基于等离激元波导和量子点的集成单光子源研究

Single photon source is one of the most important elements of quantum information science. At present, a frontier issue for integrated quantum photonics is how to integrate single photon source with high emission rate, high collection and directional controlled into on-chip system. On the other hand, due to diffraction limit broke mode area and ultrahigh field enhancement, the plasmonic waveguides have been considered to be the best candidate to construct integrated photonic circuits. In this project, we propose two kinds of plasmonic waveguide integrated single photon source with gap plasmon polariton micro-nano structures and photonic crystal micro-cavities. Simulation research on the interaction mechanisms between plasmonic waveguides, the micro-nano structures and quantum dot single photon sources. Enhance the Purcell factor of quantum dot. Increase the collection efficiencies of plasmonic waveguides to quantum dot. Research on the mode directional excitation characters of plasmonic waveguides. Fabricate the plasmonic waveguide and quantum dots based integrated single photon sources using top-down micro-nano fabrication methods and characterization. Detect the Purcell enhance factor of quantum dots, collection efficiencies and extinction ratios of plasmonic waveguides, etc. Realize integrated single photon sources with high emission rate, high collection efficiencies and directional controlled.

单光子源是量子信息科学中最重要的基本单元之一。如何在片上系统中集成高速率、高收集效率、方向可控的单光子源，是目前集成量子光子学研究中的前沿问题。另一方面，由于具有突破衍射极限的模式面积和超高的场增强效应，等离激元波导被认为是集成光子回路最有潜力的载体之一。在本项目中，我们提出具有间隙等离激元微纳结构和光子晶体微腔的两类等离激元波导集成量子点单光子源，仿真研究等离激元波导及其微纳结构中等离激元共振与量子点的相互作用机理，增强量子点的Purcell因子，提高等离激元波导对量子点的收集效率，研究等离激元波导中模式的定向激发特性。利用自上而下的微纳加工方法制备基于等离激元波导和量子点的集成单光子源结构，表征其微纳结构并优化制备工艺，探测量子点发光的Purcell增强因子、等离激元波导的收集效率和消光比等，实现高速率、高收集效率和方向可控的集成单光子源。

单光子源在量子信息、量子计算、高精密测量和微纳光子学等领域有着重要的应用前景，但它在自由空间中的自发辐射速率和收集效率通常较低，限制了它的实际应用。在本项目中，我们提出了两种基于等离激元波导和量子点的集成单光子源结构，研究了单光子源的高速率激发和高效率、方向可控收集。提出并仿真研究了一种基于间隙表面等离激元和介质承载表面等离激元波导的单光子源器件结构，结构中产生的间隙表面等离激元能够极大地提高单光子源的自发辐射速率，介质承载表面等离激元波导能有效的收集单光子源发射出的光子。该器件结构在光波长为680nm时的最高Purcell因子为3320，在波导横截面积只有240×240nm^2时，单光子源到波导的耦合效率最高可达41.45%；通过调整单光子源的位置，还实现了波导中表面等离激元的非对称激发，沿波导两个相反方向的光功率比可达1:16。设计并仿真研究了基于等离激元波导和一维光子晶体微腔的片上集成单光子源器件结构，器件结构中等离激元波导的场增强和场局域效应以及一维光子晶体微腔的高品质因子使得该单光子源器件同时具有小截面、高收集效率和高Purcell因子。提出的集成单光子源结构在1509nm波长具有最大Purcell因子为133.2，结构最大收集效率为80.7%。通过调整光子晶体微腔两侧结构的周期数，还实现了等离激元波导中模式的可调定向激发，最大消光比为1:27。此外，本项目还研究了仿生光学PUF和基于光学PUF的随机数生成器。其中，PUF是一种“不可克隆”物理实体，具有唯一性、不可预测性和防篡改等特性，可应用于保密通信、身份安全认证等领域。我们提出了一种基于仿生学概念的光学PUF，具有结构简单、低成本、制造过程绿色环保等特点，并展示了该仿生光学PUF在身份认证和信息加密中的应用。提出了基于光学PUF的快速随机数生成方案，该方案的随机数生成速率达到0.96G/s，产生的随机数通过了NIST等随机数测试验证。