一种基于量子点的单光子源制造技术

本发明专利技术实施例提供了一种基于量子点的单光子源，包括：衬底(1)、量子点(2)、金属微纳结构(3)和增益介质层(4)；所述量子点(2)、所述金属微纳结构(3)分别设置于所述衬底(1)之上；所述金属微纳结构(3)包括：两个沿长轴对半剖开的相同的半椭球，所述半椭球面的平面贴合于所述衬底(1)，所述量子点(2)位于两个所述半椭球之间，并且分别与两个所述半椭球之间具有间隔；所述增益介质层(4)覆盖于所述衬底(2)之上，包裹所述量子点(2)和所述金属微纳结构(3)。本发明专利技术实施例，通过增加增益介质层，以减少金属微纳结构的损耗，解决不易获得单光子的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子点的单光子源
本专利技术涉及单光子源
，特别是涉及一种基于量子点的单光子源。
技术介绍
量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通信的三项核心技术之一为单光子源技术。单光子源，即每次仅产生一个光子的光源。现有的单光子源，可以通过能量激发量子点，每次仅产生一个光子。该光子称为单光子，该能量可以包括电能量或光能量，其中，光能量，比如可以是平面光波(以下简称平面光)。由于平面光与量子点之间存在较大的尺寸不匹配问题，导致平面光与量子点之间相互作用比较弱。金属纳米颗粒附近的局部表面等离激元(Localizedsurfaceplasmons，LSPs)可以实现远比衍射极限小的模式体积，可以将平面光的光场束缚在量子点附近并使得此处光强增大，因此，它可以作为增强光与量子点间相互作用的有效媒介。故，可以将金属微纳结构作为平面光与量子点之间相互作用的过渡媒介。其中，表面等离激元为：光波入射到金属纳米颗粒时，金属纳米颗粒表面的自由电子发生集体振荡，光波与金属纳米颗粒表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场光波，当电子的振荡频率与入射光波的频率一致时就会产生共振，在共振状态下光波的能量被有效地转变为金属纳米颗粒表面自由电子的集体振动能，这时形成一种特殊的模式：光场被局限在金属纳米颗粒表面很小的范围内并发生增强，这种现象即为表面等离激元现象。即，现有单光子源产生单光子的过程可以为：通过平面光激发金属微纳结构，该金属微纳结构接收能量并发热，使得金属微纳结构的电子变成金属微纳结构的热电子，且该金属微纳结构的热电子没有达到电子逸出功，而是在该金属微纳结构的金属纳米颗粒附近产生LSPs。当LSPs与量子点的本振频率发生共振时，LSPs传递能量给量子点，以产生单光子。然而，在单光子源实际制备时，基于量子点-金属微纳结构的耦合体系中，因该金属微纳结构的LSPs会与外界环境间发生能量交换，从而导致能量损耗较大，即衰减率高。对于量子点-金属微纳结构来说，损耗越大，越不容易获得单光子。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种基于量子点的单光子源，通过增加增益介质层，以解决现有技术中量子点-金属微纳结构损耗大，不容易获得单光子的问题。具体技术方案如下：第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于量子点的单光子源，所述单光子源包括：衬底1、量子点2、金属微纳结构3和增益介质层4；所述量子点2、所述金属微纳结构3分别设置于所述衬底1之上；所述金属微纳结构3包括：两个沿长轴对半剖开的相同的半椭球，所述半椭球面的平面贴合于所述衬底1，所述量子点2位于两个所述半椭球之间，并且分别与两个所述半椭球之间具有间隔；所述增益介质层4覆盖于所述衬底2之上，包裹所述量子点2和所述金属微纳结构3。可选的，所述增益介质层是由二氧化硅SiO2中掺杂稀土元素离子制成的。第二方面，本专利技术实施例提供了一种增益介质层的增益系数确定方法，用于上述第一方面所述的单光子源中的增益介质层，所述方法包括：确定待计算的结构对象，所述待计算的结构对象包括：目标结构对象；在预设范围内按照预设的规则对增益系数进行取值，依次选取不同取值的增益系数，作为候选增益系数；在所述候选增益系数下，确定所述候选增益系数对应的所述目标结构对象的基本参数；基于所述基本参数确定目标结构对象模型，并计算所述目标结构对象模型的相干函数；若所选取的所有取值的候选增益系数对应的目标结构对象模型的相干函数都计算得到，则将满足预设判断条件的相干函数所对应的候选增益系数，确定为目标增益系数。可选的，所述待计算的结构对象还包括：第一结构对象和第二结构对象；在所述候选增益系数下，确定所述候选增益系数对应的所述目标结构对象的基本参数的步骤，包括：使用有限单元法，针对所确定的待计算结构对象，建立各待计算结构对象对应的频域模型，计算候选增益系数下，所述各待计算结构对象的第一吸收截面；基于腔量子电动力学CQED，针对所确定的待计算结构对象，建立各待计算结构对象对应的稳态模型，计算稳态情况候选增益系数下，所述各待计算结构对象的第二吸收截面；拟合计算得到的各所述第一吸收截面与第二吸收截面，并确定所述候选增益系数对应的目标结构对象的基本参数。可选的，所述待计算的结构对象还包括：第一结构对象和第二结构对象；所述使用有限单元法，针对所确定的待计算结构对象，建立各待计算结构对象对应的频域模型，计算候选增益系数下，所述各待计算结构对象的第一吸收截面的步骤，包括：使用有限单元法，针对所确定的待计算结构对象，建立各待计算结构对象对应的频域模型；采用平面光波5对所述各待计算结构对象进行激励；使用第一吸收截面的计算公式，计算候选增益系数下，所述各待计算结构对象的第一吸收截面；其中，所述第一吸收截面的计算公式为：σabs1(ω)＝Qrh(ω)/S0其中，σabs1(ω)为所述平面光波5的入射频率为ω时的第一吸收截面，Qrh(ω)为所述平面光波5的入射频率为ω时对应的热损，S0为所述平面光波5的能量密度。可选的，所述待计算的结构对象还包括：第一结构对象和第二结构对象；所述基于腔量子电动力学CQED，针对所确定的待计算结构对象，建立各待计算结构对象对应的稳态模型，计算稳态情况候选增益系数下，所述各待计算的结构对象的第二吸收截面的步骤，包括：基于CQED，针对所确定的待计算结构对象，建立各待计算结构对象对应的JC模型、哈密顿量和量子主方程；采用平面光波5对所述各待计算结构对象进行激励；使用第二吸收截面的计算公式，计算稳态情况候选增益系数下，所述各待计算的结构对象的第二吸收截面；其中，所述第二吸收截面的计算公式为：σabs2(ω)＝(ω/2)Im[μωE0*]/S0μω＝<μ|ρ>其中，σabs2(ω)为所述平面光波5的入射频率为ω时的第二吸收截面，ω为所述平面光波5的入射频率，μω为所述平面光波5的入射频率为ω时的偶极矩，表示μ在ρ中求得的期望值，μ为总的偶极算符，ρ为所述平面光波5的入射频率对应的密度矩阵，E0*为所述平面光波5激励强度E0的共轭。可选的，所述待计算的结构对象还包括：第一结构对象和第二结构对象；所述拟合计算得到的各所述第一吸收截面与第二吸收截面，并确定所述候选增益系数对应的目标结构对象的基本参数的步骤，包括：拟合第一结构对象对应的、第一吸收截面的频域曲线与第二吸收截面的稳态频域曲线；拟合第二结构对象对应的、第一吸收截面的频域曲线与第二吸收截面的稳态频域曲线；拟合目标结构对象对应的、第一吸收截面的频域曲线与第二吸收截面的稳态频域曲线；基于所有第一吸收截面的频域曲线与第二吸收截面的稳态频域曲线的拟合，确定所述候选增益系数对应的目标结构对象的基本参数。可选的，所述目标结构对象的基本参数包括：表面等离子体场本征频率、腔模耗散速率、量子点的本征频率、纯消相、量子点偶极矩、表面等离子体偶极矩、点-腔耦合强度和量子点自发辐射率。可选的，所述基于所述基本参数确定目标结构对象模型，并计算所述目标结构对象模型的相干函数的步骤，包括：将所述基本参数，应用到目标结构对象的哈密顿量和量子主方程中，确定所述目标结构对象模型；使用相干函数的计算公式，计算所述目标结构对象模型的相干函数；其中，所述相干函本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子点的单光子源，其特征在于，包括：衬底(1)、量子点(2)、金属微纳结构(3)和增益介质层(4)；所述量子点(2)、所述金属微纳结构(3)分别设置于所述衬底(1)之上；所述金属微纳结构(3)包括：两个沿长轴对半剖开的相同的半椭球，所述半椭球面的平面贴合于所述衬底(1)，所述量子点(2)位于两个所述半椭球之间，并且分别与两个所述半椭球之间具有间隔；所述增益介质层(4)覆盖于所述衬底(2)之上，包裹所述量子点(2)和所述金属微纳结构(3)。

【技术特征摘要】
1.一种基于量子点的单光子源，其特征在于，包括：衬底(1)、量子点(2)、金属微纳结构(3)和增益介质层(4)；所述量子点(2)、所述金属微纳结构(3)分别设置于所述衬底(1)之上；所述金属微纳结构(3)包括：两个沿长轴对半剖开的相同的半椭球，所述半椭球面的平面贴合于所述衬底(1)，所述量子点(2)位于两个所述半椭球之间，并且分别与两个所述半椭球之间具有间隔；所述增益介质层(4)覆盖于所述衬底(2)之上，包裹所述量子点(2)和所述金属微纳结构(3)。2.根据权利要求1所述的单光子源，其特征在于，所述增益介质层是由二氧化硅SiO2中掺杂稀土元素离子制成的。3.一种增益介质层的增益系数确定方法，其特征在于，用于权利要求1所述的单光子源中的增益介质层，包括：确定待计算的结构对象，所述待计算的结构对象包括：目标结构对象；在预设范围内按照预设的规则对增益系数进行取值，依次选取不同取值的增益系数，作为候选增益系数；在所述候选增益系数下，确定所述候选增益系数对应的所述目标结构对象的基本参数；基于所述基本参数确定目标结构对象模型，并计算所述目标结构对象模型的相干函数；若所选取的所有取值的候选增益系数对应的目标结构对象模型的相干函数都计算得到，则将满足预设判断条件的相干函数所对应的候选增益系数，确定为目标增益系数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述待计算的结构对象还包括：第一结构对象和第二结构对象；在所述候选增益系数下，确定所述候选增益系数对应的所述目标结构对象的基本参数的步骤，包括：使用有限单元法，针对所确定的待计算结构对象，建立各待计算结构对象对应的频域模型，计算候选增益系数下，所述各待计算结构对象的第一吸收截向；基于腔量子电动力学CQED，针对所确定的待计算结构对象，建立各待计算结构对象对应的稳态模型，计算稳态情况候选增益系数下，所述各待计算结构对象的第二吸收截面；拟合计算得到的各所述第一吸收截面与第二吸收截面，并确定所述候选增益系数对应的目标结构对象的基本参数。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述待计算的结构对象还包括：第一结构对象和第二结构对象；所述使用有限单元法，针对所确定的待计算结构对象，建立各待计算结构对象对应的频域模型，计算候选增益系数下，所述各待计算结构对象的第一吸收截面的步骤，包括：使用有限单元法，针对所确定的待计算结构对象，建立各待计算结构对象对应的频域模型；采用平面光波(5)对所述各待计算结构对象进行激励；使用第一吸收截面的计算公式，计算候选增益系数下，所述各待计算结构对象的第一吸收截面；其中，所述第一吸收截面的计算公式为：σabs1(ω)＝Qrh(ω)/S0其中，σabs1(ω)为所述平面光波(5)的入射频率为ω时的第一吸收截面，Qrh(ω)为所述平面光波(5)的入射频率为ω时对应的热损，S0为所述平面光波(5)的能量密度。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述待计...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶寒，王芋晶，俞重远，刘玉敏，王叶，张春雨，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11