高性能單光子源及其量子光學性質(zhì)
發(fā)布時間：2020-12-04 06:22
本論文基于微柱腔結(jié)構(gòu)的自組裝半導體量子點,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光與量子點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,我們實現(xiàn)了國際綜合性能最優(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,而此前這三個指標并沒有在單個器件上同時滿足。我們通過分子束外延生長和光學刻蝕工藝相結(jié)合,獲得了高品質(zhì)、可調(diào)諧、與量子點頻率共振的光學微腔。通過脈沖共振熒光和Purcell增強技術(shù),實驗上獲得了Purcell因子達到6.2（1）、提取效率達到～66%、單光子性達到99.1（1）%、光子全同性達到98.5（4）%的“三項全能”單光子源。緊接著,我們又進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個光子的光學量子信息研究。該單光子源的亮度與國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,僅為納瓦級別。我們演示了太陽光與量子點共振熒光之...
【文章來源】：中國科學技術(shù)大學安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：120 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．２三種典型的光子數(shù)統(tǒng)計隨時間分布??＂
于和＃／２，導致Ｐ２?？巧，從而得到像量子密鑰分發(fā)使用的衰??減激光這樣的準單光子源。像普通的白熾燈、太陽光、ＬＥＤ等光源，光子數(shù)分布??滿足熱光場分布形式，即??（Ｍ５）??光子數(shù)漲落滿足Ａｎ?＝?＋護＞?＼＾，光子更傾向于聚集在一起，這種分布稱為??“超Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，對應(yīng)的光子呈現(xiàn)“聚束”效應(yīng)。像單光子源這樣的量子光場，??光子數(shù)漲落應(yīng)當滿足Ａ？?＜?這樣的“亞Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，光子呈現(xiàn)“反聚束”??效應(yīng)，光子之間趨向于遠離彼此。??符合測量??ｎ??＾??圖１．３用于測量二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的ＨＢＴ裝置??實驗中，常用如圖１．３所示的ＨＢＴ裝置測量＃２）〇：），該裝置于１９５６年由??ＨａｎｂｕｒｙＢｒｏｗｎ和Ｔｗｉｓｓ提出Ｉ４９］�；驹硎峭ㄟ^分束器將光路一分為二，在兩??路探測光子到達的時間，再對兩路的時間差作出統(tǒng)計，便會發(fā)生ＨＢＴ效應(yīng)。對??于理想的單光子源，由于光子不能分割，就無法兩路同時探測到光子，ＨＢＴ效??應(yīng)表現(xiàn)在統(tǒng)計數(shù)據(jù)在特定的時刻出現(xiàn)凹陷。??評判單光子源性能的另一指標是光子全同性。當一個光子經(jīng)過分束器，對應(yīng)??的反射率和透射率分別為和ｒ；當兩個全同光子同時從分束器兩端入射，就??可能出現(xiàn)如圖１．４所示的四種情況。當光子在分束器上發(fā)生反射，會引入：ｔ／２的??相位；透射時則不會。分束器有Ａ、Ｂ兩個入射端和Ｃ、Ｄ兩個出射端，＾表示??對應(yīng)端口的產(chǎn)生算符，對初始態(tài)ＩＵ１５〉，經(jīng)過分束器之后有??＝?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），如果有多個量子點同??時被激發(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)僅有一個量??子點，通常采用梯度生長模式來實現(xiàn)。ＭＢＥ過程一般包括ＧａＡｓ襯底和ＩｎＡｓ噴射??源，在噴射ＩｎＡｓ分子束時，靠近噴射源的區(qū)域富集到的ＩｎＡｓ較多，形成的量子點??密度也較高（？１００ｐｎＴ２）；遠離噴射源的區(qū)域，量子點密度就較低（？０．１?ｐｔｉＴ２）。??在實驗過程中，我們尋找密度合適的區(qū)域進行研宄。??為了提高單光子的亮度，可以通過ＭＢＥ技術(shù)將量子點生長到周期性結(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），是若干對交??替生長的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。許多組交替生長的ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ結(jié)構(gòu)，相??當于高反射率的反射鏡。對于無任何結(jié)構(gòu)的量子點，產(chǎn)生的熒光沿如空間角傳??播，由于量子點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。通過在量子點上下方都生長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】：
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. 低溫物理學報. 2018(05)
本文編號：2897149
【文章來源】：中國科學技術(shù)大學安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：120 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．２三種典型的光子數(shù)統(tǒng)計隨時間分布??＂
于和＃／２，導致Ｐ２?？巧，從而得到像量子密鑰分發(fā)使用的衰??減激光這樣的準單光子源。像普通的白熾燈、太陽光、ＬＥＤ等光源，光子數(shù)分布??滿足熱光場分布形式，即??（Ｍ５）??光子數(shù)漲落滿足Ａｎ?＝?＋護＞?＼＾，光子更傾向于聚集在一起，這種分布稱為??“超Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，對應(yīng)的光子呈現(xiàn)“聚束”效應(yīng)。像單光子源這樣的量子光場，??光子數(shù)漲落應(yīng)當滿足Ａ？?＜?這樣的“亞Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，光子呈現(xiàn)“反聚束”??效應(yīng)，光子之間趨向于遠離彼此。??符合測量??ｎ??＾??圖１．３用于測量二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的ＨＢＴ裝置??實驗中，常用如圖１．３所示的ＨＢＴ裝置測量＃２）〇：），該裝置于１９５６年由??ＨａｎｂｕｒｙＢｒｏｗｎ和Ｔｗｉｓｓ提出Ｉ４９］�；驹硎峭ㄟ^分束器將光路一分為二，在兩??路探測光子到達的時間，再對兩路的時間差作出統(tǒng)計，便會發(fā)生ＨＢＴ效應(yīng)。對??于理想的單光子源，由于光子不能分割，就無法兩路同時探測到光子，ＨＢＴ效??應(yīng)表現(xiàn)在統(tǒng)計數(shù)據(jù)在特定的時刻出現(xiàn)凹陷。??評判單光子源性能的另一指標是光子全同性。當一個光子經(jīng)過分束器，對應(yīng)??的反射率和透射率分別為和ｒ；當兩個全同光子同時從分束器兩端入射，就??可能出現(xiàn)如圖１．４所示的四種情況。當光子在分束器上發(fā)生反射，會引入：ｔ／２的??相位；透射時則不會。分束器有Ａ、Ｂ兩個入射端和Ｃ、Ｄ兩個出射端，＾表示??對應(yīng)端口的產(chǎn)生算符，對初始態(tài)ＩＵ１５〉，經(jīng)過分束器之后有??＝?ａ＼ａ＼?｜Ｑ）?＝?（ｉ＼／＾４?＋?Ｖｒａ＾ｘＶＴａｌ?＋?ｉＶＲａｌ）?｜Ｑ）??＝（ｗｆＲＴａ＾?－?Ｒａ＇ｃａ〇?＋?＋?ｉｙ／ＴＲａ＾）?｜ａ）?（１．１６）??＝ｉ＼／＾（｜
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【參考文獻】：
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. 低溫物理學報. 2018(05)
本文編號：2897149
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