专利名称：微型单光子光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及量子信息、单光子源，具体是指一种激发光源和量子点发光光源集成的灵巧的、便携式微型单光子光源。
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，而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。由于量子密码的安全性由量子力学原理所保证，被测量可感知和不可克隆性确保了量子密码不会不留痕迹地被窃听，因此是非常安全的。
然而，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，由于光子的泊松分布特征，通过这样的衰减途径实现的单光子源中，单个脉冲中存在2个光子的几率依然不可忽略，所以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。因此研制真实的单光子源成为量子密码研究的一个关键性问题。而且，目前这种单光子源还需带有激光器，使用起来不够方便，只能在实验室或相对固定的场合使用。
如果能够将单光子光源的发光部分和激发光部分集成到一起，制成携带方便、操作简单的固态微型化单光子源，则不仅可以大大降低成本，而且还可以在很大程度上普及单光子光源，使得单光子光源的使用就象目前光通讯中激光二极管的使用那样方便，可极大地拓宽其应用领域，促进量子密码学甚至量子信息科学的研究与应用。
发明内容
针对上述单光子光源存在的一些问题，本发明提出一种发光部分采用量子点嵌埋的三维光学微腔结构，并将其与激发光源集成，通过三维光学微腔的选模作用实现单个光子输出，成为携带方便、操作简单的微型单光子光源。
本发明的单光子光源，包括激发光部分、发光部分和滤光片。激发光部分采用激光二极管1，发光部分采用量子点嵌埋的三维光学微腔2。以激光二极管的芯片作为衬底101，在衬底上置有通过镀膜和刻蚀方法形成的量子点嵌埋的三维光学微腔2，微腔2上置有滤光片3。
所说的量子点嵌埋的三维光学微腔由微腔膜系201，嵌埋在微腔中的量子点202，靠近腔体四周刻有呈三角格子周期性分布的圆柱形空气柱203构成。空气柱203的深度为微腔膜系201的厚度。
所说的微腔膜系201结构为(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m为微腔的下反射膜系2011，nL为微腔的谐振腔层2012，(HL)m为微腔的上反射膜系2013，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202嵌埋在谐振腔层2012的中间。
所说的滤光片3是一块单光子光可以透过的带通滤光片，或者是短波截止滤光片，即保证单光子透过的同时将单光子波长以短波段的光都滤掉，以保证激发光不会透射出来对单光子源形成干扰。
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光子晶体的光学微腔，当嵌埋在微腔中的量子点被激光二极管激发时，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1.由于微腔采用准三维光子晶体结构的设计，使其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，形成真实的单光子发光源。
2.将性能优良的单光子发光部分与相应的激发光部分集成到一起，使得整个单光子源变得非常紧凑、小巧、便携，使用起来特别方便；而且外加滤光片的特殊设计，使得在单光子输出的同时，激发光源发出的光不能透过滤光片输出，避免了激发光源对单光子光源的干扰。
图1为本发明的微型单光子光源的结构示意图；图2为本发明的光学微腔的透射谱和所选激光二极管的发光谱，其中实线为光学微腔的透射谱，虚线为激光二极管的发光谱；
图3实线为滤光片的透射谱，虚线为激光二极管的发光谱。
具体实施例方式
下面以波长为585nm的单光子源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.微腔膜系201的设计根据量子点的荧光峰位λ0＝585nm，采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光学微腔膜系，微腔膜系为(LH)114L(HL)11，其中H为高折射率Nb2O5膜层，L为低折射率SiO2膜层。所设计的光学微腔的透射谱如图2中的实线所示，图2中的虚线为激光二极管的发光谱，在选择激光二极管时，应将其发光峰位λ激选择在位于光学微腔膜系短波方向的高透射区域，以使激发光进入到谐振腔层，激发量子点发光。根据附图本实施例选择发光峰位为506nm的激光二极管1芯片作为衬底101。
2.发光部分的制备A.采用常规的光学薄膜镀制方法依次将膜系(LH)11，2L镀制到激光二极管芯片101上，然后中止镀膜；B.将化学方法生长的浓度低于nmol/L的量子点溶液通过匀胶、喷涂、刷涂或浸蘸等手段涂敷到上述2L膜层上。待溶剂挥发后，再继续依次将膜系2L和(HL)11镀完，完成光学微腔膜系的镀制，此时量子点202分散嵌埋在谐振腔层中间。
C.然后采用电子束光刻和诱导耦合等离子体刻蚀的方法在微腔膜系上，靠近腔体四周刻蚀呈三角格子周期性分布的圆柱形空气柱203，形成量子点嵌埋的三维光学微腔2。
3.将一块单光子可以透过，但激发光波段完全反射的滤光片3粘贴在三维光学微腔2上。滤光片3也可以是短波截止滤光片，即保证单光子透过的同时将单光子波长以短波段的光都滤掉，，以保证激发光不会透射出来对单光子源形成干扰。
4.在衬底101上引出电极102，接上电源103和电源开关104，构成可控激光二极管1，最终完成便携式微型单光子光源的制作。
权利要求
1.一种微型单光子光源，包括激发光部分、发光部分和滤光片；其特征在于激发光部分为激光二极管(1)，发光部分为量子点嵌埋的三维光学微腔(2)；以激光二极管的芯片作为衬底(101)，在衬底上置有通过镀膜和刻蚀方法形成的量子点嵌埋的三维光学微腔(2)，在微腔(2)上置有和滤光片(3)；所说的量子点嵌埋的三维光学微腔(2)由微腔膜系(201)，嵌埋在微腔中的量子点(202)，靠近腔体四周刻有呈三角格子周期性分布的圆柱形空气柱(203)构成；空气柱(203)的深度为微腔膜系(201)的厚度；所说的微腔膜系(201)结构为(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m为微腔的下反射膜系(2011)，nL为微腔的谐振腔层(2012)，(HL)m为微腔的上反射膜系(2013)，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(202)嵌埋在谐振腔层(2012)的中间；所说的滤光片(3)是一块单光子可以透过的带通滤光片，或者是短波截止滤光片。
全文摘要
本发明公开了一种激发光源和量子点发光光源集成的、灵巧的、便携式微型单光子光源。激发光源为激光二极管，发光光源为量子点嵌埋的三维光学微腔。以激光二极管的芯片作为衬底，在衬底上依次排列量子点嵌埋的三维光学微腔和滤光片。三维光学微腔是由微腔膜系和膜系四周刻蚀呈三角格子周期性分布的圆柱形空气柱构成的。这种结构的优点是在微腔膜系的垂直方向上形成一维光子晶体，同时微腔膜系又与空气柱形成二维光子晶体，整个结构构成一个三维光子晶体微腔，当嵌埋在微腔中的量子点被激光二极管激发时，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。
文档编号H01S5/00GK1702926SQ20051002527
公开日2005年11月30日 申请日期2005年4月21日 优先权日2005年4月21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