高精度光学定位的宽带高效纳米线量子点量子光源研究

Quantum light sources such as single-photon and entangled-photons sources, which are different from classical thermal light sources and lasers, showing their promising applications in quantum information process. Recombination from one (exciton) or two (bi-exciton) electron-hole pairs in single semiconductor quantum dot (QD), can in principle generate, on-demand single-photon or entangled-photon pairs. However, the great challenge is to realize determined-interaction between QD and the nanostructure and to achieve high light extraction efficiencies of both exciton and bi-exciton lines of QD owning to their several nanometers separation. This project will study quantum light sources based on single quantum dot being integrated into nanowire devices. We will develop photoluminescence imaging technique to determine the position of single QDs. We will also try to achieve a tailored photonic nanowire with an integrated bottom mirror so that both exciton and bi-exciton lines of QD can reach high lihgt extraction efficiencies. All this above would provide high quality quantum dot quantum light sources by addressing the problems of optical positioning, light extraction efficiency and device bandwidth, which may open the way to scalable multi-photon entanglement and linear optical quantum computing.

单光子源和纠缠光子源是不同于经典热光源和激光的新型量子光源，在量子信息领域有着非常重要的应用。半导体单量子点中的一对及两对电子-空穴对的复合发光（单激子态及双激子态）是实现理想单光子及纠缠光子对的重要方法之一。然而，如何实现间隔为几个纳米的单双激子线与微纳结构的确定性耦合及高效收集是目前亟需解决的问题。本项目计划研制具有宽带宽的纳米线单量子点量子光源器件，首先利用超高精度荧光成像定位技术，实现单个量子点与纳米线波导的确定性耦合，并进一步制备带有反射层的锥形纳米线结构，实现量子点的单激子线及双激子线的荧光高效提取。本项目旨在解决量子点空间定位、荧光提取效率和微纳结构带宽等问题，实现高品质的量子点量子光源器件，为可升级的多光子纠缠和线性光学量子计算奠定重要的基础。

单光子源和纠缠光子源是不同于经典热光源和激光的新型量子光源，在量子信息领域有着非常重要的应用。半导体量子点中的一对及两对电子-空穴对的复合发光（单激子态及双激子态）是实现理想单光子及纠缠光子对的重要方法之一。然而，如何实现间隔为几个纳米的单双激子线与微纳结构的确定性耦合及高效收集是目前亟需解决的问题。本项目对基于宽带微纳天线的高品质量子光源进行了研究，主要的研究工作包括：1）设计了倒锥形纳米线与分布式布拉格反射镜（DBR）相结合的结构，将量子点置于腔的有效中心，实现了Purcell因子达28的光子增强，3.1 nm的结构带宽，>75%的光子提取效率（NA=1）。进一步打破圆锥的对称性，引入椭圆锥形结构，实现确定性偏振态的单光子的产生（偏振度大于95%，Pucell因子达55，提取效率>75%（NA=1））；2）在理论上设计了量子点与曲线型（抛物线型或半圆型）金属反射镜耦合的结构，可实现高的Purcell效应，同时还具备较高的收集效率和带宽。3）获得了高质量的、高刻蚀选择比的倒锥形纳米线。通过优化电子束胶的曝光和热回流和刻蚀工艺，获得了表面光滑的完美的微透镜结构。此外，通过引入物理研磨减薄衬底的技术，优化了GaAs薄膜的转移工艺，相对于纯化学腐蚀的方式，大大提高了薄膜转移的效率和成功率。引入蓝宝石作为薄膜转移的衬底，提高了薄膜样品在后续加工中对于温度敏感的工艺的可移植性。4）基于以上的理论设计及样品加工，结合高精度的量子点荧光定位技术（定位拟合精度达20nm），实现了量子点与微透镜结合金属反射镜的确定性耦合，初步验证了其在收集效率上可以实现13倍的增强。本项目不仅可以解决量子点空间定位、荧光提取效率和微纳结构带宽等问题，而且为实现高品质的高效量子点量子光源器件，可升级的多光子纠缠和线性光学量子计算奠定重要的基础。