基于光子晶体和量子点的片上单光子源研究

Basing on the research of the single photon source, supporting by the measurement system of single photon source (HBT) and the micro-fabrication system, we will mainly study the single photon source based on the luminescence from single quantum dots and its coupling and integration to nano-waveguide, and research a single photon source on chip. The research work including the following: design the theory model of single photon source describing by the antibuching effect to the emitting and detection of single quantum dots；study of the positioning of single colloidal quantum dots, to locate a single quantum dot to the center of photonic crystal cavity and waveguide by using the observation from atomic force microscopy and the marking method of electron-beam lithography, and fabrication of the integration device of single quantum dots and nano-waveguide. Focusing the investigation on the coupling between the single photon source and photonic crystal waveguide, the interference of the single photon light in nano-waveguide device, the transport and the detection of the single photon through the photonic crystal waveguide. Moreover, combining with the photonic crystal or some other nano-structure with single quantum dots, the blinking from single quantum dots will also be investigated, to explore the physical mechanism of the blinking of single colloidal quantum dots, and to find the key technology to overcome the blinking phenomenon of single colloidal quantum dots. The goal is to realize an on-chip single photon source at room temperature based on single quantum dots and nano-waveguide with high efficiency without blinking.

本项目将在已经取得的单光子源研究基础上和已经搭建的单光子测试条件下，在半导体所微加工设备支撑下，着重研究单量子点单光子源与介质微纳波导的耦合集成，研究片上单光子源。基于光子晶体微腔、波导与单量子点构筑单光子态的产生、传播与探测的理论模型；研究单个胶体量子点定位方法，利用原子力显微镜观察结合电子束曝光标志对准方法将单个量子点嵌入到光子晶体微腔和波导内，研制单个量子点与介质微腔和波导集成结构；着重研究单光子源与光子晶体微腔、波导的耦合，研究单光子源在光子晶体波导中的传输和探测，以及单光子在微纳波导中的干涉现象；研究在光子晶体等光子微结构单个量子点荧光闪耀现象(blinking)，探索单个胶体量子点产生闪耀现象的物理机理，研究克服单个胶体量子点荧光闪耀现象的关键技术。我们的目标是实现室温下、无闪耀的、单量子点发光与微纳波导高效耦合的片上集成单光子源。

该项目按照项目计划任务书要求开展研究工作，主要包括：研制了光子晶体波导和微腔，采用光子晶体和光栅调控量子点发光特性。利用聚合物和半导体材料，采用半导体工艺如光刻曝光、全息曝光和电子束曝光及干法刻蚀工艺制作了多种微纳波导、微环、光栅、光子晶体等不同的微纳结构。采用有限元方法和FDTD方法模拟微纳结构，测试了光子晶体波导等透射光谱及引入量子点后的发光谱。我们改变多个结构参数，变化不同激发和收集角度条件，利用不同中心波长的量子点，由高浓度量子点到低浓度量子点表征量子点发光特性，获得了高浓度和单个量子点在光子晶体和光栅上的发光光谱辟裂和光强增强效果.研究了单个胶体量子点发光的单光子源特性，研究了单量子点发光特性随材料和激发条件的变化规律。我们测试了不同光照时长条件下的800nm单量子点的荧光寿命、荧光闪烁和反聚束效应，得到了二阶自相关函数在时间延迟零点≈0.005的结果，证明了波长为800nm的单量子点是纯净的、高质量的单光子源。研究了单量子点在光子晶体波导、微腔、普通微纳波导表面和波导夹心层的发光特性及单光子沿波导的传输特性。采用的波导有SOI光子晶体波导覆盖机材料、SiN光子晶体波导、普通SiN波导、SU8波导等，测试到波导上650nm和800 nm两种波长量子点单光子发射，研究了单量子点发光经微纳波导传输过程并测得由波导端口耦合输出光谱，实现了单量子点发光在微纳波导上的耦合传输。.对于荧光闪烁（blinking）的研究探索工作，研究了单量子点发光的blinking现象在多种不同材料表面上的变化规律，探究了单量子点荧光blinking现象的抑制方法。我们测试了Si、SOI、盖玻片(SiO2)、SiO2薄膜、SiN、ITO、Ti/Au合金、蓝宝石、PVA膜等多种材料表面上单量子点的荧光衰减和荧光blinking现象，分析了不同材料表面blinking的暗态占比变化，结合荧光寿命分析了影响量子点荧光blinking现象产生机制，发现了暗态的占比较小的衬底材料。.这些研究工作完成了项目计划研究内容和任务，实现了项目预定目标。