CN113067238B - 一种产生单光子的谐振腔及单光子源*** - Google Patents
一种产生单光子的谐振腔及单光子源*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN113067238B CN113067238B CN202110295782.6A CN202110295782A CN113067238B CN 113067238 B CN113067238 B CN 113067238B CN 202110295782 A CN202110295782 A CN 202110295782A CN 113067238 B CN113067238 B CN 113067238B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- resonant cavity
- grating
- single photon
- reflecting layer
- excitation light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/0627—Construction or shape of active medium the resonator being monolithic, e.g. microlaser
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/08059—Constructional details of the reflector, e.g. shape
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种产生单光子的谐振腔,其包括:谐振腔体和衬底,所述谐振腔体包括上反射层、下反射层和设置在所述上反射层、下反射层中间的光栅层形成的三明治结构,所述上反射层、下反射层采用金属薄膜或类金属薄膜,所述光栅层设有光栅微结构以形成光学微腔,所述衬底设置于所述谐振腔体的底部,该衬底为截角倒锥形衬底,在所述衬底与下反射层接触的表面,设有用以提高反射效率的二维超结构;以及包括该谐振腔和激发光产生***的一种单光子源***,所述激发光产生***将其产生的激发光子发射至所述谐振腔内,所述激发光子在所述光栅微结构中经多次反射后从所述谐振腔射出。
Description
技术领域
本发明属于单光子源领域,具体涉及一种产生单光子的谐振腔及单光子源***。
背景技术
单光子源技术、量”子编码和传输技术、单光子检测技术作为量子通信中的三大核心技术。已经有大量研究证明量子通信在单光子源下是绝对安全的,并且具有很高的发生和吸收效率。
理想的单光子源可以作为量子通信和量子计算中的发光光源信号,是最优的光源解决方案,可用于量子力学的基础研究,量子计算,隐形态传送,量子网络,量子存储等实验,单光子光源指在光互连网络中,作为光信号产生的源头,其产生的光信号是单光子。由此可知,理想的单光子源作为量子通信的重要保障,对于其特性的研究在不仅科研界都有着愈来愈大的意义,在工业生活生产上都有着不可替代的作用。
现如今,利用量子点脉冲共振激发方法,可以得到高品质的单光子。然而,基于单色光的共振激发方法在提升光子品质的同时,激发光会带来本底噪声,一般需要高精度的极化滤波去除,因而导致50%的效率损失。这个效率损失使得操纵多个光子的成功率下降,光出射效率也是亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题,实现提高单光子出射效率和品质。
基于上述发明目的,本发明提出一种产生单光子的谐振腔,包括:谐振腔体和衬底,所述谐振腔体包括上反射层、下反射层和设置在所述上反射层、下反射层中间的光栅层形成的三明治结构,所述上反射层、下反射层采用金属薄膜或类金属薄膜,所述光栅层设有光栅微结构以形成光学微腔;
所述衬底设置于所述谐振腔体的底部,该衬底为截角倒锥形衬底,在所述衬底与下反射层接触的表面,设有用以提高反射效率的二维超结构。
作为优选,所述光栅层采用对单光子发射波段透明的介质薄膜,所述光栅微结构在所述介质薄膜上刻蚀而成。
作为优选,所述衬底为Si,SiO2,或Al2O3。
作为优选,对于紫外-可见波段,所述金属薄膜或类金属薄膜采用包括 Al、或Au、或Ag、或ZrN、或HfN材料;对于近红外波段,所述金属薄膜或类金属薄膜采用ITO,或采用掺Al或掺Ga的ZnO,或TiN材料;对于红外波段采用石墨烯材料。
基于上述发明目的,本发明还提出一种单光子源***,其特征在于,包括如上所述产生单光子的谐振腔和激发光产生***,所述激发光产生***用于产生激发光子,其设置于所述谐振腔的表面近场,所述激发光产生***包括一个4f光学***和二能级量子***,所述4f光学***用于产生两个锁相脉冲,通过所述两个锁相脉冲驱动所述二能级量子***,进行光谱滤波,以消除散射的激光,得到激发光;
所述激发光产生***将其产生的激发光子发射至所述谐振腔内,所述激发光子在所述光栅微结构中经多次反射后从所述谐振腔射出。
作为优选,所述二能级量子***包括一个单个InGaAs量子点,所述 InGaAs量子点嵌入直径为2.5μm的微柱腔内。
作为优选,所述4f光学***包括激光器、第一光栅、第二光栅、阻挡块和单模光纤,所述激光器发出激光脉冲被第一光栅衍射分成不同空间方向传递的双色脉冲,该双色脉冲经过放置在傅立叶平面中的阻挡块时被截获中心频率,剩余的双色脉冲旁波在所述第二光栅上重新组合,并收集到所述单模光纤中,得到锁相脉冲。
作为优选,所述两个锁相脉冲为两个相位差恒定的激光脉冲,其中一个为红失谐脉冲,另一个为蓝失谐脉冲。
作为优选,每个锁相脉冲会从两级谐振对称失谐,从而消除失谐带来的影响。
基于上述发明目的,本发明还提出一种如上所述的产生单光子的谐振腔制备方法,包括步骤如下:
S1、制备一截角倒锥形衬底;
S2、在所述衬底的上表面制作具有增加反射效率的超结构;
S3、在所述衬底上依次制作下反射层、光栅层和上反射层;
其中,所述光栅层为通过刻蚀工艺形成的具有周期性光栅结构的介质膜层,所述下反射层和上反射层为金属膜层或类金属膜层。
与现有技术相比,本发明的益处有:
通过本发明的激发光产生***,有效提高单光子纯度,得到高品质的单光子,再通过将其打入谐振腔内,利用谐振腔提供正反馈,结合光栅的定向耦合输出特性提高了该单光子出射效率以及光子产生速率和收集利用效率,得到高品质无背景色光、高亮度、定向出射的单光子源。
附图说明
图1为本发明的单光子源***的一种实施例示意图;
图2为本发明的激发光产生***中的4f光学***的一种实施例示意图;
图3为本发明的产生单光子的谐振腔制备方法示意图;
其中,10:激发光产生产生***,20:产生单光子的谐振腔,30:二维超结构,40:衬底,11:第一反射镜,12:第二反射镜,13:第三反射镜, 14:第四反射镜,15:第一光栅,16:第二光栅,17:第一透镜,18:第二透镜,19:阻挡块,21:上反射层,22:光栅层,23:下反射层。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述,但这些实施方式并不限制本发明,本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
根据图1所示,一种单光子源***,该***包括:产生单光子的谐振腔和激发光产生***;
该谐振腔20包括谐振腔体和衬底40,谐振腔体包括上反射层21、下反射层23和设置在上反射层21、下反射层23中间的光栅层22形成的三明治结构,上反射层21、下反射层23采用金属薄膜或类金属薄膜,光栅层22设有光栅微结构以形成光学微腔;
衬底40设置于谐振腔体的底部,该衬底40为截角倒锥形衬底,此形状设置增大了透光面积,可提高光出射效率,在衬底40与下反射层23接触的表面,设有用以提高反射效率的二维超结构30,二维超结构30可以是镀在衬底40上的高反射膜。
其中,光栅层22可以采用对单光子发射波段透明的介质薄膜,光栅微结构可以在此介质薄膜上刻蚀而成。对于紫外-可见波段,所述金属薄膜或类金属薄膜可以采用但不限于包括Al、或Au、或Ag、或ZrN、或HfN材料;对于近红外波段,所述金属薄膜或类金属薄膜可以采用但不限于ITO,或采用掺Al或掺Ga的ZnO,或TiN材料;对于红外波段可以采用但不限于石墨烯材料。
激发光产生***10包括一个4f光学***和二能级量子***,激发光产生***10用于产生激发光子,其设置于谐振腔20的表面近场,所述4f光学***用于产生两个锁相脉冲,通过所述两个锁相脉冲驱动所述二能级量子***,进行光谱滤波,以消除散射的激光,得到激发光;
激发光产生***10将其产生的激发光子发射至谐振腔20内,所述激发光子在光栅微结构中经多次反射后从谐振腔20射出。
如图2所示,4f光学***包括激光器L、第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜13、第四反射镜14、第一光栅15、第二光栅16、第一透镜17、第二透镜18、阻挡块19和单模光纤F,激光器L采用蓝宝石激光器,该蓝宝石激光器发出的宽度为3ps的皮秒脉冲至第一反射镜11反射到第一光栅 15,被第一光栅15衍射,即不同的频率分量被分到不同的空间方向,生成双色脉冲,分别为红失谐脉冲和蓝失谐脉冲,再经过第二反射镜12反射,经过第一透镜17后,由放置在傅立叶平面中的阻挡块19截获该双色脉冲的中心频率,此时剩余的红失谐脉冲旁波和蓝失谐脉冲旁波经过第二透镜18,被第三反射镜13反射到第二光栅16上重新组合,再由第四反射镜14传输至单模光纤F中进行收集,其中第一透镜17和第二透镜18焦距相同,且焦距=20cm;该4f光学***通过使用光栅在空间上扩展3ps激光脉冲的频率分量,在频谱上截取中心频率,再重新组合频谱分量,从而得到两个相位差恒定的锁相脉冲,分别为红失谐脉冲和蓝失谐脉冲,每个脉冲会从两级谐振对称失谐,从而抵消失谐,有效驱动二级量子***。
所述二级量子***包括一个InGaAs量子点和一个直径为2.5μm的微柱,该微柱包括一个微柱腔,将单个InGaAs量子点嵌入至微柱腔内,冷却至3.6K。该微柱腔具有的相对较低的品质因数,因此其空腔带宽可以容纳双色的光谱宽度脉冲。
通过所述4f光学***生成的双色脉冲激发二级量子***,可以对散射的激光脉冲进行光谱滤波,直接通过频率滤波将激光有效滤除,降低激光的本底噪声带来的效率损失,有效提高单光子纯度,得到高品质的单光子,再通过将其打入谐振腔20内,利用谐振腔20提供正反馈,控制腔内的振荡光束的特征,结合光栅的定向耦合输出特性提高了该单光子出射效率以及光子产生速率和收集利用效率,得到高品质无背景色光、高亮度、定向出射的单光子源。
如图3所示,一种根据上述的产生单光子的谐振腔制备方法,包括步骤如下:
S1、制备一截角倒锥形衬底40;
S2、在所述衬底40的上表面制作具有增加反射效率的超结构;
S3、在所述衬底40上依次制作下反射层、光栅层和上反射层;
其中,所述光栅层为通过刻蚀工艺形成的具有周期性光栅结构的介质膜层,所述下反射层和上反射层为金属膜层或类金属膜层。
在权利要求书中,词语“包括”不排除其他单元或步骤;词语“一”或“一个”并不排除多个。在权利要求书中,使用诸如“第一”“第二”等序数词来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素具有较另外一个权利要求元素的优先级、次序或者动作执行的时间顺序,而仅仅出于将一个权利要求的元素与另一个权利要求元素相区别的目的。尽管在互不相同的从属权利要求中分别记载了某些特定技术特征,但这并不意味着这些特定技术特征不能被组合利用。本发明的各个方面可单独、组合或者以未在前述实施例中具体讨论的各种安排来使用,从而并不将其应用限于前文所描述或附图中所示的组件的细节和排列。例如,可使用任何方式将一个实施例中描述的多个方面与其他实施例中描述的多个方面组合。
Claims (8)
1.一种单光子源***,其特征在于,包括一能够产生单光子的谐振腔和激发光产生***;
所述谐振腔包括谐振腔体和衬底,所述谐振腔体包括上反射层、下反射层和设置在所述上反射层、下反射层中间的光栅层形成的三明治结构,所述上反射层、下反射层采用金属薄膜或类金属薄膜,所述光栅层设有光栅微结构以形成光学微腔;
所述衬底设置于所述谐振腔体的底部,该衬底为截角倒锥形衬底,在所述衬底与下反射层接触的表面,设有用以提高反射效率的二维超结构;
所述激发光产生***用于产生激发光子,其设置于所述谐振腔的表面近场,所述激发光产生***包括一个4f光学***和二能级量子***,所述4f光学***用于产生两个锁相脉冲,通过所述两个锁相脉冲驱动所述二能级量子***,进行光谱滤波,以消除散射的激光,得到激发光;
所述激发光产生***将其产生的激发光子发射至所述谐振腔内,所述激发光子在所述光栅微结构中经多次反射后从所述谐振腔射出。
2.根据权利要求1所述的单光子源***,其特征在于,所述光栅层采用对单光子发射波段透明的介质薄膜,所述光栅微结构在所述介质薄膜上刻蚀而成。
3.根据权利要求1所述的单光子源***,其特征在于,所述衬底为Si,SiO2,或Al2O3。
4.根据权利要求1所述的单光子源***,其特征在于,对于紫外-可见波段,所述金属薄膜或类金属薄膜采用包括Al、或Au、或Ag、或ZrN、或HfN材料;对于近红外波段,所述金属薄膜或类金属薄膜采用ITO,或采用掺Al或掺Ga的ZnO,或TiN材料;对于红外波段采用石墨烯材料。
5.根据权利要求1所述的单光子源***,其特征在于,所述二能级量子***包括一个单个InGaAs量子点,所述InGaAs量子点嵌入直径为2.5μm的微柱腔内。
6.根据权利要求1所述的单光子源***,其特征在于,所述4f光学***包括激光器、第一光栅、第二光栅、阻挡块和单模光纤,所述激光器发出激光脉冲被第一光栅衍射分成不同空间方向传递的双色脉冲,该双色脉冲经过放置在傅立叶平面中的阻挡块时被截获中心频率,剩余的双色脉冲旁波在所述第二光栅上重新组合,并收集到所述单模光纤中,得到锁相脉冲。
7.根据权利要求6所述的单光子源***,其特征在于,所述两个锁相脉冲为两个相位差恒定的激光脉冲,其中一个为红失谐脉冲,另一个为蓝失谐脉冲。
8.根据权利要求7所述的单光子源***,其特征在于,每个锁相脉冲会从两级谐振对称失谐,从而消除失谐带来的影响。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110295782.6A CN113067238B (zh) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | 一种产生单光子的谐振腔及单光子源*** |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110295782.6A CN113067238B (zh) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | 一种产生单光子的谐振腔及单光子源*** |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113067238A CN113067238A (zh) | 2021-07-02 |
CN113067238B true CN113067238B (zh) | 2022-02-22 |
Family
ID=76562489
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110295782.6A Active CN113067238B (zh) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | 一种产生单光子的谐振腔及单光子源*** |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113067238B (zh) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1692295A (zh) * | 2002-06-27 | 2005-11-02 | 布朗大学研究基金会 | 用于检测多个光波长的方法和设备 |
CN107452844A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-12-08 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 双曲超材料复合光栅增强的高频量子点单光子源 |
CN112034661A (zh) * | 2020-09-09 | 2020-12-04 | 华南师范大学 | 一种波形可控的单光子产生装置及方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014099110A2 (en) * | 2012-10-09 | 2014-06-26 | Purdue Research Foundation | Titanium nitride based metamaterial |
-
2021
- 2021-03-19 CN CN202110295782.6A patent/CN113067238B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1692295A (zh) * | 2002-06-27 | 2005-11-02 | 布朗大学研究基金会 | 用于检测多个光波长的方法和设备 |
CN107452844A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-12-08 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 双曲超材料复合光栅增强的高频量子点单光子源 |
CN112034661A (zh) * | 2020-09-09 | 2020-12-04 | 华南师范大学 | 一种波形可控的单光子产生装置及方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113067238A (zh) | 2021-07-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI712182B (zh) | 共振光學腔發光裝置 | |
US10361250B2 (en) | Active optical device enabled by dielectric metamaterials | |
EP2484955A1 (en) | Optical element, light source device, and projection display device | |
CN107959224B (zh) | 一种基于金属腔的表面等离激元激光器 | |
CN107611775A (zh) | 一种半导体激光器及其制作方法 | |
CN108345054B (zh) | 一种滤波方法 | |
CN103579405A (zh) | 具有强吸收结构的高速snspd及其制备方法 | |
CN115173203B (zh) | 一种基于非对称超表面结构的全光可调等离激元纳米光学器件及其应用 | |
CN110289345A (zh) | 一种定向发射且可调控的极化激元发光器件及其制造方法 | |
CN108054634B (zh) | 一种窄线宽半导体激光器 | |
CN104040419B (zh) | 拉曼散射光增强设备、拉曼散射光增强设备的制造方法、和使用拉曼散射光增强设备的拉曼激光光源 | |
CN113067238B (zh) | 一种产生单光子的谐振腔及单光子源*** | |
CN1710763A (zh) | 光泵浦高功率垂直外腔面发射激光器 | |
CN111864537A (zh) | 一种靶眼光学共振腔 | |
CN108333679B (zh) | 面向蓝光可见光通信的硅基GaN系光子芯片及制备方法 | |
CN114265146B (zh) | 实现片上单光子源的微腔-波导耦合结构及其设计方法 | |
CN204290028U (zh) | 基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件 | |
CN212676604U (zh) | 一种靶眼光学共振腔 | |
CN109901253B (zh) | 一种表面等离子体滤波器 | |
CN1327580C (zh) | 微型单光子光源 | |
CN104810378A (zh) | 一种小尺寸像元量子阱红外焦平面光敏元芯片 | |
CN116316033B (zh) | 半导体可饱和吸收镜、其制备方法以及激光器 | |
RU2761318C1 (ru) | Излучающее видимый свет полупроводниковое лазерное устройство и способ его изготовления | |
CN101651286B (zh) | 具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器 | |
CN113066909B (zh) | 超材料增强发光效率的蓝光发光二极管及其制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |