一种可控圆偏振的单光子源的制作方法

本公开涉及量子点技术，特别涉及基于量子点的可控圆偏振的单光子源。

背景技术：

1、为实现量子光通信和量子光计算等，需要符合要求的单光子源器件。

2、单光子源器件可以每次确定性地发射并且仅发射一个单光子[参考文献 1,2]，属于发展微型化光量子器件的核心技术[参考文献3,4,5]。

3、特别重要的是，单光子源器件对于量子计算过程中的玻色采样非常有意义[参考文献6]。如果能够在玻色采样计算中使用20至30个单光子，便可以完成对于经典计算机而言十分艰巨而复杂的任务[参考文献7]。

4、为了使单光子源器件达到可以实用化的程度，单光子源必须同时满足以下几个指标：

5、1.能够高效率发射单光子；

6、2.所发射的多个单光子具有抗聚束性；

7、3.所发射的多个单光子具有不可区分性。

8、迄今为止，在所有全固态单光子源器件中，自组装量子点器件被证明具有最高的量子发射效率[参考文献8,9]，因而很有希望实现可实用化的单光子源。然而通常情况下，目前通过电学或者光学泵浦的单量子点只能发射偏振方向随机的单光子。

9、为了获得具有确定偏振方向的单光子，或者进一步地，为了达到多个单光子源所发射的多个单光子具有一致的偏振方向从而不可区分的要求，必须使用偏振片来过滤具有不同偏振方向的单光子。因此，所发射的光子有一半几率会被偏振片阻挡。这种固有的困难极大地降低了单光子的发射效率。

10、因此，仍然需要一种可控圆偏振的单光子源器件，其能够以更高的效率发射确定偏振方向的单光子以用于后续量子光通信或量子光计算。

技术实现思路

1、本公开要解决的一个技术问题是提供一种可控圆偏振的单光子源器件，能够以高效率发射具有确定偏振状态的单光子。

2、根据本公开第一个方面，提供了一种可控圆偏振的单光子源，包括：半导体衬底；柱状结构，位于半导体衬底上方，包括半导体单量子点结构；自旋注入层，位于柱状结构上方，用于向半导体单量子点结构注入自旋极化的载流子；第一电极和第二电极，分别连接到自旋注入层和半导体衬底，用于在自旋注入层和半导体衬底之间施加脉冲电压，以从自旋注入层向半导体单量子点结构注入自旋极化的单个载流子，其中，半导体单量子点结构中的单量子点响应于注入的单个载流子，发射单个光子，单个光子的圆偏振方向对应于单个载流子的自旋方向。

3、可选地，该单光子源还可以包括：磁矩控制装置，用于极化自旋注入层的磁矩方向，其中，在自旋注入层的磁矩方向被极化后，通过第一电极和第二电极在自旋注入层和半导体衬底之间施加脉冲电压，以从自旋注入层向半导体单量子点结构注入自旋极化的单个载流子，单个载流子的自旋方向取决于自旋注入层被极化的磁矩方向。

4、可选地，磁矩控制装置包括外部磁场施加装置，用于向自旋注入层施加脉冲磁场，以极化自旋注入层的磁矩方向。可选地，外部磁场施加装置可以被切换控制，以向自旋注入层施加交替反向的脉冲磁场，以翻转自旋注入层的磁矩方向。可选地，可以在相邻两次施加的例如交替反向的脉冲磁场之间施加上述脉冲电压。

5、可选地，自旋注入层为霍尔棒结构，磁矩控制装置包括：第三电极和第四电极，分别连接到霍尔棒结构的两端，以在霍尔棒结构中施加脉冲电流，以极化霍尔棒结构的磁矩方向。可选地，可以在霍尔棒结构中施加交替反向的脉冲电流，以翻转霍尔棒结构的磁矩方向。可选地，可以在相邻两次施加的交替反向的脉冲电流之间施加上述脉冲电压。

6、可选地，该单光子源还可以包括：自旋过滤层，位于自旋注入层和半导体单量子点结构之间，用于对所通过的自旋极化的载流子进行具有自旋方向选择性的复合，从而起到自旋过滤的作用。

7、可选地，柱状结构还可以包括：底部分布式布拉格反射镜，位于半导体单量子点结构下方，用于增强向上方向的单光子输出效率。

8、可选地，该单光子源还可以包括：顶部分布式布拉格反射镜，位于自旋注入层上方，以在顶部分布式布拉格反射镜和底部分布式布拉格反射镜之间实现内腔共振面发射激光器结构。

9、可选地，该单光子源还可以包括：外部反射镜，设置于自旋注入层上方，以在外部反射镜和底部分布式布拉格反射镜之间形成共振面发射激光器结构。

10、可选地，自旋注入层包括窗口，窗口位于半导体单量子点结构中的单量子点的正上方。

11、根据本公开的第二个方面，提供了一种单光子源集群，包括多个根据本公开第一个方面的单光子源，多个单光子源共用半导体衬底，使多个单光子源的自旋注入层的磁矩方向沿相同方向同步极化，并且在半导体衬底和多个单光子源的自旋注入层之间同步施加相同的脉冲电压，以便同时从自旋注入层向半导体单量子点结构分别注入单个载流子，从而使多个单光子源的半导体单量子点结构中的单量子点同时分别发出具有相同圆偏振方向的单个光子。

12、由此，根据本公开的单光子源能够以高效率发射具有确定圆偏振方向的单光子，多个单光子源构成的单光子源集群能够高效地同步发射不可区分的多个单光子。

技术特征：

1.一种可控圆偏振的单光子源，包括：

2.根据权利要求1所述的单光子源，还包括：

3.根据权利要求2所述的单光子源，其中，

4.根据权利要求3所述的单光子源，其中，

5.根据权利要求3或4所述的单光子源，其中，

6.根据权利要求1至4中任何一项所述的单光子源，还包括：

7.根据权利要求1至4中任何一项所述的单光子源，其中，所述柱状结构还包括：

8.根据权利要求7所述的单光子源，还包括：

9.根据权利要求1至4中任何一项所述的单光子源，其中，

10.一种可控圆偏振的单光子源集群，包括：

技术总结
公开了一种可控圆偏振的单光子源。半导体衬底上方的柱状结构包括半导体单量子点结构。柱状结构上方设置有自旋注入层。在自旋注入层和半导体衬底之间施加脉冲电压，以从自旋注入层向半导体单量子点结构注入自旋极化的单个载流子。可以通过磁矩控制装置来极化自旋注入层的磁矩方向，这样，单个载流子的自旋方向可以取决于自旋注入层被极化的磁矩方向。单量子点响应于注入的单个载流子，发射单个光子。所发射的单个光子的圆偏振方向对应于单个载流子的自旋方向。由此，能够高效发射具有确定圆偏振方向的单光子，并且单光子的圆偏振方向可以通过磁场或电流进行有效的控制。多个单光子源构成的单光子源集群能够高效地同步发射不可区分的多个单光子。

技术研发人员：陆沅,袁之良,丛光伟,徐波,吴锐,牛力
受保护的技术使用者：陆沅
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12