专利名称：使用量子点的偏振转换方法和器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种偏振转换方法和器件。
发明内容
一种尤其是从线偏振到圆偏振的和重要的是从圆偏振到线偏振的偏振转换的新颖和高效的方法，该方法是使用形状各向异性自组装量子点来获得的，所述形状各向异性自组装量子点具有尺寸极小(纳米级)的优点，可被容易地合并到光子晶体和/或其它光学部件中。这些量子点、并因此合并了它们的部件也具有尺寸极小(数十纳米级)的优点。这些部件可用作用于例如信息处理、量子计算、全息术和数据记录的自旋电子学系统和/或超小型光计算网络的一部分。
这样的器件还具有在不施加磁场的情况下工作的优点。当施加电压偏置时，这样的器件还可用来通过操纵光偏振来操纵同一回路中的电子自旋，和通过操纵电子自旋来操纵同一回路中的光偏振。这允许了对自旋电子装置和/或光学装置中的电子自旋和/或光偏振的高度控制，其中偏置量子点被用作纳米级电光调制器。
该转换起因于半导体量子点的各向异性形状所诱发的线和圆偏振光子态的量子拍，所述半导体量子点被有意构造有细长形状并因此被构造有提供各向异性交换分裂的低对称性。此各向异性交换分裂在非共振激发下表现为固有线偏振，而在准共振激发下表现为圆-线偏振转换。本发明的一个重要特征是亦可在准共振条件下实现反转换(即线-圆偏振转换)。本发明的另一重要特征是在不施加磁场的情况下发生偏振转换效应。
此外，各向异性交换分裂取决于可被控制的量子点中存在的电子数目(奇数或偶数)。有可能通过操纵光偏振来操纵同一回路中的电子自旋，和通过操纵电子自旋来操纵同一回路中的光偏振。使用电压偏置来控制和/或选择光子的偏振态，并因此控制光子感生电子的自旋态可替选地，使用电压偏置来控制电子的总自旋，并因此控制电子感生光子的偏振态。这允许了对自旋电子装置和/或光学装置中的电子自旋和/或光偏振的高度控制，其中偏置量子点用作纳米级电光调制器，其能够支持对光子偏振的相干操作，并因此用于例如信息处理。
图1示出了CdSe/ZnSe量子点。(a)是CdSe/ZnSe量子点层的原子力显微镜图像。量子点沿着[110]轴看是细长的。(b)是非共振(虚曲线)和共振(实曲线)激发的光致发光光谱。声子伴线(phonon replica)在光致发光光谱中可清晰分辨为与激光线隔开LO声子能(其就ZnSe而言等于32meV)的窄峰。
图2示出了CdSe/ZnSe量子点偏振转换。(a)是在非共振σ+(空心符号)和σ-(实心符号)圆偏振激发下的光致发光最大值处检测到的线偏振的角度扫描。实曲线是呈现ρl，l′＝ρ0 cos(2α)的拟合线。嵌入图以极坐标示出了相同的数据(但被平移了常数ρ0，从而成为正值)。(b)是在σ+(空心符号)和σ-(实心符号)圆偏振共振激发下的声子伴线处检测到的线偏振的角度扫描。实曲线是呈现
的拟合线。嵌入图以极坐标示出了相同的数据(数据还是被平移为正值，以作出极坐标图)。(c)是在线偏振共振激发下的声子伴线处检测到的圆偏振度的角度扫描。曲线还是拟合线，呈现ρc＝ρ0 sin(2α)。嵌入图以极坐标示出了相同数据的绝对值(|ρc|＝|ρ0 sin(2α)|)。所有图中的零旋转角意味着线性分析器(偏振器)的取向平行于[110]晶向。对于所有数据，磁场皆为零。
图3示出了压控量子点转换器的示意图。具有相异符号各向异性交换分裂
的两个量子点层构成该器件的有效区域。电子由欧姆接触提供。(a)在正偏置下，电子在左层中被收集，因此Ωl＝0，右量子点层(Ωr＞0)将
线偏振光转换成σ+圆偏振光。(b)在负偏置下，该过程被反转，即Ωr＝0且Ωl＜0，使得
线偏振光现在被转换成σ-圆偏振光。在每个图的下部，画出了给定偏置方向的导带(Ec)轮廓。
具体实施例方式 通过线和圆偏振光子的纠缠进行的量子点偏振转换 用于光偏振转换的标准器件是1/4波片，其中入射线偏振光在出口被变换成圆偏振光。各种各样的这种和相似器件存在于任何光信息处理装置中。对于量子计算、全息术和光记录，偏振转换器也是极其重要的。光电子电路小型化和高密度集成的大趋势刺激了在此领域中进行许多努力。已提出[2]并演示[3]了基于光子晶体[1]的全光纳米结构集成电路。这样的小型化系统需要新颖的方法来实现偏振转换器件，为了实现最佳集成，偏振转换器件必须具有纳米级尺寸并且容易内置于光学系统中。这里，我们报告使用自组装量子点的高效光偏振转换，自组装量子点的尺寸为几十纳米，可容易地集成在光子晶体中[4，5]。发生转换的原因是半导体量子点的自然各向异性形状所导致的线和圆偏振态的纠缠[6，7，8]。此外，各向异性交换分裂取决于量子点中电子的数目[9]，我们提出一个方案，其中偏置量子点充当纳米级电光调制器，从而允许对光子偏振进行相干操作。
量子点是在光频范围内产生线光谱的基本上是零维的半导体，因此称为人造原子。可从原子力显微镜图像(图1a)中清楚看到，我们在本研究中使用的自组装CdSe/ZnSe量子点(制造细节参见“方法”部分)沿着特定晶轴看趋向于细长。与闪锌矿体相晶格(bulk lattice)的全Td对称性相比，点系综的对称性降低到C2v。这意味着这样的点呈现出极度空间各向异性。
光与量子点之间的互作用导致激子的形成，其中光的偏振与激子的自旋态相联系。激子自身包括受库仑势束缚的空穴和电子。将激子限制于量子点的小体积中导致电子-空穴交换互作用增强。由于我们的量子点的低对称性，这导致各向异性交换分裂[10]
通常，对CdSe/ZnSe量子点而言，
通过形成线性偶极子在单个量子点的光致发光光谱中直接观察到这种分裂[7，9]。当探测量子点系综时，交换分裂
被埋在大得多(～30meV)的非均匀展宽的光致发光带(图1b)中。然而，对非共振激发而言，在热平衡下，各向异性交换分裂表现为固有线偏振。图2a示出了当样品被旋转了角度α时以固定坐标基测得的线偏振度。该偏振按cos(2α)振荡，正如对线偏振器而言会观察到的那样。可从嵌入图2a的极坐标图中清楚看到，偏振轴与[110]晶向相联系，并且它不依赖于出射光的偏振(的旋向性)。此特性正如根据图1a中所见量子点形状所直观预期到的那样。
在准共振激发下获得与直觉更加对立的结果。现在，量子点的光致发光光谱中占据主导地位的是一窄峰，我们称其为激光线的声子伴线(图1b)。其出现的原因是快速激子重组以及LO声子发射。在这些条件下，偏振轴不再固定于[110]晶向。如图2b所示，线偏振的角度依赖性现在表现为
其中正(负)号取决于圆偏振激发光的旋向性。可从嵌入图2b的极坐标图中更加清楚地看出此特性。偏振轴远离[110]而旋转一角度
(对σ+偏振入射光而言朝着[100]方向顺时针旋转，而对σ-偏振入射光而言朝着
方向逆时针旋转)。这种特性实际上意味着圆-线偏振转换。
为了估算σ±圆偏振激发(用Pc＝±1表示)下的转换效率，我们用Poincaré球内的矢量[ρl′，ρl，ρc]描述发射光的总偏振。这里，ρl′是沿着[110]的线偏振，ρl是沿着[100]的线偏振，ρc是圆偏振。这些Stokes坐标满足在高效转换下，我们认为有如下条件|ρl|＞|ρl′|和|ρl|＞|ρc|。根据图2b，线偏振的最大幅度是ρ0＝2.7％，所以我们有(也参见“方法”部分)
和
我们还测量了光学取向[11](即圆偏振激发下的发射光的圆偏振度)，并得到ρc≈1％。对于实验值，上述条件显然满足。
我们应注意，这里演示的量子点转换器远不够理想。对于高质量1/4波片，通常有ρl＞99％。此缺陷通过量子点的小尺寸(仅几十纳米，即远小于工作波长(460nm))来弥补。此外，量子点可容易地集成在半导体电路中。量子点转换器的一个重要优点是如下面所述那样，可能通过施加电压偏置来实现控制。此外，理论上可以证明，对于最佳量子点尺寸，可以实现值ρl≈50％。
lvchenko等人已预言了小尺寸系统中的偏振转换[12]。当量子点中激子态存在优先方向时，发射的圆和线偏振成份得以纠缠。显然，外磁场可诱发此优先方向。同时，已在超晶格中实验演示了磁场诱发偏振转换[13]。然而，引入各向异性交换互作用以限定优先方向甚至诱发零磁场中的圆和[100]线偏振的纠缠。Ivchenko等人的预言[12]在量子拍实验[14]中得到进一步部分证实，在量子拍实验中，观察到线偏振分量(用线偏振光激发)以拉莫尔频率Ω围绕优先方向的进动。在伪自旋形式[13]内，t＝0时的圆偏振激发Pc之后的时间演化可表示为ρc(t)＝Pc cos(Ωt)exp(-t/τs)和ρl(t)＝Pc sin(Ωt)exp(-t/τs)。圆和线偏振因此反相振荡，以伪自旋驰豫时间τs衰减至零。在量子点中，发现单个空穴的自旋弛豫时间约为10ns[15]，单个电子的自旋弛豫时间甚至更长，在毫秒范围内[16]。因此，激子的τs是足够长的，足以使τs》tr，其中tr～100ps[17]是辐射重组时间。在稳态下，即在连续波激发下，对发射几率分布为
的偏振演化取平均之后得到偏振度[11]，得出 和 这里，且我们假设T/tr≈1(慢自旋弛豫)。我们注意到量子点系综是非均匀的，即各向异性交换分裂从点到点地波动。可以通过在等式(1)中使用平均值来考虑到这一点。
等式(1)是简单的但对于量子点转换机制是根本的。等式(1)中的第二个恒等式与汉勒效应(Hanle effect)非常相似，其中磁场诱发的塞曼分裂由零场各向异性交换分裂代替。量子点中的各向异性交换分裂
比超晶格中的各向异性交换分裂高一个数量级。因此，连续波激发下的偏振转换是显著的。转换因子是K＝ρl/ρc＝<Ω>T。量子点中的ΩT通常在ΩT～1-100范围内，这与目前实验数据相当一致，因为我们发现K≈3。还根据等式(1)得到对于ΩT＝1，该偏振可实现ρl＝ρc＝50％。
最令人感兴趣的效应是反转换，即从线偏振到圆偏振的转换，其将由于时间反对称性而发生。如图2c所示，我们确实观察到了此效应。当沿着
发生线偏振激发时，σ+偏振发射出现。当沿着[100]发生激发时，该效应的符号改变，成为σ-。当激发处的线偏振器的取向沿着[110]或垂直方向时，未观察到转换。此特性与理论从定性方面看相当一致，并服从与等式(1)相似的、作了指标交换并对Ω的符号取反的等式。
在包含单个额外电子的带负电量子点中，各向异性交换分裂被彻底地更改。对于光生电子，该额外电子形成总电子自旋为零的能量有利单重态。由于电子-空穴交换互作用与电子和空穴的自旋[10]成比例，所以带电量子点中的各向异性交换分裂严格等于[9]零
通过施加电压偏置，可将附加电子置于量子点中或从量子点中取出。这赋予量子点转换器额外的功能，并且可以为基于自旋的器件提供灵活的方法。由于光学选择定则[11]，导带中的光激发电子的自旋与光子的圆偏振成比例。因此，代替直接操纵电子自旋，可以可替选地控制同一回路内的光偏振。
图3展示了这种器件的可能布局。基本部分是具有相异符号各向异性交换分裂的双量子点层(实际制造这样的结构将显然需要进一步的技术努力)。物理上，这意味着右层中的量子点沿着[110]方向看是细长的，从而导致Ωr＞0，而左层中的量子点在垂直方向上是细长的，对应于Ωl＜0。一般而言，还可从等式(1)中看出，该转换取决于Ω的符号，对于Ω＝0，不发生转换。
在正偏置下，通过欧姆接触提供的电子大部分在左层中的量子点处被捕获，从而导致零各向异性交换分裂Ωl＝0(参见图3a)。Ωr＞0的右量子点层将沿着
的线偏振光(我们用Pl＝-1表示)转换成σ+圆偏振光(ρc＞0)。当施加负偏置时，电子被转移到右量子点层中，在那里(Ωr＝0，参见图3b)关断转换，仅左量子点层(目前Ωl＜0)是光学有效的。因此，转换的符号改变。当然，(在无任何磁场的情况下的)圆偏振的这种电控制作为电光调制器已经为人所知。然而，这样的器件中所使用的电光晶体是庞大的。量子点转换器是纳米级器件，且它可在光计算中扮演与自旋电子学中的Datta-Das自旋晶体管[18]相似的角色。
总之，我们已通过量子点演示了高效的圆-线和线-圆光偏振转换。该转换发生在零磁场中，并且由各向异性交换分裂诱发。这样的量子点转换器的偏置实施可产生纳米级电光调制器。我们的发现在信息处理中可有明显的实际应用。
方法 我们的实验中所使用的CdSe/ZnSe量子点是通过传统分子束外延来生长的。一个CdSe单层(0.3nm)沉积[19]在50nm厚ZnSe缓冲层的顶上。中断生长10秒后，用25nm ZnSe覆盖，从而通过自组装形成CdSe量子点。通常，这些量子点高1nm，横向尺寸小于10纳米。为了使用原子力显微镜对量子点成像，还生长了未被覆盖的样品。这种样品的原子力显微镜图像(如图1a所示)示出了具有清晰可辨的形状各向异性的不同岛状物。根据光学特性，这些量子点沿着[110]方向看趋向于细长。
为了发生光激发，我们使用由氩离子激光器的紫外线泵浦的均二苯代乙烯-3(stilbene-3)染料激光器。在此装置中，激发能可变化，且可将激发能仔细调谐至CdSe量子点共振条件。在把激发和发射在光谱上分开的声子伴线处检测偏振。为了发生非共振激发，激光能量被调谐至2.83eV(超过ZnSe势垒的带隙)。该样品被安置在旋转保持器上。其取向使用步进电机来控制，控制精度优于1°。使用固定分析器(高质量格兰-汤普森棱镜)进行偏振的角度扫描。为了使偏振度的检测精度达到±0.1％，我们使用包括在f＝50kHz频率工作的光弹调制器和双通道光子计数器的传统光学装置。在f检测圆偏振ρc，在二倍频率2f检测线偏振ρl′、ρl。线偏振ρl′和ρl被分别定义为和ρl＝(I100-I010)/(I100+I010)。这里，Ixyz是沿着晶体的[xyz]轴偏振的光的强度。当该样品转过角度α时，两个分量按ρl′cos(2α)-ρl sin(2α)变换，幅度为为了降低噪声，所有光学实验均在1.6K温度下进行。没有施加磁场。
一些应用例子 上述偏振转换方法可以在许多种电子装置中使用，这些电子装置具有优于现有产品的显著优点。取决于室温工作的容易性和价格，这些应用中的一些应用很有可能能够致力于实质性的、大批量的应用。诸类应用的一些例子包括 -该技术可以以与液晶显示器(LCD)完全相同的方式工作，且可以重复显示器和其它光学元件如扫描器、快门、传感器和开关中的任何当前应用，但具有速度快得多的优点-并因此还产生了新应用。
-该技术可充当在光通信网络中使用的非常高速光开关元件。其可在例如开关、衰减器、隔离器和调制器中使用，这会大大提高现有的和新的光纤链路的容量和速度。
-该技术可用来实现针对量子计算的超高速布尔逻辑，因为任何逻辑等式都可被实施。
-该技术可用来实现和/或增强基于非散射光子的成像(特别是医学成像)的能力。这是因为我们可以以高速度/高速率调制偏振，并因此产生光子的时序信息，这将实现平面成像-如磁共振成像(MRI)。在适当设备如医学扫描仪中实施的此应用亦可使用低温工作/材料以改善性能。
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权利要求
1.一种从线偏振到圆偏振的和从圆偏振到线偏振的偏振转换的方法，基于低对称性量子点的各向异性交换分裂。
2.根据权利要求1的方法，其中所述量子点的所述低对称性是使用所述量子点的形状各向异性来实现和/或部分实现的。
3.根据权利要求1的方法，其中所述量子点的所述低对称性是使用不同于形状各向异性的方法，诸如但不限于组成变化、晶体学各向异性和/或结构变化，和/或通过使用外部施加的影响，诸如但不限于磁场和/或电场来实现和/或部分实现的。
4.根据权利要求1-3中的一项的方法，包括零外加磁场。
5.根据权利要求1-4中的一项的方法，包括施加电压偏置。
6.根据权利要求1-5中的一项的方法，其中使用所述偏置和/或其它方式来控制和/或选择光子的偏振态，并因此控制和/或选择所述光子感生的电子的自旋态。
7.根据权利要求1-6中的一项的方法，其中使用所述偏置和/或其它方式来控制和/或选择电子的自旋态，并因此控制和/或选择所述电子感生的光子的偏振态。
8.根据权利要求1-7中的一项的方法，其中偏振调制是通过诸如但不限于重复地且以非常高速度和/或高速率进行偏振转换的方式来实现的。
9.根据权利要求1-8中的一项的方法，其中所述偏振调制以非常高速度和/或高速率进行，且非散射光子的时序信息产生。
10.根据权利要求1-9中的一项的方法，其中所述偏振调制以非常高速度和/或高速率进行，且非散射光子的时序信息产生，且此信息被用来实现平面成像。
11.包含根据权利要求1-10中的一项的量子点的诸如但不限于光子晶体、光学回路和自旋电子学元件的器件和/或部件，用于诸如但不限于光偏振转换、光偏振选择、电光调制、以及自旋电子学自旋选择、自旋转换和控制的应用。
12.根据权利要求11的器件和/或部件，用于诸如但不限于用于例如光信息处理、量子计算、全息术和光记录的光计算网络、以及诸如但不限于用于例如信息存储和信息处理的自旋电子学系统的应用。
13.根据权利要求11-12中的一项的器件和/或部件，其中根据权利要求1-7中的一项的量子点是自组装的，诸如但不限于CdSe/ZnSe系统。
14.根据权利要求11-13中的一项的器件和/或部件，用于显示器中的应用，诸如但不限于其中该技术以与传统液晶模块相似的方式工作的应用。
15.根据权利要求11-14中的一项的器件和/或部件，用于光学元件中的应用，诸如但不限于其中该技术以与传统液晶模块相似的方式工作的应用，诸如但不限于扫描器元件、快门、传感器和开关。
16.根据权利要求11-15中的一项的器件和/或部件，用于光开关中的应用，诸如但不限于开关、衰减器、隔离器和调制器。
17.根据权利要求11-16中的一项的器件和/或部件，用于超高速布尔逻辑中的应用。
18.根据权利要求11-17中的一项的器件和/或部件，用于诸如但不限于医学成像的成像中的应用和/或诸如但不限于扫描仪的仪器中的应用。
19.根据权利要求11-18中的一项的器件和/或部件，基于以非常高速度和/或高速率进行的偏振调制。
20.根据权利要求11-19中的一项的器件和/或部件，基于以非常高速度和/或高速率进行的偏振调制，从而产生光子的时序信息，可用于诸如但不限于基于非散射光子的平面成像的应用和/或诸如但不限于扫描仪的仪器中的应用。
21.包含根据权利要求1-10中的一项的量子点的器件和/或部件，在外加电场和/或磁场的作用下使透射光或电磁辐射在两个偏振态之间切换。
22.根据权利要求21的器件和/或部件，其中从线偏振到圆偏振的所述转换可通过垂直于所述量子点的平面施加电场来控制。
23.根据权利要求21和/或22的器件和/或部件，其中所述出射的光的偏振的椭圆率的大小和/或符号可通过在所述量子点的平面上施加电场来控制。
24.根据权利要求21和/或22的器件和/或部件，其中所述出射的光的偏振的椭圆率的大小和/或符号可通过在所述量子点的平面上或垂直于所述量子点的平面施加磁场来控制。
25.根据权利要求21-24中的一项的器件和/或部件，其中所述出射偏振可通过施加振荡(交流)电场或磁场来调制，或者可通过使所述量子点经受电磁波来调制。
26.根据权利要求11-25中的一项的器件和/或部件，其中使用单个量子点，而不使用量子点系综。
27.根据权利要求11-26中的一项的器件和/或部件，其中所述组装是通过光刻工艺来实现的。
28.根据权利要求11-27中的一项的器件和/或部件，其中功能元件与输入和/或输出光纤耦合。
29.根据权利要求28的器件和/或部件，其中与所述光纤的所述耦合通过波导来实现。
30.根据权利要求28的器件和/或部件，其中与所述光纤的所述耦合通过锥形光纤来实现。
全文摘要
一种尤其是从线偏振到圆偏振的和重要的是从圆偏振到线偏振的偏振转换的新颖和高效的方法，该方法是使用形状各向异性自组装量子点来获得的，所述形状各向异性自组装量子点具有尺寸极小(纳米级)的优点，可被容易地合并到光子晶体和/或其它光学部件中。这样的器件还具有在不施加磁场的情况下工作的优点。当施加电压偏置时，这样的器件还可用来通过操纵光偏振来操纵同一回路中的电子自旋，和通过操纵电子自旋来操纵同一回路中的光偏振。这允许了对自旋电子装置和/或光学装置中的电子自旋和/或光偏振的高度控制，其中偏置量子点被用作纳米级电光调制器。利用了该方法和/或器件的部件可用作用于例如信息处理、量子计算、全息术和数据记录的自旋电子学系统和/或超小型光计算网络的一部分。
文档编号G02F1/01GK101268410SQ200680032347
公开日2008年9月17日 申请日期2006年8月4日 优先权日2005年8月4日
发明者劳伦斯·W·莫伦坎普, 乔治·阿斯塔霍夫, 沃尔夫冈·奥索, 托比亚斯·克雷斯林, 阿列克谢·普拉托诺夫 申请人:易特斯股份公司