基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件及设计方法技术

本发明专利技术公开了基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件及制备方法，包括一个平面衬底

【技术实现步骤摘要】
基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件及设计方法


[0001]本专利技术涉及一种单光子源的
，尤其涉及基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件及设计方法
。

技术介绍

[0002]随着量子技术的快速发展，量子通信
、
量子计算等领域取得了显著的进展
。
其中，可扩展集成的芯片级单光子源作为实现量子信息传输和量子计算的关键器件，引起了广泛关注
。
[0003]授权公告号为
CN104009137B
的专利技术专利文献公开了一种高速率
、
定向发射的单光子源器件，包括表面等离激元微腔结构，用于形成表面等离激元微腔；以及设置在表面等离激元微腔内的单光子源；表面等离激元微腔结构包括一维金属纳米波导
。
通过表面等离激元微腔与单光子源的相互作用，可以将单光子源所发射出的一部分单光子转化为沿着一维金属纳米波导传导的表面等离激元，并最终在一维金属纳米波导的端部散射形成定向传播的单光子束流
。
采用本专利技术所提供的单光子源器件，不仅实现了单光子的定向发射，同时提高了光子的收集效率
。
[0004]上述专利中的单光子源器件对混合等离子体模式有很强的依赖性，不可避免地存在结构复杂的问题
。
需要精确控制如尺寸
、
形状和材料等参数，才能实现相应的单光子源器件，并得到较高的单光子源提取率，这将会增加生产成本和制造难度
。
重要的是，利用微腔结构增强单光子源提取率仍有局限性
。
[0005]研究表明，将量子发射器放置在双曲异向介质附近，可以增强自发辐射率
(
提取率＝自发辐射率
*
耦合效率
)
，但由于外耦合效率较低，支持的
high
‑
k
特征模式一般不能传播到远场，而是被限制在双曲异向介质内部，不能实现提取率的显著增强
。
为了改善双曲异向介质的光子提取率，目前已经有经过特殊设计的双曲异向介质
(
包括图案化，扭曲，加入光栅等
)
，例如：
[0006]申请公布号为
CN107452844A
的专利技术专利文献公开了双曲异向介质复合光栅增强的高频量子点单光子源，其中双曲异向介质的表面或内部具有光栅微结构；双曲异向介质是由金属和介质薄膜交替形成的一维周期性结构；量子点置于一维周期性结构内部或处于双曲异向介质近场范围；利用双曲异向介质实现量子点宽带自发辐射增强，同时结合光栅的定向耦合输出特性提高光出射效率，大大提高量子点单光子源的光子产生速率和收集利用效率
。
[0007]虽然上述结构能够提高单光子源的收集利用率，但由于光栅结构的周期限制，单光子源提取率仍存在局限性，一方面是光栅不利于针对芯片的集成，另一方面是这样的结构较为复杂，也会导致生产成本和制造难度的增加
。
[0008]重复率是可扩展集成单光子源的关键特征
。
高重复率允许量子通信中更高的比特率和更快的量子比特的读取
。
具体来说，重复率是由量子发射器对电介质环境的光子提取率决定的
。
因此，提高固态量子发射器辐射的单光子的提取率对一系列的量子技术的应用
都是必要的
。
现有单光子源器件的提取率相对较低，这会导致大量的光子未能成功提取，从而降低了整个量子通信或量子计算系统的性能
。

技术实现思路

[0009]针对现有技术中的缺陷，提供一种结构更为简单并且可集成的芯片级单光子源器件，通过利用双曲异向介质的特殊性质，控制材料的空间拓扑结构，设计异向介质的介电常数分量随空间方向由正数变为负数，从而使等频曲线在空间上从椭圆过渡到双曲线，实现对单光子源提取衰退率的显著增强
。
[0010]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件，包括一个平面衬底
、
多个纳米金属平截台体和一个量子点；
[0011]多个纳米金属平截台体阵列设置于所述平面衬底上，所述量子点位于所述纳米金属平截台体构成的微间距阵列的中间；
[0012]围绕所述纳米金属平截台体周围的留白空间内具有光传播介质，纳米金属平截台体及留白空间形成金属
—
介质立体空间体；
[0013]以平行于所述平面衬底的平面的方向为
X
‑
Y
水平方向，以垂直于所述平面衬底的方向为
Z
方向；所述金属
—
介质立体空间体的
X
‑
Y
水平方向横截面的金属填充率沿
Z
方向渐变且色散曲线从椭圆到双曲线变化
。
[0014]本专利技术解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：纳米金属平截台体的数量为
N2个，
N
为偶数，
N2个纳米金属平截台体以
N
×
N
微间距阵列设置于所述平面衬底上，所述量子点位于所述纳米金属平截台体构成的
N
×
N
微间距阵列的中间
。
[0015]本专利技术解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：所述纳米金属平截台体为纳米级圆台构件，所述量子点的自由空间工作波长为
λ
，所述纳米金属平截台体平均半径为
r
，所述微间距阵列的阵列周期为
a
；所述量子点的工作波长
、
所述纳米金属平截台体平均半径和所述微间距阵列的阵列周期三者满足：
r<a
＜＜
λ
。
[0016]本专利技术解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：所述量子点设置于金属
—
介质立体空间体的
Z
方向的激发区内；
[0017]所述激发区的
Z
方向的上限位置用
z
up
表示，激发区的
Z
方向的下限位置用
z
low
表示；
[0018]所述
z
up
满足该处金属
—
介质立体空间体的介电常数垂直分量
ε
z
(z)
＝0；
[0019]所述
z
low
满足该处
k
z
＝
15k0，
k
z
是波矢在
Z
方向的分量，
k0＝
ω
/c
，
c
是自由空间的光速，
ω
是光波的角频率
。
[0020]本专利技术解决上述技术问题所采用的优选的技术方案为：所述纳米金属平截台体的材料为银
、<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件，其特征在于包括一个平面衬底
、
多个纳米金属平截台体和一个量子点；多个纳米金属平截台体阵列设置于所述平面衬底上，所述量子点位于所述纳米金属平截台体构成的微间距阵列的中间；围绕所述纳米金属平截台体周围的留白空间内具有光传播介质，纳米金属平截台体及留白空间形成金属
—
介质立体空间体；以平行于所述平面衬底的平面的方向为
X
‑
Y
水平方向，以垂直于所述平面衬底的方向为
Z
方向；所述金属
—
介质立体空间体的
X
‑
Y
水平方向横截面的金属填充率沿
Z
方向渐变且色散曲线从椭圆到双曲线变化
。2.
根据权利要求1所述的基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件，其特征在于纳米金属平截台体的数量为
N2个，
N
为偶数，
N2个纳米金属平截台体以
N
×
N
微间距阵列设置于所述平面衬底上，所述量子点位于所述纳米金属平截台体构成的
N
×
N
微间距阵列的中间
。3.
根据权利要求1所述的基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件，其特征在于所述纳米金属平截台体为纳米级圆台构件，所述量子点的自由空间工作波长为
λ
，所述纳米金属平截台体平均半径为
r
，所述微间距阵列的阵列周期为
a
；所述量子点的工作波长
、
所述纳米金属平截台体平均半径和所述微间距阵列的阵列周期三者满足：
r&lt;a
＜＜
λ
。4.
根据权利要求1所述的基于空间拓扑转换的芯片级单光子源器件，其特征在于所述量子点设置于金属
—
介质立体空间体的
Z
方向的激发区内；所述激发区的
Z
方向的上限位置用
z
up
表示，激发区的
Z
方向的下限位置用
z
low
表示；所述
z
up
满足该处金属
—
介质立体空间体的介电常数垂直分量
ε
z
(z)
＝0；所述
z
low
满足该处
k
z
＝
15k0，
k
z
是波矢在
Z
方向的分量，
k0＝
ω
/c
，
c
是自由空间的光速，
ω

【专利技术属性】
技术研发人员：秦子健，沈炼，王华萍，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：