一种基于半导体量子点的单光子源系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于半导体量子点的单光子源系统，包括：氦氖激光器，用于发出泵浦光，并经窄线滤光片的滤光与光纤准直器的聚焦后进入单模光纤耦合输出；Y型熔融光纤波分复用器，用于将泵浦光导入半导体量子点样品激发产生单量子荧光信号；光纤准直器，用于将光信号转换为平行荧光；滤光片组，用于将平行荧光中非单光子信号滤除，得到窄谱线单光子信号；光栅光谱仪，用于对经过光纤准直器聚焦后的单光子信号进行探测和分析。本发明专利技术不仅能够得到窄谱线、高纯度的单光子信号，同时能利用较少器件和简单光路实现单光子源系统的制备，从而能有效缓解单光子源系统光路复杂、成本高、体积大的难题。积大的难题。积大的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于半导体量子点的单光子源系统


[0001]本专利技术涉及半导体量子光源
，具体涉及一种基于半导体量子点的单光子激发、滤光与收集的系统。

技术介绍

[0002]单光子源是一种能产生量子态光信号的光源，在光学标定、量子通信、量子测量和量子计算等方面具有重要的应用前景。目前光学量子技术的发展对单光子源谱线的宽度以及纯度提出了更高的要求。近年来光学激发技术的发展以及微腔加工技术的进步大大地提高了半导体量子点单光子源的品质，但是单光子源系统的推广始终存在一些难题：光路复杂、成本高、体积大等。且以往滤光常采用的光栅单色仪存在体积大，分光和收光效率低、损耗大等问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于半导体量子点的单光子源系统，以期能够得到窄谱线、高纯度的单光子信号，同时能利用较少器件和简单光路实现单光子源系统的制备，从而能有效缓解单光子源系统光路复杂、成本高、体积大的难题。
[0004]本专利技术为达到上述专利技术目的，采用如下技术方案：
[0005]本专利技术一种基于半导体量子点的单光子源系统的特点是依次包括：氦氖激光器、窄线滤光片、光纤准直器、单模光纤、第一法兰适配器、Y型熔融光纤波分复用器、第二法兰适配器、半导体量子点样品、制冷平台、第一光纤准直器、滤光片组、第二光纤准直器、多模光纤、光栅光谱仪；
[0006]所述氦氖激光器发出的泵浦光，经过所述窄线滤光片的滤光和所述光纤准直器的聚焦后进入所述单模光纤中进行耦合输出；r/>[0007]所述单模光纤通过所述第一法兰适配器与所述Y型熔融光纤波分复用器的输入端相连，所述Y型熔融光纤波分复用器的共线端通过所述第二法兰适配器与存放在低温环境中的制冷平台上的半导体量子点样品相连，从而将泵浦光导入所述半导体量子点样品中并激发产生单量子荧光信号；
[0008]所述Y型熔融光纤波分复用器的输出端与所述第一光纤准直器相连，用于将所述单量子点荧光信号转换为平行荧光信号；
[0009]所述滤光片组将所述平行荧光信号中非单光子信号滤除，从而得到窄谱线单光子信号；
[0010]所述第二光纤准直器将所述窄谱线单光子信号聚焦后收入所述多模光纤中；
[0011]所述光栅光谱仪与所述多模光纤相连接，用于对所述多模光纤中的单量子荧光信号进行实时观察分析。
[0012]本专利技术所述的一种基于半导体量子点的单光子源系统的特点也在于，利用式(1)
建立所述半导体量子点样品激发的半导体量子点发光的峰值位置和量子点尺寸的关系式：
[0013][0014]式(1)中，E(R)为半导体量子点的最低激发能量、E0为半导体量子点的基态能量、R为半导体量子点的半径，A为常数。
[0015]当半导体量子点样品的谱峰位置对应于激子能量时，利用式(2)建立当半导体量子点样品的能带隙与温度变化的关系式：
[0016]E
g
(T)＝E
g
(0)
‑
[αT2/(T+β)]ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]式(2)中，T为温度、E
g
(0)表示温度为0K时的禁带宽度、E
g
(T)表示温度为T时的禁带宽度，α、β为两个温度系数。
[0018]所述滤光片组包括长通滤光片和窄带滤光片，所述长通滤光片用于将背景光滤除，所述窄带滤光片用于将选定波段的单光子信号滤出。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0020]1、本专利技术可从量子点荧光谱中高效滤出单光子谱线，系统体积小，光路简单，可装置化，一定程度上缓解了现有技术在非全同性领域光路复杂、成本高、体积大的难题。
[0021]2、本专利技术光栅光谱仪可实时观察滤光效果，通过使用并精密调节窄带滤光片的倾斜角来调节滤光，操作简单，收光效率比较高，有效避免了使用光栅单色仪色散滤光中目标光信号损耗大的问题。
[0022]3、本专利技术空间滤光光路采用单模光纤输入、多模光纤输出，单模光纤具有完美的高斯光束和小数值孔径，多模光纤具有大芯径和大数值孔径，可高效收集荧光。
附图说明
[0023]图1为本专利技术一种基于半导体量子点样品的单光子源系统的示意图；
[0024]图2为本专利技术得到的InAs单量子点的单个激子态发光光谱图；
[0025]图中标号：1
‑
氦氖激光器、2
‑
窄线滤光片、3
‑
光纤准直器、4
‑
单模光纤、5
‑
第一法兰适配器、6
‑
Y型熔融光纤波分复用器、5'
‑
第二法兰适配器、7
‑
半导体量子点样品、8
‑
制冷平台、9
–
第一光纤准直器、10
‑
长通滤光片、11
‑
窄带滤光片、9'第二光纤准直器、
‑
12
‑
多模光纤、13
‑
光栅光谱仪。
具体实施方式
[0026]本实施例中，一种基于半导体量子点的单光子源系统，如图1所示。依次包括：氦氖激光器1、窄线滤光片2、光纤准直器3、单模光纤4、第一法兰适配器5、Y型熔融光纤波分复用器6、第二法兰适配器5'、半导体量子点样品7、制冷平台8、第一光纤准直器9、滤光片组、第二光纤准直器9'、多模光纤12、光栅光谱仪13；
[0027]氦氖激光器1发出的泵浦光，经过630nm窄线滤光片2的滤光和光纤准直器3的聚焦后进入单模光纤4中进行耦合输出，产生高斯圆形光斑用于空间分辨激发单量子点；
[0028]上述泵浦光激发功率的大小会影响量子点系综荧光谱的形状，由S能级速率方程：
[0029][0030]式(1)中，N
S
和N
2D
分别为S能级和量子阱二维结构中的布居数，τ
s
和τ
2D
分别为S能级的激子寿命和二维电子气中电子散射到量子点时间，右边第一项即为自发辐射项，第二项表示量子点对载流子的捕获速率，可知半导量子点高低阶壳层发光峰由激发功率的大小来决定；
[0031]单模光纤4通过第一法兰适配器5与Y型熔融光纤波分复用器6的输入端相连，Y型熔融光纤波分复用器6的共线端通过第二法兰适配器5'与存放在低温环境中的制冷平台8上的半导体量子点样品7相连，从而将泵浦光导入半导体量子点样品7中并激发产生单量子荧光信号；
[0032]本实施例中，半导体量子点样品7为InAs量子点样品，需要制冷平台8对其冷却，当半导体量子点样品7谱峰位置对应于激子能量时，利用式(2)建立当半导体量子点样品7的能带隙与温度变化的关系式：
[0033]E
g
(T)＝E
g
(0)
‑
[αT2/(T+β)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0034]式(2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于半导体量子点的单光子源系统，其特征是依次包括：氦氖激光器(1)、窄线滤光片(2)、光纤准直器(3)、单模光纤(4)、第一法兰适配器(5)、Y型熔融光纤波分复用器(6)、第二法兰适配器(5')、半导体量子点样品(7)、制冷平台(8)、第一光纤准直器(9)、滤光片组、第二光纤准直器(9')、多模光纤(12)、光栅光谱仪(13)；所述氦氖激光器(1)发出的泵浦光，经过所述窄线滤光片(2)的滤光和所述光纤准直器(3)的聚焦后进入所述单模光纤(4)中进行耦合输出；所述单模光纤(4)通过所述第一法兰适配器(5)与所述Y型熔融光纤波分复用器(6)的输入端相连，所述Y型熔融光纤波分复用器(6)的共线端通过所述第二法兰适配器(5')与存放在低温环境中的制冷平台(8)上的半导体量子点样品(7)相连，从而将泵浦光导入所述半导体量子点样品(7)中并激发产生单量子荧光信号；所述Y型熔融光纤波分复用器(6)的输出端与所述第一光纤准直器(9)相连，用于将所述单量子点荧光信号转换为平行荧光信号；所述滤光片组将所述平行荧光信号中非单光子信号滤除，从而得到窄谱线单光子信号；所述第二光纤准直器(9')将所述窄谱线单光子信号聚焦后收入所述多模光纤(12)中；所述光栅光谱仪(13)与所述多模光纤(12)相连接，用于对所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冬梅，顾婷婷，陈乐乐，李超，臧庆，周健，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：