使用滑移面对称波导的高效自旋光子接口制造技术

本发明专利技术提供了包括平面波导(12)和量子发射器(18)的光学器件(1)。所述平面波导(2)包括具有第一侧(6)和第二侧(8)的纵向延伸的引导区域(4)。第一纳米结构(7)设置在引导区域(4)的第一侧(6)，第二纳米结构(9)设置在引导区域(4)的第二侧(7)。所述平面波导(2)包括其中第一纳米结构(7)和第二结构(9)关于平面波导(2)的引导区域(4)基本上滑移面对称地设置的第一纵向区域(10)，并且所述量子发射器(18)耦合到所述平面波导(18)的第一纵向区域(10)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用滑移面对称波导的高效自旋光子接口
本专利技术涉及包括平面波导和量子发射器的光学器件。
技术介绍
日常计算机上的数据包括比特，比特是零和一的二进制序列。这些位(比特)可以磁性地存储在硬盘驱动器上或电存储在闪存驱动器上。在过去几十年中，使用量子比特或“量子位(qubit)”的量子信息处理已经成为计算的一种全新形式。与比特不同，单个量子位是量子力学对象，并且可以是零和一状态的组合或叠加。可以操纵和处理量子位以执行计算任务。表示量子位的两种常见方式包括：使用带电粒子的量化角动量或自旋，例如，上自旋(spinup)＝0和下自旋(spindown)＝1，或通过使用光子，例如，无光子存在＝0，一个光子存在＝1。已经提出半导体量子点(QD)是固定量子位的优良候选。它们的光跃迁的大的振子强度允许快速初始化、光学操纵和读出自旋状态。此外，这些发射器的固态性质使得可以在纳米长度尺度上构造其环境，因此允许通过制造光子晶体结构来工程设计它们的光子的光学状态局部密度(LDOS)。为了沿着某些方向引导光，这种光子晶体通常利用其中纳米结构关于引导区域镜像对称(或上下对称)设置的几何形态。然而，由于这种光子晶体波导的对称性，这些波导具有相对于引导区域为偶函数或奇函数的电场，并且由线偏振的电场主导。因此，具有圆偏振跃迁偶极矩的任何集成量子发射器或量子点的不同自旋状态不能有效地耦合到这种波导。AdamMock等人：“SpacegrouptheoryandFourierspaceanalysisoftwo-dimensionalphotoniccrystalwaveguide”，PhysicalReviewB，Vol.81，no.14公开了B型波导，其中，在引导区域的每一侧的光子晶体晶格在纵向方向上偏移了半个周期，由此拥有滑移面(glideplane)对称性。该B型波导用于减少通过该波导传播的线偏振光的平面外辐射损耗。PeterLodahl等人：“Interfacingsinglephotonandsinglequantumdotswithphotonicnanostructures”，2013年12月4日，ArXiv，是本专利技术人团队的公开，其提供了具有在嵌入光子纳米结构中的单量子点中的激子的量子光学的综述。总的来说，仍然存在允许对具有圆偏振跃迁偶极矩的量子发射器进行片上有效读出的波导的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是获得一种光学器件，其克服或改善现有技术的至少一个缺点或提供有用的替代方案。根据本专利技术，这通过一种包括平面波导和量子发射器的光学器件获得，其中，该平面波导包括：-具有第一侧和第二侧的纵向延伸的引导区域，-设置在所述引导区域的第一侧的第一纳米结构，以及-设置在所述引导区域的第二侧的第二纳米结构，其中，-所述平面波导包括第一纵向区域，在该第一纵向区域中所述第一纳米结构和所述第二结构关于所述波导的所述引导区域基本上滑移面对称地设置，-并且其中，所述量子发射器耦接到所述平面波导的所述第一区域。具有关于引导区域的滑移面对称性的纳米结构的平面波导提供了如下的波导，其模式具有带有强的面内圆偏振的电场。该结构的模式可以耦合到跃迁偶极矩为圆偏振的量子点或任何集成的量子发射器的不同自旋状态。因此，本专利技术提供了一种光子纳米结构，其使得光子量子位能够非常有效地与自旋量子位相互作用，从而提供一种器件，其中具有高效率的量子发射器能够耦接到平面波导并被读出。应当注意的是，“圆偏振模式”不是传统意义上的圆偏振。就本专利技术和平面波导而言，电场矢量在发射器的位置处的结构的平面内是圆偏振的。量子发射器可以包括圆偏振的光跃迁。因此，可以看出，量子发射器用作单光子发射器，其以圆偏振模式发射光子。已经发现这种跃迁非常有效地耦合到具有基本上滑移面对称的纳米结构的平面波导。量子发射器可以设置在平面波导的引导区域上或嵌入在平面波导的引导区域中。量子发射器可以例如外延生长，例如通过分子束外延，或沉积。应当注意的是，术语“纵向”并不意味着引导区域必须沿着直线设置。其意味着光总体上在波导的给定方向上传播。还应注意的是，术语“纳米结构”也不应以过于局限的方式理解。它仅指示该纳米结构具有相对小的尺寸，例如，尺寸从几十纳米到几千纳米。此外，术语“光学”也不应以过于局限的方式理解，并且认识到光学范围包括红外光、可见光和紫外光。此外，还设想本专利技术适用于微波、x射线等。因此，该术语还可以涵盖这样的频率和波长。纳米结构当然应该根据给定的频率和波长范围来设计。总体上，第一纳米结构和第二纳米结构需要以某种周期性设置，并且第一纳米结构和第二纳米结构的周期性在平面波导的纵向方向上相互偏移或平移，因此镜像对称性被破坏。“基本上滑移面对称”是指两个纳米结构在平面波导的纵向方向上相互偏移了结构的周期的25％-75％，优选地约半个周期。请注意，即使25％的偏移(或等效地75％的偏移)也将提供自旋耦合的耦合效率的较大改善。然而，为了最大化耦合效率，偏移应该大约为半个周期。因此，相互偏移可有利地为纳米结构周期的30-70％，更有利地为40-60％，甚至更有利地为45-55％，例如。偏移约半个周期。因此，还可以看出，本专利技术提供了包括平面波导和量子发射器的光学器件，其中所述平面波导包括：-具有第一侧和第二侧的纵向延伸的引导区域，-在所述引导区域的第一侧以周期性设置的第一纳米结构，以及-在所述引导区域的第二侧以所述周期性设置的第二纳米结构，其中，-所述平面波导包括第一纵向区域，在该第一纵向区域中所述第一纳米结构和所述第二结构在所述平面波导的纵向方向上相互偏移了周期的25％-75％，-并且其中，所述量子发射器耦接到所述平面波导的所述第一区域。纳米结构有利地以晶格结构设置，即，以第一晶格结构设置的第一纳米结构和以第二晶格结构设置的第二纳米结构。由于纳米结构基本上以滑移面对称性来设置，这意味着第一晶格结构和第二晶格结构在波导的纵向方向上相互偏移了大致半个周期或晶格常数。根据优选实施方式，量子发射器是量子点或另一类型的单光子源。然而，具有滑移面对称性的平面波导也可应用于其它系统中，例如利用原子、离子或分子。量子点有利地具有1-10nm的高度和在10-70nm范围内的面内尺寸。量子点可以由10^4至10^6个原子组成。该平面波导有利地是光子晶体波导。根据另一个有利的实施方式，平面波导包括第二纵向区域，该第二纵向区域中第一纳米结构和第二纳米结构关于波导的引导区域镜像对称地设置。因此，通过平面波导传播的光可以有效地耦合到常规波导。根据特别有利的实施方式，平面波导包括有利地设置在第一纵向区域和第二纵向区域之间的过渡区域，并且其中，第一纳米结构和第二纳米结构的几何形态从滑移面对称逐渐改变为镜像对称。因此，导引模式从具有低损耗或无损耗的圆偏振逐渐改变为线偏振，并且可以更有效地耦合到常规波导。过渡区域的纵向范围可以有利地在3-30个晶格常数a(或纳米结构周期)的范围内，或者在4-20个晶格常数a的范围内，或者在5-15个晶格常数a的范围内。根据一个实施方式，中间过渡区域的第一纳米结构的晶格常数和/或第二纳米结构的晶格常数不同于第一区域的晶格常数。在实践中，可以以多种方式设计跃迁。第一区域和第二区域的纳米结构可以例如具有相同的晶格常数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括平面波导(12)和量子发射器(18)的光学器件(1)，其中，‑所述平面波导(2)包括：o具有第一侧(6)和第二侧(8)的纵向延伸的引导区域(4)，o设置在所述引导区域(4)的第一侧(6)的第一纳米结构(7)，以及o设置在所述引导区域(4)的第二侧(8)的第二纳米结构(9)，其中，o所述平面波导(2)包括第一纵向区域(10)，在该第一纵向区域(10)中所述第一纳米结构(7)和所述第二结构(9)关于所述平面波导(2)的所述引导区域(4)基本上滑移面对称地设置，‑并且其中，所述量子发射器(18)耦接到所述平面波导(2)的所述第一纵向区域(10)，其中，‑所述量子发射器(18)包括为圆偏振的光跃迁，并且所述量子发射器(18)嵌入在所述平面波导的所述引导区域中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.16 EP 14172566.31.一种包括平面波导(12)和量子发射器(18)的光学器件(1)，其中，-所述平面波导(2)包括：o具有第一侧(6)和第二侧(8)的纵向延伸的引导区域(4)，o设置在所述引导区域(4)的第一侧(6)的第一纳米结构(7)，以及o设置在所述引导区域(4)的第二侧(8)的第二纳米结构(9)，其中，o所述平面波导(2)包括第一纵向区域(10)，在该第一纵向区域(10)中所述第一纳米结构(7)和所述第二结构(9)关于所述平面波导(2)的所述引导区域(4)基本上滑移面对称地设置，-并且其中，所述量子发射器(18)耦接到所述平面波导(2)的所述第一纵向区域(10)，其中，-所述量子发射器(18)包括为圆偏振的光跃迁，并且所述量子发射器(18)嵌入在所述平面波导的所述引导区域中。2.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述量子发射器(18)是单光子源，该单光子源诸如为量子点。3.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述平面波导(2)是光子晶体波导。4.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述平面波导(2)包括第二纵向区域(14)，在该第二纵向区域(14)中所述第一纳米结构(7)和所述第二纳米结构(9)关于所述平面波导(2)的所述引导区域(4)基本上镜像对称地设置。5.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述平面波导(2)包括过渡区域(12)，该过渡区域(12)有利地设置在所述第一纵向区域(10)和所述第二纵向区域(14)之间，并且其中，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构(7、9)的几何形态从滑移面对称逐渐改变为镜像对称。6.根据权利要求4-5中任一项所述的光学器件，其中，常规波导(16)耦接到所述第二纵向区域或所述过渡区域，该常规波导(16)诸如脊形波导或条形波导。7.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述平面波导(2)包括位于所述第一纵向区域(10)的相对的纵向侧的附加第二纵...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·穆罕默迪安，I·N·索纳尔，S·施托贝，P·洛达尔，
申请(专利权)人：哥本哈根大学，
类型：发明
国别省市：丹麦,DK