高性能单光子源及其量子光学性质
发布时间：2020-12-04 06:22
本论文基于微柱腔结构的自组装半导体量子点,研究并讨论了高性能单光子源和接近Fourier变换极限的单光子。此外,我们还研究并讨论了太阳光与量子点共振荧光之间的量子干涉等课题。基于微柱腔结构的量子点,我们实现了国际综合性能最优的单光子源。理想的单光子源必须是按需发射的并且同时满足高提取效率、高单光子性和高光子全同性三大核心指标,而此前这三个指标并没有在单个器件上同时满足。我们通过分子束外延生长和光学刻蚀工艺相结合,获得了高品质、可调谐、与量子点频率共振的光学微腔。通过脉冲共振荧光和Purcell增强技术,实验上获得了Purcell因子达到6.2（1）、提取效率达到～66%、单光子性达到99.1（1）%、光子全同性达到98.5（4）%的“三项全能”单光子源。紧接着,我们又进一步证明了这样的单光子源能够产生接近Fourier变换极限的单光子,单光子之间的高光子全同性可以维持14.73μs以上,可支持>1 000个光子的光学量子信息研究。该单光子源的亮度与国际上最好的基于参量下转换的单光子源相比提高了～10倍,并且所需要的泵浦激光功率更低,仅为纳瓦级别。我们演示了太阳光与量子点共振荧光之...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２三种典型的光子数统计随时间分布??＂
于和＃／２，导致Ｐ２?？巧，从而得到像量子密钥分发使用的衰??减激光这样的准单光子源。像普通的白炽灯、太阳光、ＬＥＤ等光源，光子数分布??满足热光场分布形式，即??（Ｍ５）??光子数涨落满足Ａｎ?＝?＋护＞?＼＾，光子更倾向于聚集在一起，这种分布称为??“超Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，对应的光子呈现“聚束”效应。像单光子源这样的量子光场，??光子数涨落应当满足Ａ？?＜?这样的“亚Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，光子呈现“反聚束”??效应，光子之间趋向于远离彼此。??符合测量??ｎ??＾??图１．３用于测量二阶关联函数的ＨＢＴ装置??实验中，常用如图１．３所示的ＨＢＴ装置测量＃２）〇：），该装置于１９５６年由??ＨａｎｂｕｒｙＢｒｏｗｎ和Ｔｗｉｓｓ提出Ｉ４９］。基本原理是通过分束器将光路一分为二，在两??路探测光子到达的时间，再对两路的时间差作出统计，便会发生ＨＢＴ效应。对??于理想的单光子源，由于光子不能分割，就无法两路同时探测到光子，ＨＢＴ效??应表现在统计数据在特定的时刻出现凹陷。??评判单光子源性能的另一指标是光子全同性。当一个光子经过分束器，对应??的反射率和透射率分别为和ｒ；当两个全同光子同时从分束器两端入射，就??可能出现如图１．４所示的四种情况。当光子在分束器上发生反射，会引入：ｔ／２的??相位；透射时则不会。分束器有Ａ、Ｂ两个入射端和Ｃ、Ｄ两个出射端，＾表示??对应端口的产生算符，对初始态ＩＵ１５〉，经过分束器之后有??＝?ａ＼ａ＼?｜Ｑ）?＝?（ｉ＼／＾４?＋?Ｖｒａ＾ｘＶＴａｌ?＋?ｉＶＲａｌ）?｜Ｑ）??＝（ｗｆＲＴａ＾?－?Ｒａ＇ｃａ〇?＋?＋?ｉｙ／ＴＲａ＾）?｜ａ）?（１．１６）??＝ｉ＼／＾（｜
?第２章量子点单光子源???⑷?：，?（ｂ）??？．．．．．．．．？．．．．．．．．．．．．？．?＃?．．．?？．．．．？?．．．？．．．．．?．＃?泛??ＧａＡｓ?？?■■■？?？■?？？？＜＞？？？?＾?Ｚ＼〇ｎｉｎ??图２．１⑷ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ材料的晶格失配；（ｂ）?ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子点的尺寸。??径的显微物镜聚焦成接近衍射极限的光斑（直径？１ｐｍ），如果有多个量子点同??时被激发，产生的荧光将不再满足单光子条件。为了确保光斑范围内仅有一个量??子点，通常采用梯度生长模式来实现。ＭＢＥ过程一般包括ＧａＡｓ衬底和ＩｎＡｓ喷射??源，在喷射ＩｎＡｓ分子束时，靠近喷射源的区域富集到的ＩｎＡｓ较多，形成的量子点??密度也较高（？１００ｐｎＴ２）；远离喷射源的区域，量子点密度就较低（？０．１?ｐｔｉＴ２）。??在实验过程中，我们寻找密度合适的区域进行研宄。??为了提高单光子的亮度，可以通过ＭＢＥ技术将量子点生长到周期性结构中。??图２．２所示的一维周期性结构称为“分布式Ｂｒａｇｇ反射镜”（ＤＢＲ），是若干对交??替生长的ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ层结构。两种材料有着不同的折射率（ＧａＡｓ折射率较高），??每一层厚度为Ａ／４，?Ａ是微腔共振波长。许多组交替生长的ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ结构，相??当于高反射率的反射镜。对于无任何结构的量子点，产生的荧光沿如空间角传??播，由于量子点处于高折射率的材料中，能从上方射出材料并被物镜收集到的荧??光就很少。通过在量子点上下方都生长ＤＢＲ，其中下方的ＤＢＲ层数更多，反射??率也就更高。这样就使得原来射向下方的荧光从上方出射，收集效率可提高一??倍。另外上下两组ＤＢＲ又形成了平面
【参考文献】：
期刊论文
[1]单光子源及在量子信息领域的应用[J]. 段兆晨,李金朋,何玉明. 低温物理学报. 2018(05)
本文编号：2897149
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２三种典型的光子数统计随时间分布??＂
于和＃／２，导致Ｐ２?？巧，从而得到像量子密钥分发使用的衰??减激光这样的准单光子源。像普通的白炽灯、太阳光、ＬＥＤ等光源，光子数分布??满足热光场分布形式，即??（Ｍ５）??光子数涨落满足Ａｎ?＝?＋护＞?＼＾，光子更倾向于聚集在一起，这种分布称为??“超Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，对应的光子呈现“聚束”效应。像单光子源这样的量子光场，??光子数涨落应当满足Ａ？?＜?这样的“亚Ｐｏｉｓｓｏｎ分布”，光子呈现“反聚束”??效应，光子之间趋向于远离彼此。??符合测量??ｎ??＾??图１．３用于测量二阶关联函数的ＨＢＴ装置??实验中，常用如图１．３所示的ＨＢＴ装置测量＃２）〇：），该装置于１９５６年由??ＨａｎｂｕｒｙＢｒｏｗｎ和Ｔｗｉｓｓ提出Ｉ４９］。基本原理是通过分束器将光路一分为二，在两??路探测光子到达的时间，再对两路的时间差作出统计，便会发生ＨＢＴ效应。对??于理想的单光子源，由于光子不能分割，就无法两路同时探测到光子，ＨＢＴ效??应表现在统计数据在特定的时刻出现凹陷。??评判单光子源性能的另一指标是光子全同性。当一个光子经过分束器，对应??的反射率和透射率分别为和ｒ；当两个全同光子同时从分束器两端入射，就??可能出现如图１．４所示的四种情况。当光子在分束器上发生反射，会引入：ｔ／２的??相位；透射时则不会。分束器有Ａ、Ｂ两个入射端和Ｃ、Ｄ两个出射端，＾表示??对应端口的产生算符，对初始态ＩＵ１５〉，经过分束器之后有??＝?ａ＼ａ＼?｜Ｑ）?＝?（ｉ＼／＾４?＋?Ｖｒａ＾ｘＶＴａｌ?＋?ｉＶＲａｌ）?｜Ｑ）??＝（ｗｆＲＴａ＾?－?Ｒａ＇ｃａ〇?＋?＋?ｉｙ／ＴＲａ＾）?｜ａ）?（１．１６）??＝ｉ＼／＾（｜
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【参考文献】：
期刊论文
[1]单光子源及在量子信息领域的应用[J]. 段兆晨,李金朋,何玉明. 低温物理学报. 2018(05)
本文编号：2897149
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