基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件及设计方法

本发明涉及一种单光子源的，尤其涉及基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件及设计方法。

背景技术：

1、随着量子技术的快速发展，量子通信、量子计算等领域取得了显著的进展。其中，可扩展集成的芯片级单光子源作为实现量子信息传输和量子计算的关键器件，引起了广泛关注。

2、授权公告号为cn104009137b的发明专利文献公开了一种高速率、定向发射的单光子源器件，包括表面等离激元微腔结构，用于形成表面等离激元微腔；以及设置在表面等离激元微腔内的单光子源；表面等离激元微腔结构包括一维金属纳米波导。通过表面等离激元微腔与单光子源的相互作用，可以将单光子源所发射出的一部分单光子转化为沿着一维金属纳米波导传导的表面等离激元，并最终在一维金属纳米波导的端部散射形成定向传播的单光子束流。采用本发明所提供的单光子源器件，不仅实现了单光子的定向发射，同时提高了光子的收集效率。

3、上述专利中的单光子源器件对混合等离子体模式有很强的依赖性，不可避免地存在结构复杂的问题。需要精确控制如尺寸、形状和材料等参数，才能实现相应的单光子源器件，并得到较高的单光子源提取率，这将会增加生产成本和制造难度。重要的是，利用微腔结构增强单光子源提取率仍有局限性。

4、研究表明，将量子发射器放置在双曲异向介质附近，可以增强自发辐射率(提取率＝自发辐射率*耦合效率)，但由于外耦合效率较低，支持的high-k特征模式一般不能传播到远场，而是被限制在双曲异向介质内部，不能实现提取率的显著增强。为了改善双曲异向介质的光子提取率，目前已经有经过特殊设计的双曲异向介质(包括图案化，扭曲，加入光栅等)，例如：

5、申请公布号为cn107452844a的发明专利文献公开了双曲异向介质复合光栅增强的高频量子点单光子源，其中双曲异向介质的表面或内部具有光栅微结构；双曲异向介质是由金属和介质薄膜交替形成的一维周期性结构；量子点置于一维周期性结构内部或处于双曲异向介质近场范围；利用双曲异向介质实现量子点宽带自发辐射增强，同时结合光栅的定向耦合输出特性提高光出射效率，大大提高量子点单光子源的光子产生速率和收集利用效率。

6、虽然上述结构能够提高单光子源的收集利用率，但由于光栅结构的周期限制，单光子源提取率仍存在局限性，一方面是光栅不利于针对芯片的集成，另一方面是这样的结构较为复杂，也会导致生产成本和制造难度的增加。

7、重复率是可扩展集成单光子源的关键特征。高重复率允许量子通信中更高的比特率和更快的量子比特的读取。具体来说，重复率是由量子发射器对电介质环境的光子提取率决定的。因此，提高固态量子发射器辐射的单光子的提取率对一系列的量子技术的应用都是必要的。现有单光子源器件的提取率相对较低，这会导致大量的光子未能成功提取，从而降低了整个量子通信或量子计算系统的性能。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，提供一种结构更为简单并且可集成的芯片级单光子源器件，通过利用双曲异向介质的特殊性质，控制材料的空间拓扑结构，设计异向介质的介电常数分量随空间方向由正数变为负数，从而使等频曲线在空间上从椭圆过渡到双曲线，实现对单光子源提取衰退率的显著增强。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件，包括一个平面衬底、多个纳米金属平截台体和一个量子点；

3、多个纳米金属平截台体阵列设置于所述平面衬底上，所述量子点位于所述纳米金属平截台体构成的微间距阵列的中间；

4、围绕所述纳米金属平截台体周围的留白空间内具有光传播介质，纳米金属平截台体及留白空间形成金属—介质立体空间体；

5、以平行于所述平面衬底的平面的方向为x-y水平方向，以垂直于所述平面衬底的方向为z方向；所述金属—介质立体空间体的x-y水平方向横截面的金属填充率沿z方向渐变且色散曲线从椭圆到双曲线变化。

6、本发明解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：纳米金属平截台体的数量为n2个，n为偶数，n2个纳米金属平截台体以n×n微间距阵列设置于所述平面衬底上，所述量子点位于所述纳米金属平截台体构成的n×n微间距阵列的中间。

7、本发明解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：所述纳米金属平截台体为纳米级圆台构件，所述量子点的自由空间工作波长为λ，所述纳米金属平截台体平均半径为r，所述微间距阵列的阵列周期为a；所述量子点的工作波长、所述纳米金属平截台体平均半径和所述微间距阵列的阵列周期三者满足：r<a＜＜λ。

8、本发明解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：所述量子点设置于金属—介质立体空间体的z方向的激发区内；

9、所述激发区的z方向的上限位置用zup表示，激发区的z方向的下限位置用zlow表示；

10、所述zup满足该处金属—介质立体空间体的介电常数垂直分量εz(z)＝0；

11、所述zlow满足该处kz＝15k0，kz是波矢在z方向的分量，k0＝ω/c，c是自由空间的光速，ω是光波的角频率。

12、本发明解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：所述纳米金属平截台体的材料为银、金、铜、铝中的任意一种。

13、本发明解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：所述纳米金属平截台体为纳米级棱台构件。

14、本发明解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：所述量子点的自由空间工作波长λ为500nm，所述纳米金属平截台体为银纳米圆台构件。

15、本发明解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：所述银纳米圆台构件的顶面所在的金属—介质立体空间体的x-y水平方向横截面的金属填充率p1为0.18；所述银纳米圆台构件的底面所在的金属—介质立体空间体的x-y水平方向横截面的金属填充率p2为0.04；所述银纳米圆台构件的高度t为60nm；所述量子点在平面衬底的z方向的距离为35nm。

16、本发明解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：所述平面衬底为氮化硅，所述平面衬底的厚度为400nm。

17、本发明解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件的制备方法，包括下列步骤：

18、步骤一：选择合适量子点和工作波长；

19、步骤二：根据波长选择合适金属和介质组合；

20、步骤三：创建基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件三维模型，所述三维模型包括平面衬底、n2个纳米金属平截台体和一个量子点，n为偶数；

21、n2个纳米金属平截台体以n×n微间距阵列设置于所述平面衬底上，所述量子点位于所述纳米金属平截台体构成的n×n微间距阵列的中间；

22、围绕所述纳米金属平截台体周围的留白空间内具有光传播介质，纳米金属平截台体及留白空间形成金属—介质立体空间体；

23、步骤四：进行多次仿真试验，选取合适的纳米金属平截台体的构造，使得所述金属—介质立体空间体的x-y水平方向横截面的金属填充率沿z方向渐变且色散拓扑结构从椭圆到双曲线变化，并得到量子点z方向最优位置；

24、步骤五：根据步骤四的仿真结构制备实际基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件。

25、与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：作为异向介质的纳米金属采用平截台体构造，使得金属—介质立体空间体在z方向的金属填充率动态变化，进而使得色散曲线呈现动态变化。high-k特征模可以穿过椭圆和双曲区，耦合到介质环境中的辐射模，且耗散可能被强烈抑制，从而显著增强单光子源提取衰退率，传播到远场。

26、在单一的异向介质中实现了空间的拓扑转换，相比与已有的通过多个异向介质实现功能的产品具有更加良好的兼容性，更很容易地扩展到光学和材料科学的其他研究领域。