專利名稱：一種用于單光子源的單量子點嵌埋光學(xué)微腔及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子信息、單光子源，具體是指一種用于單光子源的單量子點嵌埋光學(xué)微腔及制備方法。
背景技術(shù)：
量子特性在信息領(lǐng)域中有著獨特的功能，在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測精度等方面可能突破現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，于是便誕生了一門新的學(xué)科分支——量子信息科學(xué)。它是量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，包括量子密碼、量子通信、量子計算和量子測量等，近年來，在理論和實驗上已經(jīng)取得了重要突破，引起各國政府、科技界和信息產(chǎn)業(yè)界的高度重視。人們越來越堅信，量子信息科學(xué)為信息科學(xué)的發(fā)展開創(chuàng)了新的原理和方法，將在21世紀(jì)發(fā)揮出巨大潛力。其中的量子密碼是量子信息科學(xué)中很重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一?，F(xiàn)代保密通信所使用的公開密鑰體系采用量子計算機就可以輕而易舉地將其破譯。這就對現(xiàn)有保密通信提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。解決這個問題的有效途徑是量子密碼術(shù)。量子密鑰體系采用量子態(tài)作為信息載體，經(jīng)由量子通道傳送，在合法用戶之間建立共享的密鑰(經(jīng)典隨機數(shù))。量子密碼的安全性由量子力學(xué)原理所保證，一方面被測量可感知，即由量子力學(xué)的基本原理可知，對量子態(tài)的測量會干擾量子態(tài)本身，因此，這種竊聽方式必然會留下痕跡而被合法用戶所發(fā)現(xiàn)；另一方面是不可克隆性，量子不可克隆定理使得任何物理上可行的量子復(fù)制機都不可能克隆出與輸入量子態(tài)完全一樣的量子態(tài)來，這樣就確保了竊聽者無法采用量子復(fù)制機來復(fù)制傳送信息的量子態(tài)而留下復(fù)制的量子態(tài)進行測量以竊取信息，因此量子密碼是非常安全的。
無論是量子密碼學(xué)還是量子計算，單光子光源是其關(guān)鍵設(shè)備，是必須要攻克的難題?，F(xiàn)在研究中所使用的單光子光源是將相干光脈沖衰減到平均每個脈沖只有0.1或0.2個光子，這是一種近似的單光子源，其效率低，既影響量子密鑰的傳輸距離，又影響其安全性，因為這種光源有可能在一個脈沖中同時出現(xiàn)兩個光子。因此研制真實的單光子源成為量子密碼研究的另一個關(guān)鍵性問題。美國、日本、西歐正在大力開展這些關(guān)鍵技術(shù)的研究，最近在《自然》、《科學(xué)》上也報導(dǎo)了一些重要進展，但仍未獲得根本上的突破。
如果能夠?qū)蝹€量子點限制在光學(xué)微腔中，利用單個量子點中激子發(fā)光僅能發(fā)射單個光子的本征特性，通過對該量子點進行激發(fā)，形成單個光子源是人們十分關(guān)注的途徑。由于量子點是晶體，必須生長在與之匹配的單晶襯底上，因此通常只能采用與生長方法兼容的半導(dǎo)體材料來構(gòu)造光學(xué)微腔的Bragg反射鏡，這樣不但材料的可選范圍很小，而且由于大部分半導(dǎo)體材料之間的折射率差別小，難以設(shè)計制備出性能優(yōu)良的光學(xué)微腔，極大地限制了這方面的研究和發(fā)展，因為性能優(yōu)良的光學(xué)微腔要求構(gòu)造Bragg反射鏡的兩種材料之間的折射率差別越大越好。
D.Dalacu等報道了一篇利用折射率差別很高的SiO2/Ta2O5非晶多層膜來構(gòu)造光學(xué)微腔，并實現(xiàn)量子點集成在其諧振腔中的文章，SiO2和Ta2O5層的沉積是采用雙離子束濺射系統(tǒng)完成的，而各半導(dǎo)體層則是采用化學(xué)束外延方法生長的，具體生長參數(shù)和過程見“Applied Physics Letters 84，3235(2004)和Applied PhysicsLetters 82，4803(2003)”。這種方法牽涉到多種工藝，其制備難度之大、工藝之繁瑣、過程之復(fù)雜，難以推廣和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種將量子點的生長與光學(xué)微腔的制備不再直接關(guān)聯(lián)、而是相對獨立開來，從而使得兩個過程之間不再相互制約的單量子點嵌埋光學(xué)微腔及制備方法。
本發(fā)明的單量子點嵌埋光學(xué)微腔包括襯底1，與襯底牢固結(jié)合的光學(xué)微腔2，嵌埋在光學(xué)微腔中的單量子點3。所說的光學(xué)微腔由光學(xué)膜系構(gòu)成，其膜系的帶通峰位與量子點的熒光峰位一致，具體結(jié)構(gòu)為(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m為微腔的下反射膜系201，nL為諧振腔層202，(HL)m為微腔的上反射膜系203，L為低折射率膜層，H為高折射率膜層，m為L與H的交替疊層次數(shù)，m≥6，n為2的整數(shù)倍，n≥2，L和H膜層的光學(xué)厚度為1/4λ0，λ0為熒光峰位。單量子點嵌埋在諧振腔層的中間。
所述的單量子點嵌埋光學(xué)微腔制備方法的步驟如下1.首先采用常規(guī)的光學(xué)薄膜鍍制方法依次將膜系(LH)m，nL/2鍍制到襯底上，然后中止鍍膜；2.將濃度低于nmol/L的量子點溶液通過勻膠、噴涂、刷涂或浸蘸中的一種涂敷到步驟1的nL/2膜層上，待溶劑揮發(fā)后；再繼續(xù)依次將膜系nL/2，(HL)m鍍完，完成整個光學(xué)微腔膜系的鍍制，此時量子點嵌埋在諧振腔層中間，最后采用常規(guī)的光刻掩模方法刻蝕掉量子點周圍多余的薄膜材料，形成單量子點嵌埋的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于將量子點的生長過程與光學(xué)微腔的制備過程分離開來，使其不再直接關(guān)聯(lián)，從而使得兩個制備過程之間不再相互制約，極大地拓寬了兩個獨立制備過程各自的選擇范圍，可以設(shè)計制備出性能更優(yōu)良的光學(xué)微腔和量子點，而且大大簡化了整個制備工藝過程，最終使得制備高性能的單量子點嵌埋光學(xué)微腔成為現(xiàn)實。另外，可以通過控制光學(xué)微腔膜層的厚度，很方便地調(diào)節(jié)量子點在諧振腔層中所處的位置。


圖1為單量子點嵌埋光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實施例的光學(xué)微腔的透射譜。
具體實施例方式
下面以CdSe量子點為實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細說明1.CdSe量子點溶液采用常規(guī)的化學(xué)方法制備，然后用氯仿溶劑稀釋，使其濃度低于納摩爾每升(nmol/L)。
2.根據(jù)微腔的帶通峰位應(yīng)該與量子點的熒光峰位完全一致的要求，測得CdSe量子點最強的熒光峰位于585nm，因此微腔膜系為(LH)102L(HL)10，其中H為高折射率Ta2O5膜層，L為低折射率SiO2膜層，λ0為中心波長，此實施例為585nm。所設(shè)計的光學(xué)微腔的透射譜如圖2所示，其中橫坐標(biāo)由波長換算成能量單位E＝1240/λ，其透射峰位為2.12eV，相當(dāng)于585nm，半峰寬約60μeV，已達到單個量子點激子發(fā)光的半峰寬，所以可以通過光學(xué)模式與發(fā)光頻率的匹配效應(yīng)有效地篩選出合適的單個量子點發(fā)光，實現(xiàn)單光子發(fā)射。還可以通過增加諧振腔層的厚度或兩邊的反射膜層交替數(shù)來獲得更高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔。
3.量子點嵌埋光學(xué)微腔的制備首先采用常規(guī)的光學(xué)薄膜鍍制方法，如真空鍍膜或磁控反應(yīng)濺射，依次將膜系(LH)10，L鍍制到襯底上，然后中止鍍膜；
再將量子點溶液通過勻膠方法涂敷到上述的L膜層上，待溶劑揮發(fā)后；再繼續(xù)依次將膜系L，(HL)10鍍完，完成整個光學(xué)微腔膜系的鍍制，此時量子點分散嵌埋在諧振腔層中間，最后采用常規(guī)的光刻掩模方法刻蝕掉量子點周圍多余的薄膜材料，形成單量子點嵌埋的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種用于單光子源的單量子點嵌埋光學(xué)微腔，包括襯底(1)，與襯底牢固結(jié)合的光學(xué)微腔(2)，嵌埋在光學(xué)微腔中的單量子點(3)，其特征在于所說的光學(xué)微腔由光學(xué)膜系構(gòu)成，其膜系的帶通峰位與量子點的熒光峰位一致，結(jié)構(gòu)為(LH)mnL(HL)m，其中(LH)m為微腔的下反射膜系(201)，nL為諧振腔層(202)，(HL)m為微腔的上反射膜系(203)，L為低折射率膜層，H為高折射率膜層，m為L與H的交替疊層次數(shù)，m≥6，n為2的整數(shù)倍，n≥2，L和H膜層的厚度為1/4λ0，λ0為熒光峰位；所說的單量子點(3)嵌埋在諧振腔層(202)的中間。
2.一種用于單光子源的單量子點嵌埋光學(xué)微腔的制備方法，其特征在于具體步驟如下A.首先采用常規(guī)的光學(xué)薄膜鍍制方法依次將膜系(LH)m，nL/2鍍制到襯底上，然后中止鍍膜；B.采用勻膠、噴涂、刷涂或浸蘸中的一種將濃度低于nmol/L的量子點溶液涂敷到步驟A的nL/2膜層上，待溶劑揮發(fā)后；再繼續(xù)依次將膜系nL/2，(HL)m鍍完，完成整個光學(xué)微腔膜系的鍍制，最后采用常規(guī)的光刻掩模方法刻蝕掉量子點周圍多余的薄膜材料，形成單量子點嵌埋的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于單光子源的單量子點嵌埋光學(xué)微腔及制備方法，光學(xué)微腔包括襯底，與襯底牢固結(jié)合的光學(xué)微腔，嵌埋在光學(xué)微腔中的單量子點。所說的光學(xué)微腔由光學(xué)膜系構(gòu)成，其膜系的帶通峰位與量子點的熒光峰位一致。其制備方法是將量子點的生長過程與光學(xué)微腔的制備過程分離開來，使其不再直接關(guān)聯(lián)，從而使得兩個制備過程之間不再相互制約，極大地拓寬了兩個獨立制備過程各自的選擇范圍，可以設(shè)計制備出性能更優(yōu)良的光學(xué)微腔和量子點，而且大大簡化了整個制備工藝過程，最終使得制備高性能的單量子點嵌埋光學(xué)微腔成為現(xiàn)實。
文檔編號H01L33/00GK1638218SQ200410084778
公開日2005年7月13日 申請日期2004年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月30日
發(fā)明者陸衛(wèi), 王少偉, 陳平平, 李寧, 張波, 李志鋒, 陳效雙 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所