專利名稱：微型單光子光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子信息、單光子源，具體是指一種激發(fā)光源和量子點(diǎn)發(fā)光光源集成的靈巧的、便攜式微型單光子光源。
背景技術(shù)：
量子特性在信息領(lǐng)域中有著獨(dú)特的功能，在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測(cè)精度等方面可能突破現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，于是便誕生了一門新的學(xué)科分支——量子信息科學(xué)。它是量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，包括量子密碼、量子通信、量子計(jì)算和量子測(cè)量等，近年來，在理論和實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)取得了重要突破，引起各國(guó)政府、科技界和信息產(chǎn)業(yè)界的高度重視。人們?cè)絹碓綀?jiān)信，量子信息科學(xué)為信息科學(xué)的發(fā)展開創(chuàng)了新的原理和方法，將在21世紀(jì)發(fā)揮出巨大潛力，而其中的量子密碼是量子信息科學(xué)中很重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。由于量子密碼的安全性由量子力學(xué)原理所保證，被測(cè)量可感知和不可克隆性確保了量子密碼不會(huì)不留痕跡地被竊聽，因此是非常安全的。
然而，無論是量子密碼學(xué)還是量子計(jì)算，單光子光源都是必須解決的關(guān)鍵設(shè)備，是量子信息研究的重要熱點(diǎn)之一，也是必須攻克的難題。現(xiàn)在研究中所使用的單光子光源是將相干光脈沖衰減到平均每個(gè)脈沖只有0.1、0.2個(gè)光子，由于光子的泊松分布特征，通過這樣的衰減途徑實(shí)現(xiàn)的單光子源中，單個(gè)脈沖中存在2個(gè)光子的幾率依然不可忽略，所以這是一種近似的單光子源，其效率低，既影響量子密鑰的傳輸距離，又影響其安全性。因此研制真實(shí)的單光子源成為量子密碼研究的一個(gè)關(guān)鍵性問題。而且，目前這種單光子源還需帶有激光器，使用起來不夠方便，只能在實(shí)驗(yàn)室或相對(duì)固定的場(chǎng)合使用。
如果能夠?qū)喂庾庸庠吹陌l(fā)光部分和激發(fā)光部分集成到一起，制成攜帶方便、操作簡(jiǎn)單的固態(tài)微型化單光子源，則不僅可以大大降低成本，而且還可以在很大程度上普及單光子光源，使得單光子光源的使用就象目前光通訊中激光二極管的使用那樣方便，可極大地拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)量子密碼學(xué)甚至量子信息科學(xué)的研究與應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述單光子光源存在的一些問題，本發(fā)明提出一種發(fā)光部分采用量子點(diǎn)嵌埋的三維光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)，并將其與激發(fā)光源集成，通過三維光學(xué)微腔的選模作用實(shí)現(xiàn)單個(gè)光子輸出，成為攜帶方便、操作簡(jiǎn)單的微型單光子光源。
本發(fā)明的單光子光源，包括激發(fā)光部分、發(fā)光部分和濾光片。激發(fā)光部分采用激光二極管1，發(fā)光部分采用量子點(diǎn)嵌埋的三維光學(xué)微腔2。以激光二極管的芯片作為襯底101，在襯底上置有通過鍍膜和刻蝕方法形成的量子點(diǎn)嵌埋的三維光學(xué)微腔2，微腔2上置有濾光片3。
所說的量子點(diǎn)嵌埋的三維光學(xué)微腔由微腔膜系201，嵌埋在微腔中的量子點(diǎn)202，靠近腔體四周刻有呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱203構(gòu)成。空氣柱203的深度為微腔膜系201的厚度。
所說的微腔膜系201結(jié)構(gòu)為(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m為微腔的下反射膜系2011，nL為微腔的諧振腔層2012，(HL)m為微腔的上反射膜系2013，L為低折射率膜層，H為高折射率膜層，m為L(zhǎng)與H的交替疊層次數(shù)，m≥6，n為2的整數(shù)倍，n≥2，L和H膜層的厚度為λ0/4，λ0為量子點(diǎn)的熒光峰位。
所說的量子點(diǎn)202嵌埋在諧振腔層2012的中間。
所說的濾光片3是一塊單光子光可以透過的帶通濾光片，或者是短波截止濾光片，即保證單光子透過的同時(shí)將單光子波長(zhǎng)以短波段的光都濾掉，以保證激發(fā)光不會(huì)透射出來對(duì)單光子源形成干擾。
上述的微腔膜系為F-P諧振結(jié)構(gòu)，在垂直方向上形成一維光子晶體，同時(shí)微腔膜系又與四周呈三角格子周期性分布的空氣柱形成二維光子晶體，整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)三維光子晶體的光學(xué)微腔，當(dāng)嵌埋在微腔中的量子點(diǎn)被激光二極管激發(fā)時(shí)，由于三維光學(xué)微腔的選模作用，可以獲得性能優(yōu)良的單光子輸出，形成單光子源。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.由于微腔采用準(zhǔn)三維光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使其在各個(gè)方向上都有很好的限制能力，從原理上克服了傳統(tǒng)二維光子晶體微腔結(jié)構(gòu)在垂直方向上漏光的缺陷，而且可以方便地從多個(gè)嵌埋量子點(diǎn)中優(yōu)選出單個(gè)量子點(diǎn)發(fā)光，形成真實(shí)的單光子發(fā)光源。
2.將性能優(yōu)良的單光子發(fā)光部分與相應(yīng)的激發(fā)光部分集成到一起，使得整個(gè)單光子源變得非常緊湊、小巧、便攜，使用起來特別方便；而且外加濾光片的特殊設(shè)計(jì)，使得在單光子輸出的同時(shí)，激發(fā)光源發(fā)出的光不能透過濾光片輸出，避免了激發(fā)光源對(duì)單光子光源的干擾。


圖1為本發(fā)明的微型單光子光源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的光學(xué)微腔的透射譜和所選激光二極管的發(fā)光譜，其中實(shí)線為光學(xué)微腔的透射譜，虛線為激光二極管的發(fā)光譜；
圖3實(shí)線為濾光片的透射譜，虛線為激光二極管的發(fā)光譜。
具體實(shí)施例方式
下面以波長(zhǎng)為585nm的單光子源為實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明1.微腔膜系201的設(shè)計(jì)根據(jù)量子點(diǎn)的熒光峰位λ0＝585nm，采用常規(guī)的膜系設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出帶通峰位與該熒光峰位完全一致的光學(xué)微腔膜系，微腔膜系為(LH)114L(HL)11，其中H為高折射率Nb2O5膜層，L為低折射率SiO2膜層。所設(shè)計(jì)的光學(xué)微腔的透射譜如圖2中的實(shí)線所示，圖2中的虛線為激光二極管的發(fā)光譜，在選擇激光二極管時(shí)，應(yīng)將其發(fā)光峰位λ激選擇在位于光學(xué)微腔膜系短波方向的高透射區(qū)域，以使激發(fā)光進(jìn)入到諧振腔層，激發(fā)量子點(diǎn)發(fā)光。根據(jù)附圖本實(shí)施例選擇發(fā)光峰位為506nm的激光二極管1芯片作為襯底101。
2.發(fā)光部分的制備A.采用常規(guī)的光學(xué)薄膜鍍制方法依次將膜系(LH)11，2L鍍制到激光二極管芯片101上，然后中止鍍膜；B.將化學(xué)方法生長(zhǎng)的濃度低于nmol/L的量子點(diǎn)溶液通過勻膠、噴涂、刷涂或浸蘸等手段涂敷到上述2L膜層上。待溶劑揮發(fā)后，再繼續(xù)依次將膜系2L和(HL)11鍍完，完成光學(xué)微腔膜系的鍍制，此時(shí)量子點(diǎn)202分散嵌埋在諧振腔層中間。
C.然后采用電子束光刻和誘導(dǎo)耦合等離子體刻蝕的方法在微腔膜系上，靠近腔體四周刻蝕呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱203，形成量子點(diǎn)嵌埋的三維光學(xué)微腔2。
3.將一塊單光子可以透過，但激發(fā)光波段完全反射的濾光片3粘貼在三維光學(xué)微腔2上。濾光片3也可以是短波截止濾光片，即保證單光子透過的同時(shí)將單光子波長(zhǎng)以短波段的光都濾掉，，以保證激發(fā)光不會(huì)透射出來對(duì)單光子源形成干擾。
4.在襯底101上引出電極102，接上電源103和電源開關(guān)104，構(gòu)成可控激光二極管1，最終完成便攜式微型單光子光源的制作。
權(quán)利要求
1.一種微型單光子光源，包括激發(fā)光部分、發(fā)光部分和濾光片；其特征在于激發(fā)光部分為激光二極管(1)，發(fā)光部分為量子點(diǎn)嵌埋的三維光學(xué)微腔(2)；以激光二極管的芯片作為襯底(101)，在襯底上置有通過鍍膜和刻蝕方法形成的量子點(diǎn)嵌埋的三維光學(xué)微腔(2)，在微腔(2)上置有和濾光片(3)；所說的量子點(diǎn)嵌埋的三維光學(xué)微腔(2)由微腔膜系(201)，嵌埋在微腔中的量子點(diǎn)(202)，靠近腔體四周刻有呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱(203)構(gòu)成；空氣柱(203)的深度為微腔膜系(201)的厚度；所說的微腔膜系(201)結(jié)構(gòu)為(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m為微腔的下反射膜系(2011)，nL為微腔的諧振腔層(2012)，(HL)m為微腔的上反射膜系(2013)，L為低折射率膜層，H為高折射率膜層，m為L(zhǎng)與H的交替疊層次數(shù)，m≥6，n為2的整數(shù)倍，n≥2，L和H膜層的厚度為λ0/4，λ0為量子點(diǎn)的熒光峰位；所說的量子點(diǎn)(202)嵌埋在諧振腔層(2012)的中間；所說的濾光片(3)是一塊單光子可以透過的帶通濾光片，或者是短波截止濾光片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激發(fā)光源和量子點(diǎn)發(fā)光光源集成的、靈巧的、便攜式微型單光子光源。激發(fā)光源為激光二極管，發(fā)光光源為量子點(diǎn)嵌埋的三維光學(xué)微腔。以激光二極管的芯片作為襯底，在襯底上依次排列量子點(diǎn)嵌埋的三維光學(xué)微腔和濾光片。三維光學(xué)微腔是由微腔膜系和膜系四周刻蝕呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱構(gòu)成的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在微腔膜系的垂直方向上形成一維光子晶體，同時(shí)微腔膜系又與空氣柱形成二維光子晶體，整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)三維光子晶體微腔，當(dāng)嵌埋在微腔中的量子點(diǎn)被激光二極管激發(fā)時(shí)，由于三維光學(xué)微腔的選模作用，可以獲得性能優(yōu)良的單光子輸出，形成單光子源。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1702926SQ20051002527
公開日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2005年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月21日
發(fā)明者陸衛(wèi), 王少偉, 陳平平, 李寧, 張波, 李志鋒, 陳效雙 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所