣列2，并在X、Y、Z三個(gè)方向上移動(dòng)光纖陣列2。激光器7，用于產(chǎn)生激發(fā)光，來(lái)激發(fā)單光子源器件樣片中的單光子源單元。光譜儀探測(cè)器8，用于探測(cè)單光子源單元產(chǎn)生的單光子信號(hào)。

波分復(fù)用器9(Wavelength Division Multiplexing，WDM)，連接激光器7、光譜儀探測(cè)器8和光纖陣列2，將激光器7的激發(fā)光傳輸給光纖陣列2中，將光纖陣列2接收的單光子信號(hào)傳輸給光譜儀8。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種利用上述耦合系統(tǒng)制作單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的方法。采用激光器7發(fā)射激發(fā)光通過(guò)波分復(fù)用器9經(jīng)光纖陣列2激發(fā)單光子源器件樣片上的微柱結(jié)構(gòu)1，若微柱結(jié)構(gòu)1為單光子源單元，則受激發(fā)光激發(fā)產(chǎn)生單光子，反向經(jīng)過(guò)光纖陣列2及波分復(fù)用器9，由光譜儀探測(cè)器8收集，通過(guò)六維位置平臺(tái)帶動(dòng)光纖陣列在樣片的微柱結(jié)構(gòu)1上移動(dòng)，并通過(guò)光譜儀探測(cè)器8實(shí)時(shí)探測(cè)單光子來(lái)尋找微柱結(jié)構(gòu)1中的單光子源單元，確定單光子源單元位置而后通過(guò)紫外膠固化原位將光線陣列2耦合至單光子源單元形成單光子源光纖輸出器件。

其中光纖陣列2中一根光纖或根光纖用于傳輸激發(fā)光和單光子信號(hào)，優(yōu)選用一根光纖來(lái)傳遞傳輸激發(fā)光和單光子。

具體的，制作單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的方法包括以下步驟，如圖3所示：

步驟A：在量子點(diǎn)單光子源器件樣片上刻蝕出陣列排布的微柱結(jié)構(gòu)1。

具體的，在GaAs(SI)襯底上依次生長(zhǎng)的下DBR(Distributed Bragg Reflector)層、有源區(qū)以及上DBR層，下DBR層、有源區(qū)以及上DBR層形成共振腔，有源區(qū)為自組織梯度生長(zhǎng)的In(Ga)As/GaAs量子點(diǎn)，形成樣片，利用電子束曝光和干法刻蝕等工藝流程在樣片上刻蝕出陣列排布的微柱結(jié)構(gòu)1，相鄰兩微柱結(jié)構(gòu)1之間的距離為10μm，周期性排列的微柱結(jié)構(gòu)對(duì)后述的光纖陣列端面3也有支撐作用。

步驟B：將單光子源器件樣片固定于制冷平臺(tái)5上，光纖陣列2的光纖陣列端面3與樣片平行設(shè)置且位于樣片上方。

具體的，光纖陣列2由多根光纖4陣列排布而成，光纖陣列端面3尺寸優(yōu)選為3mm×2.5mm，并且經(jīng)磨平處理，利于提高單光子的收集效率，光纖4的直徑為，優(yōu)選為125μm，內(nèi)芯直徑略小于鄰微柱結(jié)構(gòu)1之間的距離，為9μm，保證每個(gè)光纖內(nèi)芯處有且僅有一個(gè)微柱。

樣片固定于制冷平臺(tái)5上，制冷平臺(tái)5用于降低樣片溫度，在溫度優(yōu)選為77K溫度下可通過(guò)光譜儀8觀測(cè)量子點(diǎn)的光譜信號(hào)，光纖陣列2由夾具10固定，夾具10的具體位置由六維位移平臺(tái)6控制，將光纖陣列2通過(guò)夾具固定于樣片正上方，調(diào)節(jié)六維位移平臺(tái)6使得光纖陣列端面3與樣片平行。

步驟C：將光纖陣列2的光纖陣列端面3抵近并對(duì)準(zhǔn)單光子源器件樣片的微柱結(jié)構(gòu)1；

具體的，將光纖陣列2通過(guò)夾具10固定并將光纖陣列3端面抵近并對(duì)準(zhǔn)測(cè)試樣片的微柱結(jié)構(gòu)1后，激光器7發(fā)射激發(fā)光，經(jīng)波分復(fù)用器9及光纖陣列2激發(fā)與光纖陣列2相對(duì)準(zhǔn)的微柱結(jié)構(gòu)1，若微柱結(jié)構(gòu)1為單光子源單元，則受激發(fā)光激發(fā)產(chǎn)生單光子，反向經(jīng)過(guò)光纖陣列2及波分復(fù)用器9，由光譜儀探測(cè)器8探測(cè)到單光子信號(hào)，若微柱結(jié)構(gòu)1不是單光子源單元，則光譜儀探測(cè)器8探測(cè)不到單光子信號(hào)；

步驟D：移動(dòng)光纖陣列2，對(duì)微柱結(jié)構(gòu)1實(shí)施掃描，確定單光子源單元位置。

通過(guò)六維位移平臺(tái)6來(lái)調(diào)節(jié)光纖陣列端面3的位置來(lái)對(duì)樣片上微柱結(jié)構(gòu)1在XY平面內(nèi)實(shí)施掃描，并實(shí)時(shí)觀測(cè)光譜儀探測(cè)器8是否探測(cè)的單光子信號(hào)，若探測(cè)到單光子信號(hào)，則停止掃描，保持光纖陣列端面3的位置不動(dòng)。

步驟E：耦合光纖陣列2與單光子源器件樣片。

具體的，通過(guò)六維位移平臺(tái)6將光纖陣列2在Z軸方向上抬高，在相應(yīng)的樣片區(qū)域涂覆紫外膠，通過(guò)六維位移平臺(tái)6將光纖陣列2在Z軸方向上降低，使得光纖陣列端面3緊密抵近樣片，采用紫外燈照射固化固定，實(shí)現(xiàn)單光子源器件的光纖耦合輸出。

盡管本發(fā)明實(shí)施例僅給出了單光子源與光纖的耦合輸出，本發(fā)明還可用于垂直發(fā)射器件如垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)的光纖耦合，具有廣泛的應(yīng)用前景。

應(yīng)注意，附圖中各部件的形狀和尺寸不反映真實(shí)大小和比例，而僅示意本發(fā)明實(shí)施例的內(nèi)容。

實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。并且上述實(shí)施例可基于設(shè)計(jì)及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實(shí)施例混合搭配使用，即不同實(shí)施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實(shí)施例。

需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。此外，上述對(duì)各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換。

例如：

(1)具有微柱結(jié)構(gòu)的單光子源器件可以用不刻蝕微柱僅含有上下DBR共振腔的量子點(diǎn)樣片來(lái)替代，可以省略步驟A；

(2)具有微柱結(jié)構(gòu)的單光子源器件還可以用VCSEL這種面發(fā)射的器件來(lái)替代形成耦合輸出裝置；

(3)具有微柱結(jié)構(gòu)的單光子源器件還可以用含氮空位色心的金剛石納米晶體來(lái)替代形成耦合輸出裝置。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。