专利名称：一种用于单光子源的单量子点嵌埋光学微腔及制备方法
技术领域：
本发明涉及量子信息、单光子源，具体是指一种用于单光子源的单量子点嵌埋光学微腔及制备方法。
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，单光子光源是其关键设备，是必须要攻克的难题。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或0.2个光子，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。
如果能够将单个量子点限制在光学微腔中，利用单个量子点中激子发光仅能发射单个光子的本征特性，通过对该量子点进行激发，形成单个光子源是人们十分关注的途径。由于量子点是晶体，必须生长在与之匹配的单晶衬底上，因此通常只能采用与生长方法兼容的半导体材料来构造光学微腔的Bragg反射镜，这样不但材料的可选范围很小，而且由于大部分半导体材料之间的折射率差别小，难以设计制备出性能优良的光学微腔，极大地限制了这方面的研究和发展，因为性能优良的光学微腔要求构造Bragg反射镜的两种材料之间的折射率差别越大越好。
D.Dalacu等报道了一篇利用折射率差别很高的SiO2/Ta2O5非晶多层膜来构造光学微腔，并实现量子点集成在其谐振腔中的文章，SiO2和Ta2O5层的沉积是采用双离子束溅射系统完成的，而各半导体层则是采用化学束外延方法生长的，具体生长参数和过程见“Applied Physics Letters 84，3235(2004)和Applied PhysicsLetters 82，4803(2003)”。这种方法牵涉到多种工艺，其制备难度之大、工艺之繁琐、过程之复杂，难以推广和应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种将量子点的生长与光学微腔的制备不再直接关联、而是相对独立开来，从而使得两个过程之间不再相互制约的单量子点嵌埋光学微腔及制备方法。
本发明的单量子点嵌埋光学微腔包括衬底1，与衬底牢固结合的光学微腔2，嵌埋在光学微腔中的单量子点3。所说的光学微腔由光学膜系构成，其膜系的带通峰位与量子点的荧光峰位一致，具体结构为(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m为微腔的下反射膜系201，nL为谐振腔层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膜层的光学厚度为1/4λ0，λ0为荧光峰位。单量子点嵌埋在谐振腔层的中间。
所述的单量子点嵌埋光学微腔制备方法的步骤如下1.首先采用常规的光学薄膜镀制方法依次将膜系(LH)m，nL/2镀制到衬底上，然后中止镀膜；2.将浓度低于nmol/L的量子点溶液通过匀胶、喷涂、刷涂或浸蘸中的一种涂敷到步骤1的nL/2膜层上，待溶剂挥发后；再继续依次将膜系nL/2，(HL)m镀完，完成整个光学微腔膜系的镀制，此时量子点嵌埋在谐振腔层中间，最后采用常规的光刻掩模方法刻蚀掉量子点周围多余的薄膜材料，形成单量子点嵌埋的光学微腔结构。
本发明的优点在于将量子点的生长过程与光学微腔的制备过程分离开来，使其不再直接关联，从而使得两个制备过程之间不再相互制约，极大地拓宽了两个独立制备过程各自的选择范围，可以设计制备出性能更优良的光学微腔和量子点，而且大大简化了整个制备工艺过程，最终使得制备高性能的单量子点嵌埋光学微腔成为现实。另外，可以通过控制光学微腔膜层的厚度，很方便地调节量子点在谐振腔层中所处的位置。
图1为单量子点嵌埋光学微腔结构示意图；图2为本实施例的光学微腔的透射谱。
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.CdSe量子点溶液采用常规的化学方法制备，然后用氯仿溶剂稀释，使其浓度低于纳摩尔每升(nmol/L)。
2.根据微腔的带通峰位应该与量子点的荧光峰位完全一致的要求，测得CdSe量子点最强的荧光峰位于585nm，因此微腔膜系为(LH)102L(HL)10，其中H为高折射率Ta2O5膜层，L为低折射率SiO2膜层，λ0为中心波长，此实施例为585nm。所设计的光学微腔的透射谱如图2所示，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。还可以通过增加谐振腔层的厚度或两边的反射膜层交替数来获得更高品质因子的光学微腔。
3.量子点嵌埋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；
再将量子点溶液通过匀胶方法涂敷到上述的L膜层上，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，此时量子点分散嵌埋在谐振腔层中间，最后采用常规的光刻掩模方法刻蚀掉量子点周围多余的薄膜材料，形成单量子点嵌埋的光学微腔结构。
权利要求
1.一种用于单光子源的单量子点嵌埋光学微腔，包括衬底(1)，与衬底牢固结合的光学微腔(2)，嵌埋在光学微腔中的单量子点(3)，其特征在于所说的光学微腔由光学膜系构成，其膜系的带通峰位与量子点的荧光峰位一致，结构为(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m为微腔的下反射膜系(201)，nL为谐振腔层(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1/4λ0，λ0为荧光峰位；所说的单量子点(3)嵌埋在谐振腔层(202)的中间。
2.一种用于单光子源的单量子点嵌埋光学微腔的制备方法，其特征在于具体步骤如下A.首先采用常规的光学薄膜镀制方法依次将膜系(LH)m，nL/2镀制到衬底上，然后中止镀膜；B.采用匀胶、喷涂、刷涂或浸蘸中的一种将浓度低于nmol/L的量子点溶液涂敷到步骤A的nL/2膜层上，待溶剂挥发后；再继续依次将膜系nL/2，(HL)m镀完，完成整个光学微腔膜系的镀制，最后采用常规的光刻掩模方法刻蚀掉量子点周围多余的薄膜材料，形成单量子点嵌埋的光学微腔结构。
全文摘要
本发明公开了一种用于单光子源的单量子点嵌埋光学微腔及制备方法，光学微腔包括衬底，与衬底牢固结合的光学微腔，嵌埋在光学微腔中的单量子点。所说的光学微腔由光学膜系构成，其膜系的带通峰位与量子点的荧光峰位一致。其制备方法是将量子点的生长过程与光学微腔的制备过程分离开来，使其不再直接关联，从而使得两个制备过程之间不再相互制约，极大地拓宽了两个独立制备过程各自的选择范围，可以设计制备出性能更优良的光学微腔和量子点，而且大大简化了整个制备工艺过程，最终使得制备高性能的单量子点嵌埋光学微腔成为现实。
文档编号H01L33/00GK1638218SQ200410084778
公开日2005年7月13日 申请日期2004年11月30日 优先权日2004年11月30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