基于一体化法布里珀罗微腔的集成可调谐量子点单光子源
时间：2024-03-20
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导读
中山大学电子信息与工程学院、光电材料与技术国家重点实验室喻颖课题组，与国防科技大学前沿交叉学科学院陈岩副研究员合作，成功地将法布里-珀罗光学微腔（Fabry Perot，FP）与压电衬底集成，通过应力调谐，实现了单个量子点与FP微腔基模的有效耦合，结合高精度荧光定位及共振激发技术，制备出高提取效率、高纯度、高不可分辨性的量子点单光子源，为可扩展的光量子技术提供了超高性能、集成化的固态量子光源。相关成果以“Tunable quantum dots in monolithic Fabry-Perot microcavities for high-performance single-photon sources” 为题，于2024年1月30日在线发表在Light: Science & Applications上。自组织半导体量子点是一种电子三维受限的纳米结构，具有与原子类似的分立能级，能够按需确定性地产生高效且不可区分的单光子及纠缠光子对，对于探索基础量子物理学和各种量子信息技术的应用，如长距离量子通信、光量子计算和量子精密测量等，都具有重要意义。同时，得利于传统半导体工艺，它也是一个天然的可集成、易扩展的材料体系。对于理想的量子点单光子源，为了提高光子的提取效率，通常需要将量子点自发辐射的光子与光学微腔的模式通过空间位置和波长的匹配实现确定性耦合，使得光学微腔可以通过Purcell效应增强单个量子点与光场的相互作用，从而增强量子点特定方向的自发辐射，以提高单光子的提取效率；同时缩短激子态的寿命，降低声子消相干等因素的影响，以提高光子的不可分辨性。然而，自组织量子点在半导体表面呈空间随机分布，很难确定性地和光学微腔进行耦合。目前其空间位置的对准依赖于精准的光学荧光定位技术，而波长的对准则最佳的方案之一是引入应力的调谐。当前性能最佳的量子点单光子源是基于分立镜面的开放式Fabry-Pérot微腔结构或者椭圆柱形微腔结构，前者通过细致地机械调节上下两个镜面实现位置与波长的对准，然而分立结构对环境震动很敏感，需要对设备进行额外的减震处理。而后者的孤立柱形结构不利于应力的传导，较难实现有效的波长调谐，目前仍依赖于小范围内的温度调谐，大大了降低了成品率。如何实现一种易于调谐的量子点-微腔结构，同时实现空间位置和波长的精确对准，是亟需攻破的难题。为了应对上述挑战，研究人员创新性地将FP光学微腔与压电陶瓷衬底相结合，研制了一种一体化的波长可调谐的微腔结构。如图1a所示，本工作设计的FP微腔，集成于压电陶瓷衬底之上。由于量子点位于薄膜中，可以实现应力的有效传导。且此结构加工过程中无需对半导体材料进行刻蚀，有效地避免了加工损伤对量子点发光的影响。如图1b所示的FP微腔结构中，垂直方向的光场限制是由上下两个布拉格反射镜（DBR）形成的（GaAs/AlGaAs 下DBR和SiO2/TiO2 介质上DBR），而侧向的光场限制是由抛物线型的SiO2微腔形成的。三维FDTD仿真结果显示（图1c），在理想情况下单光子源的提取效率可达0.95，同时Purcell增强因子可达40。除此之外，其基模具有高斯型的远场分布，有利于耦合到光纤中。图1 基于一体化FP微腔的可调谐量子点单光子源的概念与仿真设计。(a) 应力调谐单光子源概念图；(b) 一体化FP微腔的结构及其基模电场分布；(c) 3D-FDTD的仿真设计结果。图2 可调谐单光子源的实现。(a)光学显微镜下与压电衬底集成的一体化FP薄膜微腔；(b)量子点与微腔耦合的低温荧光成像；(c)电压扫描量子点波长；(d)量子点与微腔基膜耦合亮度增强。在器件的制备方面，研究团队首先利用高精度的宽场光学定位技术，将量子点置于FP微腔的中心（图2b），再利用微转印技术把包含单个量子点的薄膜微腔集成到PMN-PT(100)衬底上（图2a），通过扫描施加的电压可以实现1.3nm的调谐范围（图2c），这是目前所有的微腔-量子点结构报道的最大的波长调谐范围。当量子点与微腔基模有效耦合时，发光亮度得到了50倍的增强（图2d）。进一步，当量子点与对应偏振的基模耦合时（图3a），通过量子点脉冲共振荧光实验，测得APD最高计数为2.88 Mcps，计算得偏振单光子提取效率为0.58，发光寿命为100 ps（图3c），相对于无微腔的量子点，发光寿命缩短到1/10，单光子纯度达0.956，不可分辨性达0.922（图3d-e）。图3 单光子源性能表征 (a)量子点与H偏振模式耦合，(b)脉冲共振激发下的拉比震荡；(c)量子点荧光寿命测试；（d）量子点荧光单光子纯度测量；(e)单光子不可分辨性测量。本研究实现了基于固态集成FP光学微腔的量子点高性能单光子源，利用薄膜微腔结构实现了应力的有效传递。未来的拓展包括制备具有PIN结的薄膜结构，实现稳定的电荷注入或自旋注入，以实现低噪声的单光子发射或制备自旋-光子纠缠/线性簇态。其次，可通过调整DBR的厚度将此结构拓展到通讯波段的量子点单光子源。此外，通过适当降低其品质因子，可用来同时增强级联发射的纠缠光源的两个光子。因此，这一创新结果为高性能固态量子光源提供了新的思路和方法，为集成光量子技术的发展提供了新的契机。
