基于双高Q值模式微腔的共振激发方法与流程

基于双高q值模式微腔的共振激发方法
技术领域
1.本发明属于光电子器件技术领域，具体涉及一种基于双高q值模式微腔的共振激发方法。


背景技术：

2.多年来，理想的单光子源一直人们追求的目标。量子点系统由于独特的物理特性，可以很好地满足一次激发仅激发出一个光子的要求。然而，由于量子点并非是一个理想的二能级系统，光子的全同性很难保证。共振激发作为一种产生激子的手段，可以免去不必要的驰豫时间，保证激射出光子的全同性。但这也带来了一定的问题，由于共振激发时的泵浦光与激射出的单光子具有相同的波长，如何有效地过滤激发光成为了需要解决的问题。到目前为止，最有效的方法是偏振滤波。用线性偏振的泵浦激光激发量子点，单光子的收集端用正交偏振器消除激发光。然而，单激子的量子点在双简并跃迁中，光学选择规则规定共振荧光光子随机地右旋或左旋圆偏振。在滤去泵浦光的同时也滤去了具有相同共振特性的单光子，将量子点单光子源的系统效率降低了至少两倍。一种可能的解决方法是从侧面激发量子点进入微柱的波导模式，并从顶部收集单个光子。然而，空间正交激励收集方法仅在低purcell效应和非偏振量子点设备中尝试了这种方法，没有实现无背景光的高性能单光子源。
3.潘建伟等人最近通过相干地激发确定性耦合到偏振选择性purcell椭圆微腔的量子点，解决了共振激发中50％的效率损失[wang h,he y,chung t h,et al.towards optimal single-photon sources from polarized microcavities[j].nature photonics,2019,13(11):770-775.]。非对称椭圆微柱腔存在两个正交偏振的微腔模式，分别为沿椭圆长轴方向偏振的模式与沿椭圆短轴方向偏振的模式，在此将两种正交偏振的模式命名为v模式和h模式。量子点可以与某一偏振模式耦合，偏振选择性的激发出这一偏振状态的单光子。具体来说，用v偏振的共振激发光激发与h模式耦合的量子点，通过偏振选择的purcell效应，促使量子点大概率激发h偏振的单光子，最后用偏振片过滤v偏振的激发光，实现一定的不可分辨性和发射效率。然而存在一个问题，一般情况下，微腔的h模式与v模式并不在同一波长，如何让与h模式的模式波长相同的v偏振的激发光耦合进微腔？这时需要微腔的两个偏振模式存在合理的交叠。这个合理的交叠既要保证与h模式波长相同的v方向偏振的共振激发光失谐地耦合进入微腔中，为量子点提供能量产生激子；也要克制交叠的程度，保证偏振选择purcell效应的纯度，避免v模式对h模式过多的干扰。这里需要强调的是，在微腔尺寸相对较大时，v和h模式的品质因子是相似的。在微腔品质因子较低时，两个模式的线宽较宽，较为容易控制微腔的椭圆率调整两个偏振腔模的距离，交叠的控制是相对容易的。当微腔品质因子较高时，由于腔模线宽的收窄，合理的交叠便很难控制，需要精确的控制微腔的非对称特性。因此微腔品质因子受到了制约进而影响purcell系数的提升。这就造成了一种矛盾，限制了量子点自发辐射速率的进一步提升，也限制了这种共振激发方式在强耦合系统中的应用。


技术实现要素：

[0004]
(一)要解决的技术问题
[0005]
本发明要解决的技术问题是：为消除现有单光子源共振激发中的部分矛盾，提出一种改进的共振激发方法。
[0006]
(二)技术方案
[0007]
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于双高q值模式微腔的共振激发方法，包括以下步骤：在包含有量子点的谐振腔禁带中构建两个品质因子为预设q值的模式，通过适当地改变谐振腔的对称性，令微腔模式产生分裂，使从短波段基本模式分裂出的h模式和从长波段基本模式分裂出的v模式产生交叠，将量子点耦合到非对称的谐振腔中，用v偏振的共振激发光激发与h模式耦合的量子点，通过偏振选择的purcell效应，促使量子点大概率激发h偏振的单光子，最后用偏振片过滤v偏振的激发光，实现一定的不可分辨性和发射效率。
[0008]
优选地，谐振腔对称性的改变是通过改变谐振腔xy截面的对称性，将微腔模式分裂成两个正交偏振的模式实现的。
[0009]
优选地，改变谐振腔对称性时将圆形的xy截面改变为椭圆。
[0010]
优选地，两个预设q值模式的构建是通过在微柱腔中引入厚度渐变层，影响微腔模式的构成，促使其产生了两个品质因子高于预设值的模式。
[0011]
优选地，h模式与v模式依次为沿xy椭圆截面的长轴偏振的微腔模式与沿xy椭圆截面的短轴偏振的微腔模式。
[0012]
优选地，两个偏振模式的交叠能够为v偏振的共振激发光耦合进谐振腔提供窗口。
[0013]
优选地，所述共振激发方法是基于偏振选择的purcell效应实现，purcell因子代表谐振腔对量子点自发辐射速率的影响，其公式如下：
[0014][0015]
其中，q是微腔的品质因子，v是微腔的模式体积，n、λc、ωc、ω、δω依次是有效折射率、谐振腔的谐振波长、谐振腔的谐振频率、激子跃迁的中心频率及其半峰全宽。
[0016]
本发明还提供了一种所述方法在柱型谐振腔单光子源中的应用。
[0017]
本发明还提供了一种所述方法在强耦合场景中的应用。
[0018]
本发明还提供了一种所述方法在量子信息处理技术领域中的应用。
[0019]
(三)有益效果
[0020]
1、本发明所述共振激发方法能够应用于强耦合场景下，在量子信息处理等领域有极其重要的应用价值。
[0021]
2、本发明所述共振激发方法由于降低了为共振激发光提供窗口的偏振模式的品质因子，展宽了其光谱线宽，降低了产生交叠的难度，提升了谐振腔制造的宽容度。
[0022]
3、本发明所述共振激发方法可通过精细地调节，使两个模式的模式波长完全重叠，利用两个模式品质因子差产生固定偏振的单光子。在弱耦合体系下，用这种改进的方法可以使量子点与purcell因子更高的微腔模式耦合，解除了purcell因子的限制，实现光源更高强度的激发。
[0023]
4、本发明所述共振激发方法得益于微腔较高的品质因子，甚至可以实现强耦合体
系下的高效率共振激发。
[0024]
5、本发明所述共振激发方法适用于所有具有两个基本模式且偏振简并的量子点-谐振腔单光子源。
附图说明
[0025]
图1为本发明所述微柱谐振腔单光子源剖面及截面示意图；
[0026]
图2为本发明实施例1的共振激发方法应用在柱型谐振腔单光子源，不同椭圆因子下的光学带隙及与之对应的模式光谱图；
[0027]
图3为本发明实施例2的共振激发方法应用在柱型谐振腔单光子源，两个偏振模式相同时谐振腔模式分布图。
具体实施方式
[0028]
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0029]
本发明的目的在于消除现有单光子源共振激发中的部分矛盾，提出了一种改进的基于双高q值模式微腔的共振激发方法：在包含有量子点的谐振腔禁带中构建两个品质因子(q值)较高的模式，通过适当地改变谐振腔的对称性，令微腔模式产生分裂，使从短波段基本模式分裂出的h模式和从长波段基本模式分裂出的v模式产生交叠(overlap)。将量子点耦合到非对称的谐振腔中，用v偏振的共振激发光激发与h模式耦合的量子点，通过偏振选择的purcell效应，促使量子点大概率激发h偏振的单光子，最后用偏振片过滤v偏振的激发光，实现近乎完美的不可分辨性和发射效率。
[0030]
由于两个偏振模式分裂于不同的基本模式，品质因子并无关联，因而大幅降低了为共振激发光提供窗口的偏振模式的品质因子，展宽了其光谱线宽，降低了产生交叠的难度。甚至通过精细的调节，使两个模式的模式波长完全重叠，利用两个模式品质因子差产生偏振的单光子。同时，与量子点耦合的偏振模式的品质因子不再受限，使得此共振方法能够应用于强耦合场景。
[0031]
上述方法中，所述的谐振腔对称性的改变(破坏)是通过改变谐振腔xy截面的对称性，将微腔模式分裂成两个正交偏振的模式实现的，例如将圆形的xy截面改变为椭圆[gayral b,gerard j m,legrand b,et al.optical study of gaas/alas pillar microcavities with elliptical cross section[j].applied physics letters,1998,72(12):1421-1423.]。
[0032]
上述方法中，所述的两个高q值模式的构建是通过在微柱腔中引入厚度渐变层，影响微腔模式的构成，促使其产生了两个品质因子较高的模式。
[0033]
上述方法中，所述的h模式与v模式依次为沿xy椭圆截面的长轴偏振的微腔模式与沿xy椭圆截面的短轴偏振的微腔模式。
[0034]
上述方法中，所述的两个偏振模式的交叠的目的是为v偏振的共振激发光耦合进谐振腔提供窗口。由于量子点埋在整个谐振腔的中间层，若无相应的谐振腔模式提供窗口，激发光很难耦合进谐振腔，有效激发量子点。
[0035]
上述方法中，所述的共振激发方法是基于偏振选择的purcell效应[moreau e,
robert i,gerard j,et al.single-mode solid-state single photon source based on isolated quantum dots in pillar microcavities[j].applied physics letters,2001,79(18):2865-2867.]，对此前提出的共振激发方法的改进[wang h,he y,chung t h,et al.towards optimal single-photon sources from polarized microcavities[j].nature photonics,2019,13(11):770-775.]，将量子点耦合到非对称的几何双折射腔体中，用v偏振的共振激发光激发与h模式耦合的量子点，通过偏振选择的purcell效应，促使量子点大概率激发h偏振的单光子，最后用偏振片过滤v偏振的激发光，实现近乎完美的不可分辨性和发射效率。purcell因子代表着谐振腔对量子点自发辐射速率的影响，其公式如下：
[0036]
其中q是微腔的品质因子，v是微腔的模式体积，n、λc、ωc、ω、δω依次是有效折射率、谐振腔的谐振波长(微腔模式波长)、谐振腔的谐振频率、激子跃迁的中心频率及其半峰全宽。
[0037]
假设带电量子点与h模式共振耦合，与v模式失谐耦合，则两个模式的purcell因子均与p相关，其中，p是量子点与谐振腔的空间交叠。因此量子点的发射h和v偏振光的自发辐射速率比值可以评估发射光子的偏振特性。
[0038]
以下通过实施例并结合附图对本发明所述共振激发方法作进一步说明。
[0039]
实施例1
[0040]
本实施例应用在含有inas/inp量子点的具有椭圆截面的ingaasp/(inp-缝隙)微柱谐振腔单光子源，具体结构如图1所示。
[0041]
本共振激发方法可应用于含有inas/inp量子点的具有椭圆截面的ingaasp/(inp-缝隙)微柱谐振腔单光子源，此单光子源中的谐振腔结构如图1所示，包括inp衬底、inp中心层、inas/inp量子点光子发射源、ingaasp层和(inp-缝隙)层构成的厚度不变的常规dbr以及厚度渐变的dbr。其中ingaasp层的长轴长度为d/α(α≤1)，短轴长度为dα；inp层的长轴长度为d/β(β≤1)，短轴长度为dβ，且ingaasp和inp的长轴和短轴分别位于同一条直线上。一般的，我们令α＝β，且将e＝α-1-1定义为椭圆因子。常规dbr中的inp层厚度为t1＝λb/4，式中λb为布拉格波长，其值在1.55μm附近；ingaasp层厚度为t2＝λb/(4n2)，式中n2为ingaasp的折射率。厚度渐变的dbr中的inp-缝隙层和ingaasp层的厚度变化分别按t
1i
＝t1[1-ρ(2i-1)]和t
2i
＝t2(1-2ρi)向谐振腔中心线性减小，式中i为渐变dbr的层号，ρ为渐变速率，亦即每层厚度减小的比例。inp中心层的厚度为t0＝t1(1-2ρn)，式中n为单侧渐变dbr的对层数量(上部和下部的渐变dbr数目相同)。常规dbr顶部和底部的ingaasp/(inp-缝隙)分别为4对和6.5对，单侧渐变dbr为n＝3，微柱谐振腔高度为～7μm。
[0042]
当微腔的对称性未被打破时，通过合理的参数调节，微腔可以同时存在两种基本模式，为了区分重新记为mode a和mode o。如图2的频谱所示，当微腔变为椭圆形时，这些模式会分为四个模式。在此，我们将这些基本模式重新标记为h模式下的mode a和o，以及v模式下的mode a和o，以下分别称为mode ov，oh和mode av，ah。通过合理调节ingaasp的有效半径d与inp的有效半径d，将mode ah固定在1.55μm波段，同时优化q因子，将其维持在较高的水平。在图2中可以看出，在不同e值下，modeah维持在1.55μm波段，且线宽很窄。随着e的增加，模式分裂加剧，导致modeov蓝移并逐渐靠近modeah。在e＝0.2时，蓝移到了1.55μm波段附
近，进而产生交叠。由于mode ov分裂于另一个基模，q因子不会与modeah关联，因此其q因子较低，拥有较宽的光谱线宽。即不论modea线宽多窄，都可以控制椭圆因子使分裂于另一个基模的modeov与之产生合适的重叠。
[0043]
实施例2
[0044]
本实施例采用实施例1所述微柱谐振腔结构。
[0045]
在e＝0.20，d＝0.9μm，d＝0.222μm时，mode ov和ah的模式波长都在1.55μm左右，模式分布示例图3所示。此时h模的q因子高达1.38
×
105，q/√v约为4.58
×
105。mode om的品质因子为732.8，q/√v约为603。理论表明[song h,takemoto k,miyazawa t,et al.high quality-factor si/sio 2-inp hybrid micropillar cavities with submicrometer diameter for 1.55-μm telecommunication band[j].optics express,2015,23(12):16264-16272]，q/√v》104足以使量子点与微腔模式强耦合。因此具有高q因子(q～105，v《1(λ/n)3)的ah模式能够在1.55μm波段实现高效率的相干控制。同时，两个模式巨大的品质因子差异使得模式ov可以在为量子点提供能量的同时几乎不会干扰到量子点与h模的耦合。
[0046]
purcell因子公式为：
[0047][0048]
由于两个偏振模式都在1.55μm左右，通过温度等手段调节量子点，使其与两个模式耦合，此时两个模式的purcell因子的失谐项，即，反映单光子源偏振特性的两个模式f
p
的比值，即约为188，偏振单光子的纯度可换算约为99.47％。
[0049]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。