尚向军 李叔伦 马奔 陈瑶 何小武 倪海桥2) 牛智川2)†

1) (中国科学院半导体研究所, 半导体超晶格国家重点实验室, 北京 100083)

2) (北京量子信息科学研究院, 北京 100193)

1 引 言

单光子源是量子信息技术关键元器件.近年来, 量子光网络成功演示玻色采样量子计算[1], 波导光量子芯片如CNOT 门[2]、波导或微环腔参量下转换光子对源[3,4]、Mach-Zehnder 干涉型路径纠缠器和波分复用器[4]、片上Hong-Ou-Mandel 干涉仪[5]、铌酸锂波导分路器和光开关[6]、随机行走器[7]、集成单光子探测器[8]、芯片化量子密钥分发(quantum key distribution, QKD)[9]等大量涌现,大大推动了单光子应用.制备可与之衔接的单光子源组件尤为重要.外延半导体单量子点(single quantum dot, SQD)是制备单光子源的理想材料,在低温下稳定且确定性发光、激子谱线细、波长覆盖广、光场耦合系数大、易于外场调控、与半导体微纳工艺兼容, 可集成光学微腔和微透镜、靶眼环、金属超材料等结构增强光-物质作用并提升出光 方 向 性.GaAs 基In(Ga)As SQD 波 长 可 覆 盖840—1340 nm[10]; 可集成GaAs/AlAs 分布Bragg反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)Fabry-Petrot(F-P)平面腔并刻蚀微柱阵列, 其工艺比光子晶体腔简单; 作为腔镜的“building block”,GaAs/AlAs 膜系的折射率差小, 可通过精确优化DBR 对数来折衷优化腔内光场强度(即Purcell 效应)和出光提取效率(腔输出), 以提高SQD 出光计数率.然而, 外延SQD 只在液氮77 K 温度以下才能很好发光; 而且其在片上位置随机且发光质量各有差异, 必须对高亮度SQD 做光谱扫描寻址并优化收光光路效率, 才能收集尽可能多的单光子.

单光子收集通常用共聚焦装置通过针孔空间滤波收集片上微区内的SQD 荧光……