高性能單光子源及其量子光學(xué)性質(zhì)
發(fā)布時(shí)間：2020-12-04 06:22
本論文基于微柱腔結(jié)構(gòu)的自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn),研究并討論了高性能單光子源和接近Fourier變換極限的單光子。此外,我們還研究并討論了太陽(yáng)光與量子點(diǎn)共振熒光之間的量子干涉等課題。基于微柱腔結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn),我們實(shí)現(xiàn)了國(guó)際綜合性能最優(yōu)的單光子源。理想的單光子源必須是按需發(fā)射的并且同時(shí)滿足高提取效率、高單光子性和高光子全同性三大核心指標(biāo),而此前這三個(gè)指標(biāo)并沒(méi)有在單個(gè)器件上同時(shí)滿足。我們通過(guò)分子束外延生長(zhǎng)和光學(xué)刻蝕工藝相結(jié)合,獲得了高品質(zhì)、可調(diào)諧、與量子點(diǎn)頻率共振的光學(xué)微腔。通過(guò)脈沖共振熒光和Purcell增強(qiáng)技術(shù),實(shí)驗(yàn)上獲得了Purcell因子達(dá)到6.2（1）、提取效率達(dá)到～66%、單光子性達(dá)到99.1（1）%、光子全同性達(dá)到98.5（4）%的“三項(xiàng)全能”單光子源。緊接著,我們又進(jìn)一步證明了這樣的單光子源能夠產(chǎn)生接近Fourier變換極限的單光子,單光子之間的高光子全同性可以維持14.73μs以上,可支持>1 000個(gè)光子的光學(xué)量子信息研究。該單光子源的亮度與國(guó)際上最好的基于參量下轉(zhuǎn)換的單光子源相比提高了～10倍,并且所需要的泵浦激光功率更低,僅為納瓦級(jí)別。我們演示了太陽(yáng)光與量子點(diǎn)共振熒光之...
【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁(yè)數(shù)】：120 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
圖１．２三種典型的光子數(shù)統(tǒng)計(jì)隨時(shí)間分布??＂
于和＃／２，導(dǎo)致Ｐ２?？巧，從而得到像量子密鑰分發(fā)使用的衰??減激光這樣的準(zhǔn)單光子源。像普通的白熾燈、太陽(yáng)光、ＬＥＤ等光源，光子數(shù)分布??滿足熱光場(chǎng)分布形式，即??（Ｍ５）??光子數(shù)漲落滿足Ａｎ?＝?＋護(hù)＞?＼＾，光子更傾向于聚集在一起，這種分布稱為??“超Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，對(duì)應(yīng)的光子呈現(xiàn)“聚束”效應(yīng)。像單光子源這樣的量子光場(chǎng)，??光子數(shù)漲落應(yīng)當(dāng)滿足Ａ？?＜?這樣的“亞Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，光子呈現(xiàn)“反聚束”??效應(yīng)，光子之間趨向于遠(yuǎn)離彼此。??符合測(cè)量??ｎ??＾??圖１．３用于測(cè)量二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的ＨＢＴ裝置??實(shí)驗(yàn)中，常用如圖１．３所示的ＨＢＴ裝置測(cè)量＃２）〇：），該裝置于１９５６年由??ＨａｎｂｕｒｙＢｒｏｗｎ和Ｔｗｉｓｓ提出Ｉ４９］�；驹硎峭ㄟ^(guò)分束器將光路一分為二，在兩??路探測(cè)光子到達(dá)的時(shí)間，再對(duì)兩路的時(shí)間差作出統(tǒng)計(jì)，便會(huì)發(fā)生ＨＢＴ效應(yīng)。對(duì)??于理想的單光子源，由于光子不能分割，就無(wú)法兩路同時(shí)探測(cè)到光子，ＨＢＴ效??應(yīng)表現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在特定的時(shí)刻出現(xiàn)凹陷。??評(píng)判單光子源性能的另一指標(biāo)是光子全同性。當(dāng)一個(gè)光子經(jīng)過(guò)分束器，對(duì)應(yīng)??的反射率和透射率分別為和ｒ；當(dāng)兩個(gè)全同光子同時(shí)從分束器兩端入射，就??可能出現(xiàn)如圖１．４所示的四種情況。當(dāng)光子在分束器上發(fā)生反射，會(huì)引入：ｔ／２的??相位；透射時(shí)則不會(huì)。分束器有Ａ、Ｂ兩個(gè)入射端和Ｃ、Ｄ兩個(gè)出射端，＾表示??對(duì)應(yīng)端口的產(chǎn)生算符，對(duì)初始態(tài)ＩＵ１５〉，經(jīng)過(guò)分束器之后有??＝?ａ＼ａ＼?｜Ｑ）?＝?（ｉ＼／＾４?＋?Ｖｒａ＾ｘＶＴａｌ?＋?ｉＶＲａｌ）?｜Ｑ）??＝（ｗｆＲＴａ＾?－?Ｒａ＇ｃａ〇?＋?＋?ｉｙ／ＴＲａ＾）?｜ａ）?（１．１６）??＝ｉ＼／＾（｜
?第２章量子點(diǎn)單光子源???⑷?：，?（ｂ）??？．．．．．．．．？．．．．．．．．．．．．？．?＃?．．．?？．．．．？?．．．？．．．．．?．＃?泛??ＧａＡｓ?？?■■■？?？■?？？？＜＞？？？?＾?Ｚ＼〇ｎｉｎ??圖２．１⑷ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ材料的晶格失配；（ｂ）?ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子點(diǎn)的尺寸。??徑的顯微物鏡聚焦成接近衍射極限的光斑（直徑？１ｐｍ），如果有多個(gè)量子點(diǎn)同??時(shí)被激發(fā)，產(chǎn)生的熒光將不再滿足單光子條件。為了確保光斑范圍內(nèi)僅有一個(gè)量??子點(diǎn)，通常采用梯度生長(zhǎng)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。ＭＢＥ過(guò)程一般包括ＧａＡｓ襯底和ＩｎＡｓ噴射??源，在噴射ＩｎＡｓ分子束時(shí)，靠近噴射源的區(qū)域富集到的ＩｎＡｓ較多，形成的量子點(diǎn)??密度也較高（？１００ｐｎＴ２）；遠(yuǎn)離噴射源的區(qū)域，量子點(diǎn)密度就較低（？０．１?ｐｔｉＴ２）。??在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們尋找密度合適的區(qū)域進(jìn)行研宄。??為了提高單光子的亮度，可以通過(guò)ＭＢＥ技術(shù)將量子點(diǎn)生長(zhǎng)到周期性結(jié)構(gòu)中。??圖２．２所示的一維周期性結(jié)構(gòu)稱為“分布式Ｂｒａｇｇ反射鏡”（ＤＢＲ），是若干對(duì)交??替生長(zhǎng)的ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層結(jié)構(gòu)。兩種材料有著不同的折射率（ＧａＡｓ折射率較高），??每一層厚度為Ａ／４，?Ａ是微腔共振波長(zhǎng)。許多組交替生長(zhǎng)的ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ結(jié)構(gòu)，相??當(dāng)于高反射率的反射鏡。對(duì)于無(wú)任何結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)，產(chǎn)生的熒光沿如空間角傳??播，由于量子點(diǎn)處于高折射率的材料中，能從上方射出材料并被物鏡收集到的熒??光就很少。通過(guò)在量子點(diǎn)上下方都生長(zhǎng)ＤＢＲ，其中下方的ＤＢＲ層數(shù)更多，反射??率也就更高。這樣就使得原來(lái)射向下方的熒光從上方出射，收集效率可提高一??倍。另外上下兩組ＤＢＲ又形成了平面
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]單光子源及在量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 段兆晨,李金朋,何玉明. 低溫物理學(xué)報(bào). 2018(05)
本文編號(hào)：2897149
【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁(yè)數(shù)】：120 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
圖１．２三種典型的光子數(shù)統(tǒng)計(jì)隨時(shí)間分布??＂
于和＃／２，導(dǎo)致Ｐ２?？巧，從而得到像量子密鑰分發(fā)使用的衰??減激光這樣的準(zhǔn)單光子源。像普通的白熾燈、太陽(yáng)光、ＬＥＤ等光源，光子數(shù)分布??滿足熱光場(chǎng)分布形式，即??（Ｍ５）??光子數(shù)漲落滿足Ａｎ?＝?＋護(hù)＞?＼＾，光子更傾向于聚集在一起，這種分布稱為??“超Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，對(duì)應(yīng)的光子呈現(xiàn)“聚束”效應(yīng)。像單光子源這樣的量子光場(chǎng)，??光子數(shù)漲落應(yīng)當(dāng)滿足Ａ？?＜?這樣的“亞Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，光子呈現(xiàn)“反聚束”??效應(yīng)，光子之間趨向于遠(yuǎn)離彼此。??符合測(cè)量??ｎ??＾??圖１．３用于測(cè)量二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的ＨＢＴ裝置??實(shí)驗(yàn)中，常用如圖１．３所示的ＨＢＴ裝置測(cè)量＃２）〇：），該裝置于１９５６年由??ＨａｎｂｕｒｙＢｒｏｗｎ和Ｔｗｉｓｓ提出Ｉ４９］�；驹硎峭ㄟ^(guò)分束器將光路一分為二，在兩??路探測(cè)光子到達(dá)的時(shí)間，再對(duì)兩路的時(shí)間差作出統(tǒng)計(jì)，便會(huì)發(fā)生ＨＢＴ效應(yīng)。對(duì)??于理想的單光子源，由于光子不能分割，就無(wú)法兩路同時(shí)探測(cè)到光子，ＨＢＴ效??應(yīng)表現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在特定的時(shí)刻出現(xiàn)凹陷。??評(píng)判單光子源性能的另一指標(biāo)是光子全同性。當(dāng)一個(gè)光子經(jīng)過(guò)分束器，對(duì)應(yīng)??的反射率和透射率分別為和ｒ；當(dāng)兩個(gè)全同光子同時(shí)從分束器兩端入射，就??可能出現(xiàn)如圖１．４所示的四種情況。當(dāng)光子在分束器上發(fā)生反射，會(huì)引入：ｔ／２的??相位；透射時(shí)則不會(huì)。分束器有Ａ、Ｂ兩個(gè)入射端和Ｃ、Ｄ兩個(gè)出射端，＾表示??對(duì)應(yīng)端口的產(chǎn)生算符，對(duì)初始態(tài)ＩＵ１５〉，經(jīng)過(guò)分束器之后有??＝?ａ＼ａ＼?｜Ｑ）?＝?（ｉ＼／＾４?＋?Ｖｒａ＾ｘＶＴａｌ?＋?ｉＶＲａｌ）?｜Ｑ）??＝（ｗｆＲＴａ＾?－?Ｒａ＇ｃａ〇?＋?＋?ｉｙ／ＴＲａ＾）?｜ａ）?（１．１６）??＝ｉ＼／＾（｜
?第２章量子點(diǎn)單光子源???⑷?：，?（ｂ）??？．．．．．．．．？．．．．．．．．．．．．？．?＃?．．．?？．．．．？?．．．？．．．．．?．＃?泛??ＧａＡｓ?？?■■■？?？■?？？？＜＞？？？?＾?Ｚ＼〇ｎｉｎ??圖２．１⑷ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ材料的晶格失配；（ｂ）?ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子點(diǎn)的尺寸。??徑的顯微物鏡聚焦成接近衍射極限的光斑（直徑？１ｐｍ），如果有多個(gè)量子點(diǎn)同??時(shí)被激發(fā)，產(chǎn)生的熒光將不再滿足單光子條件。為了確保光斑范圍內(nèi)僅有一個(gè)量??子點(diǎn)，通常采用梯度生長(zhǎng)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。ＭＢＥ過(guò)程一般包括ＧａＡｓ襯底和ＩｎＡｓ噴射??源，在噴射ＩｎＡｓ分子束時(shí)，靠近噴射源的區(qū)域富集到的ＩｎＡｓ較多，形成的量子點(diǎn)??密度也較高（？１００ｐｎＴ２）；遠(yuǎn)離噴射源的區(qū)域，量子點(diǎn)密度就較低（？０．１?ｐｔｉＴ２）。??在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們尋找密度合適的區(qū)域進(jìn)行研宄。??為了提高單光子的亮度，可以通過(guò)ＭＢＥ技術(shù)將量子點(diǎn)生長(zhǎng)到周期性結(jié)構(gòu)中。??圖２．２所示的一維周期性結(jié)構(gòu)稱為“分布式Ｂｒａｇｇ反射鏡”（ＤＢＲ），是若干對(duì)交??替生長(zhǎng)的ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層結(jié)構(gòu)。兩種材料有著不同的折射率（ＧａＡｓ折射率較高），??每一層厚度為Ａ／４，?Ａ是微腔共振波長(zhǎng)。許多組交替生長(zhǎng)的ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ結(jié)構(gòu)，相??當(dāng)于高反射率的反射鏡。對(duì)于無(wú)任何結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)，產(chǎn)生的熒光沿如空間角傳??播，由于量子點(diǎn)處于高折射率的材料中，能從上方射出材料并被物鏡收集到的熒??光就很少。通過(guò)在量子點(diǎn)上下方都生長(zhǎng)ＤＢＲ，其中下方的ＤＢＲ層數(shù)更多，反射??率也就更高。這樣就使得原來(lái)射向下方的熒光從上方出射，收集效率可提高一??倍。另外上下兩組ＤＢＲ又形成了平面
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]單光子源及在量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 段兆晨,李金朋,何玉明. 低溫物理學(xué)報(bào). 2018(05)
本文編號(hào)：2897149
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