重新想象量子点单光子源单片法布里-珀罗微腔的突破

自组装半导体量子点(QD)代表具有离散能级的三维受限纳米结构，类似于原子。它们能够按需产生高效且难以区分的单光子，对于探索基础量子物理和量子信息技术的各种应用非常重要。利用传统的半导体工艺，该材料系统还提供了一个自然的集成兼容和可扩展平台。

对于理想的量子点单光子源，一种广泛采用的实现光子同时具有高提取效率和不可区分性的方法是将量子点嵌入到珀塞尔增强光子腔中。然而，量子点的空间随机分布使得将它们与光子结构确定性耦合变得具有挑战性。

目前，它们空间位置的精确对准依赖于精确的光学荧光定位技术，而波长对准的最佳策略之一是引入应力调谐。

目前最先进的量子点单光子源基于开放式法布里-珀罗(FP)腔结构或椭圆形微柱。前者通过微调顶部和底部镜子实现位置和波长的对准，但离散结构对环境振动敏感。后者的隔离结构阻碍了应力传递，使得有效的波长调谐具有挑战性。

目前，这种结构仍然依赖于小范围内的温度调节，显着降低了器件良率。在微腔结构中实现应力调谐的有效集成，同时确保空间位置和波长的精确对准，仍然是一个艰巨的挑战。

在最近发表在《光：科学与应用》杂志上的一项研究中，中山大学的JiaweiYang、YingYu、SiyuanYu和国防科技大学的YanChen合作解决了这些挑战，通过创新地将FP微腔与压电致动器，开发单片波长可调微腔结构。这种创新方法无需蚀刻半导体材料，可防止表面缺陷并促进有效的应力传导。

如图1a所示，本工作中设计的FP微腔集成在压电基板上。由于量子点位于薄膜中，因此可以有效地传递应力。该结构不需要对半导体材料进行刻蚀，有效避免了侧壁缺陷对QD发射的影响。

在图1b所示的FP微腔结构中，光场的垂直限制由上、下布拉格反射器形成，而光场的横向限制由抛物线SiO2缺陷形成。单光子源的模拟效率可达0.95，Purcell因子为40(图1c)。此外，基模具有类似高斯的远场分布，有利于耦合到光纤中。

在实验实现中，采用高精度宽视场光学定位技术将QD放置在FP微腔的中心(图2b)。随后，使用微转移印刷技术将包含单个量子点的薄膜微腔集成到PMN-PT(100)基板上(图2a)。

通过电压扫描实现了1.3nm的调谐范围(图2c)，这是迄今为止报道的所有微腔结构的最大波长调谐范围。当采用微腔基模的量子点时，亮度显着提高了50倍(图2d)。

图3.a，QD与H偏振模式的耦合。b，共振脉冲共振激励下的拉比振荡。c、寿命测量。d，单光子纯度。e，单光子不可区分性。图片来源：光：科学与应用(2024)。DOI：10.1038/s41377-024-01384-7

此外，当QD与H偏振模式耦合时(图3a)，在脉冲共振荧光下记录的峰值APD计数率为2.88Mcps(图3b)，提取的偏振单光子提取效率为0.58，快速100ps寿命。

总之，研究人员开发了一种整体式FP微腔结构，具有优化利用Purcell效应、紧凑的占地面积和集成能力的优点。通过将单个量子点确定性地嵌入微腔中，可以获得同时具有高提取效率、高纯度和高不可区分性的高性能单光子源。

对于未来的发展，可以在结构中直接实现使用电门控器件的电荷稳定或自旋注入，以实现低噪声单光子发射或自旋光子纠缠/线性团簇态。

此外，还可以采用应变调谐来消除不同量子点之间的光谱不均匀性并解决FSS问题。这些方面对于实现高性能纠缠光子对源至关重要。

最有趣的是，腔体方案的简单性和多功能性为建立量子光源的新制造范例开辟了道路，其中具有不同发射器材料和工作波长的多种类型的固体量子光源(包括半导体量子点、缺陷等)可以在同一PMN-PT平台上联合制造。这一潜在的突破可能会在未来显着推进可扩展的量子光子技术。