基于单量子点与微腔精确耦合的硅基单光子光源器件

Si-based optoelectronics is a powerful platform with advantages of large volume, mature process technology, low-cost, and high-density integration. Various Si-based photonic devices have been utilized in the fields of quantum optics and solid-state quantum information processing. However, it is very difficult to realize Si light source due to its indirect bandgap. This project focuses on silicon-based single photon source. Single photon emmission will be based on ‘atom-like’ single Ge quantum dots. And the ‘atom-like’ single Ge quantum dot will be precisely embedded into an optical microcavity for enhancement of photon emitting rate and extraction efficiency. The mechanism of silicon-based ‘atom-like’ structure, method of fabrication, and controllable coupling between quantum dot and optical microcavity will be investigated. The physical model and scalable fabrication process will be developed for Si-based ‘atom-like’ light-emitting center, then observation of ‘anti-bunching’ for emitted single photons will be achieved. Finnally, Si-based single-photon-emitting devices will be carried out. The expected results will build a basis for the low-cost large-volume integration on Si platform for quantum information processing in the future, and contribute to the development of solid-state devices for quantum information processing in China.

硅基光电子平台具有大规模、工艺成熟、低成本、集成化的优势，硅基光子器件逐渐在量子光学、固态量子信息处理等领域获得越来越多的应用。然而，硅材料的间接带隙使得研制硅基光源变得很困难。本项目以研制硅基单光子光源为目标，提出基于具有“类原子”发光特性的小尺寸硅基锗量子点实现单光子出射，并将其精确的嵌入光学微腔中实现与微腔的精确耦合，从而提升单光子出射速率，提取效率等特性。项目将围绕“类原子”发光的物理机理、实现方法、量子点与微腔精确耦合等方面开展研究，建立硅基“类原子”发光结构的物理模型，突破硅基“类原子”锗量子点的可控制备难题, 实现硅基“类原子”发光，观察到单光子出射的“反聚束”效应。最终研制出硅基单光子光源器件。为将来基于低成本、大规模硅基平台的固态量子芯片的研制打下基础，为我国固态量子信息器件的发展等领域的发展贡献力量。

本项目的目标是研究和制备基于单量子点与微腔精确耦合的硅基单光子光源器件。课题围绕硅基单量子点的生长以及与微腔精确耦合器件的制备和测试开展了一系列的工作，取得了阶段性进展，较好的完成了预定计划。.在课题的支持下，课题组取得一系列进展，主要进展概述如下：.1）采用腔量子电动力学方法研究了量子点周围的电磁环境对于量子点自发辐射速率的增强。研究了Purcell因子与微腔模式体积以及模式品质因子的关系。.2）结合理论分析以及数值仿真的方法，研究了光子晶体线缺陷腔中单量子点的Purcell因子与微腔谐振模式模场分布的对应关系。.3）在周期从0.5 μm到15 μm不等的图形化衬底上成功外延生长了Ge单量子点。利用我们独立开发的二氧化铪套刻标记，在电子束曝光系统中使用三级套刻标记对准，实现了Ge单量子点与光子晶体微腔的精确可控耦合。.4）使用微纳加工工艺将SOI衬底进行图形化，制备成空心的纳米柱，再进入MBE进行外延生长，在纳米柱的顶部中心能够得到半径小于20nm的Ge单量子点。.5）成功制备出品质因子高达13.7万的光子晶体L3型微腔。设计并制备了多种谐振型介质超表面器件，其理论上的品质因子可以达到无穷大，且等效模式体积仅为亚波长量级。将这些新型结构与Ge量子点结合，最高实现超过1000倍的发光增强，为国际首例。同时我们还将硅基介质超表面用于增强硅的碳缺陷发光，得到了极窄的发光峰以及超过40倍的发光增强，观察到“类原子”发光特性。.6）搭建了HBT实验装置，用于分辨聚束光、泊松光和反聚束光这几种光子态。利用该系统对实验制备的最强Ge单量子点发光峰进行测试，结果的确表明该量子点的发出的光是相干态光，可能的原因是Ge量子点的三维尺寸不够小。如果能进一步得到尺寸更小、结晶质量更高的Ge单量子点，相信一定能够实现单光子出射。.7）课题在Nature Communications，ACS Photonics，Nanoscale，Optics Express等杂志上发表SCI论文13篇，申请和授权发明专利4项，参加国际会议5人次。毕业博士生5人，硕士6人，2名研究生获得国家奖学金。