自带非对称微盘腔光泵浦的单光子源

技术领域

本发明涉及一种自带非对称微盘腔光泵浦的单光子源，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

现有的光源按照光子在时间序列上的分布分为四种，分别是热辐射光源、激光光源、非经典光源以及单光子源。所谓的单光子源指的是根据使用需要的任何时间可以确定性地依次发射单个光子的量子光源。由于光子具有与环境耦合弱、退相干小、单比特易于编码操控等特点，单光子源在量子通信、量子精密测量、量子密钥分配和量子传感等量子信息科学领域中具有重要应用。理想的单光子源需要具备确定性、全同性以及高效性。单光子源的确定性指的是根据使用需要的任何时间，器件有且只有一个单光子发射的概率为1。单光子源的全同性指的是辐射的单光子的量子态完全相同，包括极化、时空模式、频谱模式等。单光子源的高效性包括两部分，分别是高产生效率以及高收集效率，所述的产生效率指的是产生的单光子数与激发脉冲数之比，所述的收集效率指的是所产生光子被光学系统收集的效率。

能够成为单光子源的物理体系很多，例如单原子、单分子、金刚石色心、二维材料的缺陷态以及半导体量子点等。这些不同的物理体系在器件制作、实验复杂度、单光子频率、单光子寿命、稳定性等各方面都有很大差异。其中，半导体量子点是通过分子束外延技术生长的半导体材料，能够形成类似天然原子的二能级结构。半导体量子点不仅具有原子那样明显的分立能级结构，而且具备半导体材料的许多优点，例如生长条件及尺寸等可控、可以与各类腔进行耦合集成在芯片上、量子点发出的单光子容易被自由地控制等。同时，量子点的发光波长可以通过调节外延生长参数控制，可见，半导体量子点天然地适于用作单光子源。在现有各种物理体系中，半导体量子点提供了迄今为止品质最高的单光子源。

现有单光子源器件由半导体量子点与微柱腔耦合构成量子点-微柱腔耦合系统，在光泵浦的激发下，产生单光子输出。所述单光子源器件的结构如图1所示，量子点-微柱腔耦合系统自上而下依次是材料为P型Al

不过，所述现有单光子源器件存在如下不足。

在光泵浦14中，除了光源还需要配置复杂的滤波系统和准直耦合系统，以实现单光子共振激发，其弊端表现在两方面，一是使得单光子源器件结构复杂、松散，不易于实现小型化和集成化，二是不易实现泵浦光与量子点有源增益层6的对准，进而降低泵浦效率。

由于微柱腔诸如圆柱形状及非常小的径向尺寸等几何特征方面的原因，其腔面对泵浦光的反射损耗较大，泵浦效率以及随之的光子产生效率较低；另外，易发生腔内环形谐振，降低了单光子的产生效率。

光泵浦14与微柱腔之间存在种种差异，难以获得较高的单光子输出稳定性和全同性。

发明内容

为了克服现有单光子源器件的不足，本发明提出了一项名称为自带非对称微盘腔光泵浦的单光子源的方案。

本发明之自带非对称微盘腔光泵浦的单光子源包括光泵浦和微柱腔，其特征在于，如图2～图4所示，所述光泵浦为微盘腔，该微盘腔和所述微柱腔分立于同一下电极11、衬底10、缓冲层9上，所述微盘腔、微柱腔具有相同外延结构；所述相同外延结构是指，自下而上均依次是下分布布拉格反射镜8、下波导层7、量子点有源增益层6、上波导层5、氧化物限制层4、上分布布拉格反射镜3、覆盖层2、电极金属层1；所述微盘腔为非对称微盘腔，出光方向朝向微柱腔；所述微柱腔的侧面朝向微盘腔的部分开有凹槽12，在微柱腔的电极金属层1的中心部分开有半径为0.5μm～5.0μm出光口13，微柱腔的半径为8μm～20μm；在垂直方向上，光泵浦的几何轴线与微柱腔的几何轴线平行且相距200μm～500μm。

本发明之自带非对称微盘腔光泵浦的单光子源其发光过程如下所述。在下电极11与微盘腔的电极金属层1之间加驱动电压，电流自电极金属层1注入，经过微盘腔的量子点有源增益层6，使量子点有源增益层6中的量子点受激激发光子，从下电极11流出形成闭合回路。所述激发光子在微盘腔内在水平层面上环形谐振，形成稳定驻波后定向辐射到腔外，如图2所示，成为微柱腔的泵浦光。在泵浦光的作用下，微柱腔的量子点有源增益层6中的量子点受激激发光子，该激发光子在上分布布拉格反射镜3和下分布布拉格反射镜8的共同作用下形成垂直方向上的柱形谐振，最终通过位于微柱腔电极金属层1中心部分的出光口13发射，实现单光子输出。

本发明其技术效果如下所述。

本发明中的微盘腔光泵浦与微柱腔单光子源分立于同一下电极11、衬底10、缓冲层9上，且具有相同外延结构，意味着二者能够在同一衬底上采用相同外延工艺同步制作，成为一个发光芯片的两个固有组成部分，实现了器件的小型化、集成化；所述所述微盘腔为非对称微盘腔，出光方向唯一，且朝向微柱腔，微盘腔出光方式为边发射，同时，微盘腔的增益层与微柱腔的增益层等高，泵浦光的发射与接收天然对准；微柱腔的径向尺寸加大，且其侧面朝向微盘腔的部分开有凹槽12，有利于泵浦光的接收，泵浦效率大为提高，理论上泵浦效率约提高50％，同时，在0.5μm～5.0μm尺度的出光口13的约束下，径向尺寸加大了的微柱腔仍能以单光子的方式出光；光泵浦与微柱腔之间200μm～500μm如此大的间距在保证期间器件散热的同时，具有某一发散角的泵浦光的绝大部分仍能入射微柱腔侧面凹槽12，泵浦效率不会降低，器件整体发光稳定。

侧面开有凹槽12的微柱腔相比于现有具有完整圆柱形状的微柱腔，不易发生腔内环形谐振，单光子的产生效率得以稳定。

微盘腔与微柱腔具有相同的量子点有源增益层6，易于满足泵浦光能量和微柱腔量子点的能级共振条件从而形成共振激发，减轻了其他激发方式所引起的时间抖动和退相位效应，保证激发过程的环境稳定性，能够提高输出单光子稳定性和全同性。

在微柱腔中氧化物限制层4、上波导层5、下波导层7成为陪衬，在微盘腔中上分布布拉格反射镜3、下分布布拉格反射镜8同样成为陪衬，但并未因此增加工艺环节，成本增加微乎其微。况且，在微柱腔中，上波导层5、下波导层7的存在，以及在微盘腔中，上分布布拉格反射镜3、下分布布拉格反射镜8的存在，确保了两部分有源增益层等高；氧化物限制层4也能起到聚拢单光子束的作用。

在现有技术中，微柱腔并无电极金属层1、覆盖层2，然而，对于本发明它们却成为必要技术特这。因为，覆盖层2是为制作电极金属层1而设置，而电极金属层1的存在则与微柱腔较大的径向尺寸向呼应，再与几微米尺度的出光口13配合，实现顶面的单光子出光。

附图说明

图1是现有单光子源器件结构及工作状态主视剖视示意图。

图2是本发明之自带非对称微盘腔光泵浦的单光子源结构及工作状态主视剖视示意图。

图3是本发明之自带非对称微盘腔光泵浦的单光子源结构立体示意图，该图同时作为摘要附图。

图4～图8是本发明之自带非对称微盘腔光泵浦的单光子源结构俯视示意图。

其中：

图2～图4中的微盘腔为蜗线形非对称微盘腔，微柱腔凹槽为单凹圆柱面形凹槽。

图5中的微盘腔为螺线形非对称微盘腔，微柱腔凹槽为单凹圆柱面形凹槽。

图6中的微盘腔为椭圆形非对称微盘腔，微柱腔凹槽为单凹圆柱面形凹槽。

图7中的微盘腔为蜗线形非对称微盘腔，微柱腔凹槽为单凹梯柱面形凹槽。

图8中的微盘腔为蜗线形非对称微盘腔，微柱腔凹槽为三凹圆柱面形凹槽。

具体实施方式

所述非对称微盘腔为蜗线形非对称微盘腔、螺线形非对称微盘腔、椭圆形非对称微盘腔之一，依次如图4、图5、图6所示，出光方向朝向微柱腔凹槽12。

所述蜗线形非对称微盘腔的蜗线极坐标方程为ρ(θ)＝ρ

所述微柱腔的侧面朝向微盘腔的部分开有的凹槽12为单凹柱面形凹槽、单凹梯柱面形凹槽、三凹圆柱面形凹槽之一，依次如图4、图7、图8所示。

当所述凹槽12为单凹柱面形凹槽时，柱面弦长为6μm～18μm、柱面半径为8μm～20μm。当所述凹槽12为单凹梯柱面形凹槽时，梯形下底长为6μm～18μm、高为4μm～8μm、上底长为4μm～12μm。当所述凹槽12为三凹圆柱面形凹槽时，三个圆柱面的弦长和为6μm～18μm、柱面半径为1μm～3μm。

在微柱腔的电极金属层1的中心部分开有半径为0.5μm～5.0μm出光口13，如5.0μm；微柱腔的半径为8μm～20μm，如8μm；在垂直方向上，光泵浦的几何轴线与微柱腔的几何轴线平行且相距200μm～500μm，如200μm。

泵浦光入射凹槽12时，绝大部分会有效入射微柱腔的量子点有源增益层6，即使存在反射，也会在多次反射后入射量子点有源增益层6。

本发明之自带非对称微盘腔光泵浦的单光子源的制作过程如下所述。如图2、图3所示，采用半导体外延生长工艺，在材料为高掺杂浓度N型GaAs的衬底10上依次生长材料为N型GaAs的缓冲层9、材料为N型Al