专利名称：实现表面等离激元光子调制的电学操控结构及方法
技术领域：
本发明涉及表面等离激元光子学与量子信息技术的交叉应用领域，更具体地说， 本发明涉及一种实现表面等离激元光子调制的电学操控方法。
背景技术：
表面等离激元是导体表面源于自由电子集体振荡的电荷密度波与其电磁模联合形成的一种传播激发子。与传统的介质光纤一样，表面等离激元的宽谱连续模式被限制于金属导线，并且沿导线的轴方向传播。但是，与传统的介质光纤不同的是，局域于导线横截面内的表面等离激元模式的尺度大小与导线直径相当。这意味着表面等离激元可突破衍射极限的限制，能在100纳米以下实现光场的局域和控制。正是由于表面等离激元的上述这种亚波长局域特性，等离激元光子学也因此成为近年来研究十分活跃的一门新兴光学分支。其在生物传感、波谱检测、显微成像、光源制作、 亚波长光学和纳米光电集成等众多前沿技术领域中有着迷人的应用前景。量子信息技术是研究信息处理的一门新兴前沿技术，目的在于在提高运算速度、 确保信息安全、增大信息容量、以及提高检测精度等方面突破现有的经典信息系统的极限。 量子信息技术量子通信和量子计算机，其中量子计算机研制成功的难度很大，目前尚未有显著进展，最主要的瓶颈问题是量子计算的集成化和芯片化。单光子调制器是量子计算系统中的一个重要部件，主要用来控制相干光子的传输性质。可集成的单光子调制器需要实现单个发光体与光子之间强相干耦合。对于纳米尺度的发光体，如量子点来说，由于其尺度与光波波长相差两个数量级，导致两者之间的相互作用距离非常短。但是，现有技术并不能很好地进行片上单光子的调制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能进行片上单光子的调制的实现表面等离激元光子调制的电学操控结构及方法。根据本发明的第一方面，提供了一种实现表面等离激元光子调制的电学操控结构，包括表面等离激元波导、半导体量子点发光体、多个第三金属电极；其中，所述多个金属电极布置在表面等离激元波导的同一侧；并且，半导体量子点发光体形成在所述多个第三金属电极中间。优选地，所述多个金属电极包括两个第一金属电极、两个第二金属电极、以及第三金属电极；其中，两个第一金属电极形状相同，两个第二金属电极形状相同；并且，两个第一金属电极对称布置在第三金属电极两侧，且两个第二金属电极对称布置在第三金属电极两侧。优选地，表面等离激元波导与半导体量子点发光体之间设置有I-IOOnm厚的介质层。
优选地，表面等离激元波导为金、银、铜、铝材质的纳米线。根据本发明的第二方面，提供了一种制造根据本发明第一方面所述的实现表面等离激元光子调制的电学操控结构的方法，包括制作一个半导体异质结，在所述半导体异质结表面下形成二维电子气；在所述半导体异质结表面制备金属纳米线，用作表面等离激元波导；在所述金属纳米线附近制作用于控制量子点性质的金属电极，所述金属电极通电后在半导体二维电子气中形成了量子点发光体。根据本发明的第二方面，提供了一种实现表面等离激元光子调制的电学操控方法，包括制作一个半导体异质结，在所述半导体异质结表面下形成二维电子气；在所述半导体异质结表面制备金属纳米线，用作表面等离激元波导；在所述金属纳米线附近制作用于控制量子点性质的金属电极，所述金属电极通电后在半导体二维电子气中形成了量子点发光体；以及调整金属电极上的电压以控制量子点性质。优选地，所述量子点性质包括量子点形状和内部能级间隔大小。优选地，所述金属电极包括两个第一金属电极、两个第二金属电极、以及第三金属电极，，两个第一金属电极、两个第二金属电极以及第三金属电极布置在表面等离激元波导的同一侧；并且，半导体量子点发光体形成在两个第一金属电极、两个第二金属电极以及第三金属电极中间。优选地，两个第一金属电极形状相同，两个第二金属电极形状相同；并且，两个第一金属电极对称布置在第三金属电极两侧，且两个第二金属电极对称布置在第三金属电极两侧。优选地，表面等离激元波导为金、银、铜、铝材质的纳米线。根据本发明，利用表面等离激元的亚波长局域特性实现单个半导体发光体与表面等离激元波导中光子的强相干耦合，通过电学手段控制半导体发光体的性质，从而对表面等离激元单光子进行调制。更具体地说，在本发明中，发光体为由半导体异质结形成的量子点，而其附近的金属纳米线作为表面等离激元波导，是光子的载体。由于表面等离激元的亚波长局域特性，量子点发光体与金属纳米线中的光子之间可以发生强相干耦合作用。调整加在金属电极上的电压大小来控制量子点内的电子数量和能级间隔，假设调整电极电压使得量子点内存在两个能级，即量子点有一个基态和一个激发态组成。表面等离激元光子传输性质决定于量子点两能级差△与传播光子频率w间的关系。当表面等离激元光子与量子点共振(△ =w) 时，由于强相干耦合作用频率W的光子将被反射回去。因此，量子点对于表面等离激元光子来说就相当于一面镜子，控制量子点能级差的大小就可以决定表面等离激元光子是否反射或透射，因此达到单光子调制作用。本发明利用表面等离激元作为光子的载体，采用平板半导体工艺制作量子点和金属波导，实现了对单光子的相干调制。基于本发明的单光子调制器响应时间快、调制深度大，又具有易于控制器件形貌、结构紧凑、易与外部电路集成的特点。
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中
图1是本发明实施例中表面等离激元光子调制的电学操控结构示意图。需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施例方式为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。请参阅图1，图1是本发明实施例中实现表面等离激元光子调制的电学操控结构示意图；如图所示，根据本发明实施例的实现表面等离激元光子调制的电学操控结构包括 表面等离激元波导1、半导体量子点发光体2、多个金属电极。在图1所示的示例中，示出了多个金属电极为两个第一金属电极3、两个第二金属电极4、以及第三金属电极5。其中，两个第一金属电极3、两个第二金属电极4、以及第三金属电极5布置在表面等离激元波导1的同一侧。半导体量子点发光体2形成在两个第一金属电极3、两个第二金属电极4、以及第三金属电极5中间。其中，两个第一金属电极3形状相同，两个第二金属电极4也形状相同。并且，两个第一金属电极3对称布置在第三金属电极5两侧，且两个第二金属电极4对称布置在第三金属电极5两侧。需要说明的是，金属电极的个数和布置并不限于此，而是可以是其它数量和/或其它布置方式的金属电极，例如金属电极的个数变为3个、4个、6个、7个等。图1仅仅示出了金属电极的优选实现方式。具体地说，优选地，金属电极的个数为单数2N+1个，其中有N 对同样的金属电极围绕另一个金属电极对称布置(如图1所示的那样)，这样，N对同样的金属电极上电压可以被调节以使得量子点内能级由一个基态和一个激发态组成，而单个的那个金属电极上的电压可用来控制半导体量子点发光体2内能级差的大小。由此，可以在图1所述的5个金属电极的基础上增加偶数个对称的金属电极，或者从图1所述的5个金属电极的基础上减去一对金属电极(例如，第一金属电极对或第二金属电极对)。在图1中的电学操控结构中，金属纳米线组成表面等离激元波导1，表面等离激元波导1附近为半导体量子点发光体2。图1中带有箭头的曲线代表波导中传播的表面等离激元光子，箭头代表传播方向。可选地，表面等离激元波导1与半导体量子点发光体1之间可视具体情况设置 I-IOOnm厚的介质层(未示出)。下面描述根据本发明实施例的实现表面等离激元光子调制的电学操控结构的制造流程。本发明可采用平板半导体工艺，比如GaAs/AWaAs，首先在离该半导体异质结表面例如约I-IOOnm处形成二维电子气。随后，在半导体异质结表面制备金属纳米线，用作表面等离激元波导。具体地说， 该二维电子气的电子迁移率大约为δΧΙΟδοπ νΗ Γ1，电子密度为lX1011cm_2。在半导体表面以金、银、铜、铝等材质制备纳米线，用作表面等离激元波导1。此后，在纳米线附近制作用于控制量子点形状和内部能级间隔大小等性质的金属电极，这些金属电极通电后就在半导体二维电子气中形成了量子点发光体。具体地说，在纳米线附近制作两个第一金属电极3、两个第二金属电极4、以及第三金属电极5，通电后形成半导体量子点发光体2。图1示出了在表面等离激元波导附近制作一个的半导体量子点发光体1的情况，但是，实际上，也可以制作间隔一定距离的多个半导体量子点发光体1。下面进一步描述根据本发明实施例的实现表面等离激元光子调制的电学操控方法。在实现表面等离激元光子调制的电学操控方法中，可调整金属电极上的电压可以控制量子点性质，尤其是能级差的大小，进而决定与量子点发光体强相干耦合的表面等离激元光子是否被反射还是透射，实现单光子调制。具体地说，调整第一金属电极3和第二金属电极4上的电压，以使得量子点内能级由一个基态和一个激发态组成。表面等离激元波导1中的光子可以由激光聚焦在金属纳米线一段激发产生，也可以通过其他方法激发。调整第三金属电极5上的电压可以控制半导体量子点发光体2内能级差的大小， 进而决定表面等离激元光子是否被反射还是透射，实现单光子调制。为提高效率，调整表面等离激元波导1与半导体量子点发光体2间的距离，使表面等离激元波导1与半导体量子点发光体2间的近场耦合强度达到最强。在上述实施例中，发光体为由半导体异质结形成的量子点，而其附近的金属纳米线作为表面等离激元波导，是光子的载体。由于表面等离激元的亚波长局域特性，量子点发光体与金属纳米线中的光子之间可以发生强相干耦合作用。调整加在金属电极上的电压大小来控制量子点内的电子数量和能级间隔，假设调整电极电压使得量子点内存在两个能级，即量子点有一个基态和一个激发态组成。表面等离激元光子传输性质决定于量子点两能级差△与传播光子频率w间的关系。当表面等离激元光子与量子点共振(△ =w)时， 由于强相干耦合作用频率W的光子将被反射回去。因此，量子点对于表面等离激元光子来说就相当于一面镜子，控制量子点能级差的大小就可以决定表面等离激元光子是否反射或透射，因此达到单光子调制作用。本发明上述实施例实现的单光子调制器响应时间快、调制深度大，又具有易于控制器件形貌、结构紧凑、易与外部电路集成的特点，可应用于量子计算等领域。可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种实现表面等离激元光子调制的电学操控结构，其特征在于包括表面等离激元波导、半导体量子点发光体、多个第三金属电极；其中，所述多个金属电极布置在表面等离激元波导的同一侧；并且，半导体量子点发光体形成在所述多个第三金属电极中间。
2.根据权利要求1所述的实现表面等离激元光子调制的电学操控结构，其特征在于， 所述多个金属电极包括两个第一金属电极、两个第二金属电极、以及第三金属电极；其中， 两个第一金属电极形状相同，两个第二金属电极形状相同；并且，两个第一金属电极对称布置在第三金属电极两侧，且两个第二金属电极对称布置在第三金属电极两侧。
3.根据权利要求1或2所述的实现表面等离激元光子调制的电学操控结构，其特征在于，表面等离激元波导与半导体量子点发光体之间设置有I-IOOnm厚的介质层。
4.根据权利要求1或2所述的实现表面等离激元光子调制的电学操控结构，其特征在于，表面等离激元波导为金、银、铜、铝材质的纳米线。
5.一种制造根据权利要求1至4之一所述的实现表面等离激元光子调制的电学操控结构的方法，其特征在于包括制作一个半导体异质结，在所述半导体异质结表面下形成二维电子气；在所述半导体异质结表面制备金属纳米线，用作表面等离激元波导；在所述金属纳米线附近制作用于控制量子点性质的金属电极，所述金属电极通电后在半导体二维电子气中形成了量子点发光体。
6.一种实现表面等离激元光子调制的电学操控方法，其特征在于包括制作一个半导体异质结，在所述半导体异质结表面下形成二维电子气；在所述半导体异质结表面制备金属纳米线，用作表面等离激元波导；在所述金属纳米线附近制作用于控制量子点性质的金属电极，所述金属电极通电后在半导体二维电子气中形成了量子点发光体；以及调整金属电极上的电压以控制量子点性质。
7.根据权利要求6所述的实现表面等离激元光子调制的电学操控方法，其特征在于， 所述量子点性质包括量子点形状和内部能级间隔大小。
8.根据权利要求6或7所述的实现表面等离激元光子调制的电学操控方法，其特征在于，所述金属电极包括两个第一金属电极、两个第二金属电极、以及第三金属电极，，两个第一金属电极、两个第二金属电极以及第三金属电极布置在表面等离激元波导的同一侧；并且，半导体量子点发光体形成在两个第一金属电极、两个第二金属电极以及第三金属电极中间。
9.根据权利要求8所述的实现表面等离激元光子调制的电学操控方法，其特征在于， 两个第一金属电极形状相同，两个第二金属电极形状相同；并且，两个第一金属电极对称布置在第三金属电极两侧，且两个第二金属电极对称布置在第三金属电极两侧。
10.根据权利要求6或7所述的实现表面等离激元光子调制的电学操控方法，其特征在于，表面等离激元波导为金、银、铜、铝材质的纳米线。
全文摘要
本发明提供了一种实现表面等离激元光子调制的电学操控结构及方法。根据本发明的实现表面等离激元光子调制的电学操控方法包括制作一个半导体异质结，在所述半导体异质结表面下形成二维电子气；在所述半导体异质结表面制备金属纳米线，用作表面等离激元波导；在所述金属纳米线附近制作用于控制量子点性质的金属电极，所述金属电极通电后在半导体二维电子气中形成了量子点发光体；以及调整金属电极上的电压以控制量子点性质。
文档编号B82Y30/00GK102522470SQ20111043098
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者钟旭 申请人:上海电机学院