III-V族半导体微腔中激子极化激元的模式剪裁与反聚束效应研究

Semiconductor microcavity is one of key device manipulating photons in micro/nano-photonics, and photon anti-bunching is the theoretical basis of single photon source in quantum communication, so it is of great value to study the single photon source based on semiconductor microcavities. The present project aims at theoretically studying the mode tailoring and anti-bunching effects of exciton polaritons in semiconductor microcavities. Main contents of the present project are as follows. Micro/nano-structures, such as periodical or defected lattices, are used to tailor the optical modes of microcavities and the corresponding exciton polariton modes. By the mode tailoring, we study how to enhance the nonlinear interaction and quantum interference effects between exciton polaritons, and how to improve the anti-bunching behavior of exciton polaritons. Combining the response of exciton polaritons on the applied fields, we plan to study the physical relations of the exciton-polariton anti-bunching behavior with the mode tailoring and applied fields. In calculation, multi-mode coupled transfer matrix and finite element simulation will be used to study the tailoring effects of the different micro/nano-structures on the microcavity optical modes and exciton polariton modes. Quantum main equations and correlation functions will be used to study the quantum coherence and anti-bunching behavior of exciton polaritons, and to determine the anti-bunching condition. The excitons in III-V nitride semiconductors have large binding energies (for example, the exciton binding energy of GaN quantum wells is about 40 meV), therefore, by the present project it is very likely to achieve a semiconductor-microcavity single-photon source working at the room temperature.

半导体微腔是微纳光学中操纵光子的核心器件之一，而光子反聚束是量子通信器件单光子源的理论基础，所以研究基于半导体微腔的单光子源具有重要应用价值。本项目拟从理论上研究半导体微腔中激子极化激元的模式剪裁与反聚束效应，主要内容如下：拟利用周期和缺陷光栅等微纳结构，剪裁微腔光学模式，进而剪裁激子极化激元模式；通过模式剪裁增强激子极化激元非线性相互作用和量子干涉效应，从而提高其反聚束性能；拟结合激子极化激元的外场响应，研究其反聚束行为与模式剪裁和外场的物理关系。方法上，拟采用多模耦合转移矩阵理论和有限元模拟，研究不同微纳结构对微腔光学模式和激子极化激元模式的剪裁性能；拟采用量子主方程和关联函数，研究激子极化激元的量子相干性和反聚束效应，并确定反聚束条件。鉴于Ⅲ-Ⅴ族氮化物量子材料具有较大激子束缚能（如GaN量子阱约为40 meV），所以预计本项目能够实现工作在室温的半导体微腔单光子源。

本项目主要研究半导体微腔中元激发受结构剪裁而产生的物理效应，拓展了此类结构中的光物相互作用研究内容，对相关具体光学器件的设计与制造有一定的指导意义。现简述本项目主要研究结果：..1. 表面介电光栅对分布式布拉格反射镜透射谱对影响.a) 表面介电光栅对TE波和TM波都可以诱导出梳状透射谱，并且梳状透射谱具有较小的平均半高宽；.b) 透射梳位置随光栅周期增加而向长波长方向移动；.c) 透射梳随布拉格反射镜包含的周期数增加而增密，即透射梳峰的数密度随布 拉格反射镜的元胞数的增加而增大。但是，透射梳的透射峰的平均半高宽与平均峰间距之比几乎保持不变；.d)透射梳对布拉格反射镜的每一层高度保持较大的鲁棒性：即使布拉格反射镜的每一层有15%的厚度误差，透射梳仍然几乎保持不变。..2. 激子极化激元的Bloch效应对其空间传输波束扩散效应的抑制.a) 理论计算了半导体微腔光学势垒随微腔厚度的变化，计算结果显示光学势垒与厚度成线性关系且比例系数约为1.8meV/nm。.b) 周期光学势与线性势可以实现激子计划激元的Bloch振荡，并且无论在弱激发还是强激发情况下均可以产生对入射激子极化激元波束展宽产生抑制作用。这对于设计基于激子极化激元电路或器件具有指导作用。..3. 一维光波导与侧边微腔间的非\delta耦合效应.a)理论证明了一维光波导与侧边腔的耦合系统中，单光子的透射行为受微腔与波导间的耦合有强烈依赖关系。.b) 单光子透射谱会随耦合的奇偶性而发生红移和蓝移。.c)数值模拟了该理论结果，且与理论分析一致。这指出研究相关系统，微腔与波导的耦合形式需要仔细对待，特别是在实际体系中。..4. 准二维弯曲波导的空间曲率效应.a) 利用变换光学理论和张量运算，获得一个简洁的可以描述准二维弯曲波导曲率效应的二维标量方程，其相对于三维的Maxwell矢量运动方程具有极大减少计算量的优势。.b) 基于标量方程，设计了基于准二维弯曲波导的光学聚焦棱镜和光子晶体结构，表明该结构具有实际应用前景，也说明设计准二维曲率光学器件具有可行性。