专利名称：三维光学微腔式单光子源的制作方法
技术领域：
本发明涉及量子信息，单光子源，光学微腔。具体是指一种量子点嵌埋在三维光学微腔中构成的单光子源。
背景技术：
量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限，于是便诞生了一门新的学科分支——量子信息科学。它是量子力学与信息科学相结合的产物，包括量子密码、量子通信、量子计算和量子测量等，近年来，在理论和实验上已经取得了重要突破，引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视。人们越来越坚信，量子信息科学为信息科学的发展开创了新的原理和方法，将在21世纪发挥出巨大潜力，其中的量子密码是量子信息科学中很重要的应用领域之一。现代保密通信所使用的公开密钥体系采用量子计算机就可以轻而易举地将其破译，这就对现有保密通信提出了严峻挑战，解决这个问题的有效途径是量子密码术。量子密钥体系采用量子态作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥(经典随机数)。量子密码的安全性由量子力学原理所保证，一方面被测量可感知，即由量子力学的基本原理可知，对量子态的测量会干扰量子态本身，因此，这种窃听方式必然会留下痕迹而被合法用户所发现；另一方面是不可克隆性，量子不可克隆定理使得任何物理上可行的量子复制机都不可能克隆出与输入量子态完全一样的量子态来，这样就确保了窃听者无法采用量子复制机来复制传送信息的量子态而留下复制的量子态进行测量以窃取信息，因此量子密码是非常安全的。
无论是量子密码学还是量子计算，单光子光源都是必须解决的关键设备，是量子信息研究的重要热点之一，也是必须攻克的难题。现在研究中所使用的单光子光源是将相干光脉冲衰减到平均每个脉冲只有0.1、0.2个光子，但这是一种近似的单光子源，其效率低，既影响量子密钥的传输距离，又影响其安全性，因为这种光源有可能在一个脉冲中同时出现两个光子。因此研制真实的单光子源成为量子密码研究的另一个关键性问题。美国、日本、西欧正在大力开展这些关键技术的研究，最近在《自然》、《科学》上也报导了一些重要进展，但仍未获得根本上的突破。
然而，要得到性能优良的单光子源需要解决两个方面的关键问题，一方面需要有切实可行的将单个量子点嵌埋在光学微腔中，另一方面需要有品质因子很高的光学微腔。
由于制备具有优良性能一、二维光子晶体的工艺比较成熟，因此目前有相当一部分光学微腔采用二维光子晶体结构的设计，利用二维光子晶体结构在面内两个维度上的Bragg反射进行限制，而在垂直维度上则利用腔材料和空气之间界面处的全内反射条件进行限制。这种结构对处于光学微腔中的光在面内两个维度上可以起到很好的限制作用，但在垂直方向上只有当光满足全内反射条件时才能被限制住，因此形成了一个漏区，光会从该区域中漏出去，从而大大削弱了这种光学微腔对光的限制能力。
如果能研制出三个维度上对光都有很好限制作用的高品质因子光学微腔，以使腔中的光学模式与单量子点的发光频率更加严格地匹配起来，达到更有效地从多个或少数几个量子点中筛选出模式匹配的单个量子点发光的目的，从而实现对模式不匹配量子点发光的抑制，获得具有更纯单光子发射的单光子源，这对单光子源来说将是一个重大突破。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种在三个维度上对光都有很好限制作用的量子点嵌埋三维光学微腔式单光子源。
本发明的三维光学微腔式单光子源采取F-P谐振结构(即一维光子晶体)与二维光子晶体相结合的设计，使垂直方向上的光也得到了很好的限制，从原理上克服了垂直方向上漏光的缺陷，并将单量子点嵌埋到这种微腔中，通过微腔获得具有更纯单光子发射的单光子源。
本发明的单光子源包括衬底1，与衬底牢固结合的微腔膜系2，嵌埋在微腔中的量子点3，其特征在于在微腔膜系2上，靠近微腔四周刻有呈三角格子周期性分布的圆柱形空气柱4，与膜系本身共同构成二维光子晶体，空气柱4的深度为膜系2的厚度。
所说的微腔膜系结构为(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m为微腔的下反射膜系201，nL为微腔的谐振腔层202，(HL)m为微腔的上反射膜系203，L为低折射率膜层，H为高折射率膜层，m为L与H的交替叠层次数，m≥6，n为2的整数倍，n≥2，L和H膜层的厚度为λ0/4，λ0为量子点的荧光峰位。所说的量子点3嵌埋在微腔的谐振腔层202的中间。
上述的微腔膜系为F-P谐振结构，在垂直方向上形成一维光子晶体，同时微腔膜系又与四周呈三角格子周期性分布的空气柱形成二维光子晶体，整个结构构成一个三维的光学微腔，当嵌埋在此微腔中的量子点被激发时，由于三维光学微腔的选模作用，可以获得性能优良的单光子输出，形成单光子源。
本发明的优点在于采用准三维光子晶体结构的设计使光学微腔在各个方向上都有很好的限制能力，从原理上克服了传统二维光子晶体微腔结构在垂直方向上漏光的缺陷，而且可以方便地从多个嵌埋量子点中优选出单个量子点发光，形成光学微腔式的单光子源。这样的单光子源由于三维光学微腔具有很高的品质因子，可以很好地抑制单光子源的本底，从而使得对嵌埋的量子点数量及其均匀性要求相对降低。
图1为三维光学微腔式单光子源结构示意图。
图2为三维光学微腔式单光子源的制备工艺流程图。
图3为空气柱分布的平面示意图。
图4为针对本实施例的量子点荧光峰位所设计的光学微腔膜系的透射光图谱。
具体实施例方式
下面以CdSe量子点为实施例结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明1.纳摩尔CdSe量子点溶液的制备将常规化学方法制备出来的CdSe溶液再用氯仿等溶剂稀释104～106倍，使其浓度低于纳摩尔每升(nmol/L)。
2.膜系设计根据量子点的最强荧光峰位位于585nm，利用常规的膜系设计方法设计出带通峰位与该荧光峰位完全一致的F-P结构光学腔膜系(LH)102L(HL)10，其中H为高折射率Ta2O5膜层，L为低折射率SiO2膜层，其光学厚度为λ0/4，λ0为中心波长，为585nm。
3.二维光子晶体微腔结构设计采用2003年文献“Y.Akahane，T.Asano，B.-S.Song & S.Noda Nature 425，944-947(2003)”报导的最佳结构来构造二维光子晶体微腔，其具体结构为空气柱在背景介质材料中呈三角格子的周期性分布，去掉其中连续3根空气柱以形成光学微腔，并分别将微腔长度方向两端的中间1根空气柱分别往外移动0.15a的距离，以进一步显著提高微腔的品质因子，其晶格常数为a，空气柱的半径R＝0.29a，如图3所示，具体原理见该文献。
本发明根据上述文献将高低折射率交替的SiO2/Ta2O5等效为均匀的背景介质材料，然后采用传输矩阵(TMM)或有限时域差分(FDTD)等常用的光子晶体计算方法，使其光子带隙的中心波长为585nm，计算出相应结构的具体参数a为0.31μm，空气柱的半径R为0.29a＝0.09μm。
4.三维光学微腔的制备首先采用常规的光学薄膜镀制方法，如真空镀膜或磁控反应溅射，依次将膜系(LH)10，L镀制到衬底上，然后中止镀膜，见图2a；再将量子点溶液通过匀胶等方法涂敷到上述的L膜层上，见图2b；待溶剂挥发后；再继续依次将膜系L，(HL)10镀完，完成整个光学微腔膜系的镀制，见图2c，此时量子点分散嵌埋在谐振腔层中间，由于量子点溶液浓度足够稀，量子点可以很稀疏地分布在谐振腔层中间，每平方微米尺度内约有10-100个量子点。
采用电子束光刻方法在上述微腔膜系上覆盖一层由上述步骤3所设计的掩模图，见图2d。然后采用刻蚀方法将不受掩模保护的SiO2/Ta2O5区域刻蚀掉，见图2e。去掉掩模后，进行分割，构成了三维光学微腔式的单光子源，如图1所示。
本实施例的光学微腔膜系的品质因子Q可达到106，见图4，其中横坐标由波长换算成能量单位E＝1240/λ，其透射峰位为2.12eV，相当于585nm，半峰宽约60μeV，已达到单个量子点激子发光的半峰宽，所以可以通过光学模式与发光频率的匹配效应有效地筛选出合适的单个量子点发光，实现单光子发射，但这种品质因子还难以实现对光学腔内其他非匹配量子点发光形成的较强本底的抑制，对这种本底的抑制将由二维光子晶体结构完成。
权利要求
1.三维光学微腔式单光子源，包括衬底(1)，与衬底牢固结合的微腔膜系(2)，嵌埋在微腔中的量子点(3)，其特征在于在微腔膜系(2)上，靠近微腔四周刻有呈三角格子周期性分布的圆柱形空气柱(4)，空气柱(4)的深度为膜系(2)的厚度；所说的微腔膜系结构为(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m为微腔的下反射膜系(201)，nL为微腔的谐振腔层(202)，(HL)m为微腔的上反射膜系(203)，L为低折射率膜层，H为高折射率膜层，m为L与H的交替叠层次数，m≥6，n为2的整数倍，n≥2，L和H膜层的厚度为λ0/4，λ0为量子点的荧光峰位；所说的量子点(3)嵌埋在微腔的谐振腔层(202)的中间。
全文摘要
本发明公开了一种三维光学微腔式单光子源，该光子源包括衬底，与衬底牢固结合的微腔膜系，嵌埋在微腔中的量子点，其特征在于在微腔膜系上，靠近微腔四周刻有呈三角格子周期性分布的圆柱形空气柱，空气柱的深度为膜系的厚度。本发明的优点在于由于采用准三维光子晶体结构的设计使光学微腔在各个方向上都有很好的限制能力，从原理上克服了传统结构在垂直方向上漏光的缺陷，而且可以方便地从多个嵌埋量子点中优选出单个量子点发光，形成光学微腔式的单光子源。
文档编号G02F1/00GK1632644SQ20041008945
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月13日 优先权日2004年12月13日
发明者陆卫, 王少伟, 陈平平, 李宁, 张波, 李志锋, 陈效双 申请人:中国科学院上海技术物理研究所