高速率、定向發射的單光子源器件制造技術

本發明專利技術提供了一種高速率、定向發射的單光子源器件。包括：表面等離激元微腔結構，用于形成表面等離激元微腔；以及設置在表面等離激元微腔內單光子源；表面等離激元微腔結構包括一維金屬納米波導。通過將單光子源置于表面等離激元微腔內，由于表面等離激元微腔與單光子源的相互作用，可以將單光子源所發射出的單光子至少一部分轉化為沿著一維金屬納米波導傳導的表面等離激元，并最終在一維金屬納米波導的端部散射形成定向傳播的單光子束流。采用本發明專利技術的裝置，不僅實現了單光子的定向發射，提高了單光子的收集效率，同時由于表面等離激元的近場增強效應可以極大地增強單光子源感受到的電磁場強度，使得單光子發射速率得到了明顯提高。

【技術實現步驟摘要】
高速率、定向發射的單光子源器件
本專利技術涉及單光子源
，特別是涉及一種高速率、定向發射的單光子源器件。
技術介紹
量子信息科學是量子力學和信息科學技術結合的產物，包括量子密碼、量子通信、量子計算、量子測量等，近年來，在理論和實驗上都已經取得了重要突破。引起各國政府、科技界、信息界的高度關注。無論是量子通信還是量子計算，穩定的、高速率的單光子光源都是必須解決的關鍵設備，是現階段量子信息研究的重要熱點之一，也是必須攻克的難題。單光子源是指在同一時刻僅僅發射一個光子的光源。現有技術中通常利用單個半導體量子點、單個熒光分子或者金剛石中的NV色心等納米光源來產生單光子，其原理均是利用單個電偶極子的躍遷。由于電偶極子發射不具有明顯的方向性，因此如何提高系統對此類納米光源發射出來的光子的收集效率一直都是人們迫切需要解決的難題，同時這些單光子源發射光子時的發射速率較低，也限制了它們的實際應用。
技術實現思路
本專利技術的目的旨在提供一種高速率、定向發射的單光子源器件，能夠使單光子源所發射出的光子高速、定向傳播。為了解決上述問題，根據本專利技術的一個方面，提供了一種高速率、定向發射的單光子源器件，包括：表面等離激元微腔結構，用于形成表面等離激元微腔；以及單光子源，設置在表面等離激元微腔內；表面等離激元微腔結構包括一維金屬納米波導。進一步地，表面等離激元微腔結構還包括一金屬納米顆粒；金屬納米顆粒鄰近一維金屬納米波導設置并與一維金屬納米波導形成所述表面等離激元微腔。進一步地，金屬納米顆粒設置在一維金屬納米波導的側面。進一步地，金屬納米顆粒與一維金屬納米波導的垂直距離為d，其中0＜d≤100nm。進一步地，一維金屬納米波導為納米線或納米溝槽。進一步地，一維金屬納米波導的橫截面為圓形、橢圓形、矩形、V形或Λ形。進一步地，一維金屬納米波導的橫截面為圓形，一維金屬納米波導的橫截面直徑為10～500nm。進一步地，形成一維金屬納米波導和/或金屬納米顆粒的材料選自金、銀、鉑、銅和鋁中的一種或多種。進一步地，金屬納米顆粒的形狀為納米棒、納米球、納米三角板或納米立方體。進一步地，單光子源為單個原子、熒光分子、半導體量子點或金剛石色心。應用本專利技術的技術方案，該單光子源器件由于具有一維金屬納米波導形成的表面等離激元微腔結構，通過將單光子源置于表面等離激元微腔結構所形成的表面等離激元微腔內，通過表面等離激元微腔與單光子源的相互作用，可以將單光子源所發射出的一部分單光子轉化為沿著一維金屬納米波導傳導的表面等離激元，并最終在一維金屬納米波導的端部散射形成定向傳播的單光子束流。采用本專利技術所提供的單光子源器件，不僅實現了單光子的定向發射，提高了光子的收集效率，同時由于表面等離激元的近場增強效應可以極大地增強單光子源感受到的電磁場強度，使得單光子源的單光子發射速率得到了明顯提高，解決了現有技術中由于單光子源發射速率較低實際應用受到限制的問題。根據下文結合附圖對本專利技術具體實施例的詳細描述，本領域技術人員將會更加明了本專利技術的上述以及其他目的、優點和特征。附圖說明后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本專利技術的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。本領域技術人員應該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中：圖1為根據本專利技術一種典型實施例的具有金屬納米線-金屬納米球結構的高速率、定向發射的單光子源器件的使用狀態示意圖。具體實施方式為了解決現有技術中的單光子源發射時由于發射的光子方向定弱不強使得光子的收集效率較低以及由于光子的發射速率較低使其應用受到限制的問題，本專利技術提出了一種高速率、定向發射的單光子源器件。如圖1所示，本專利技術所提供的高速率、定向發射的單光子源器件包括表面等離激元微腔結構以及單光子源。其中，表面等離激元微腔結構用于形成表面等離激元微腔，單光子源設置在表面等離激元微腔內。表面等離激元微腔結構包括一維金屬納米波導。本專利技術的目的在于提供一種含有一維金屬納米波導20的微腔結構，以實現單光子源產生的單光子轉化為納米波導端頭定向發射的高速率單光子束流。在工作時，由于表面等離激元微腔與單光子源的相互作用，單光子源發出的光子的至少一部分轉化為沿著一維金屬納米波導傳導的表面等離激元，表面等離激元傳導至一維金屬納米波導的端部處時被散射成從一維金屬納米波導發射的單光子束流。表面等離激元是金屬表面產生的自由電子和光子相互作用的電磁模式，本專利技術的實現正是創造性地利用了表面等離激元的這一特性。在實際應用中，當光波(電磁波)入射到金屬與介質分界面時，由于金屬表面的自由電子在電磁波的作用下發生集體振蕩，入射的電磁波將局域到金屬的表面實現電磁場的增強，并且這種局域的電磁場可以沿著金屬的表面傳播，這是一種特殊的電磁模式，即表面等離激元現象。本專利技術發現，在金、銀等一維金屬納米波導中，表面等離激元可以實現突破衍射極限的定向傳輸，表面等離激元在納米波導端頭散射出來的光子又具有很強的方向性。同時一維金屬納米波導20結構的表面等離激元可以明顯提高單光子的發射速率。因此，本專利技術將一維金屬納米波導20應用在單光子源器件中，實現了在納米尺度上的高速率、定向發射，拓寬了單光子光源的實際應用。用于形成表面等離激元微腔的表面等離激元微腔結構具有很多種，只要能夠起到定向發射且加速單光子發射速率的作用即可。在本專利技術的一個優選實施例中，表面等離激元微腔結構還包括金屬納米顆粒30。金屬納米顆粒30鄰近一維金屬納米波導20設置并與一維金屬納米波導20形成表面等離激元微腔，該種結構稱之為金屬納米波導-金屬納米顆粒表面等離激元微腔。其中，金屬納米顆粒30可以為一個或多個，當金屬納米顆粒30為多個時，此時可以形成多個表面等離激元微腔，可以將待發射的單光子源置于由金屬納米波導和金屬納米顆粒組成的微腔內。如圖1所示，優選地，金屬納米顆粒30可以設置在一維金屬納米波導20的側面。當金屬納米顆粒30設置在側面時，能夠更好地形成金屬納米波導-金屬納米顆粒表面等離激元微腔。此時，一維金屬納米波導20可以將單光子源產生的單光子更高效率地轉化為一維金屬納米波導20上傳播的表面等離激元并在波導的端部散射，這樣就在一維金屬納米波導20上形成了向兩端高速、定向傳播的單光子束流。本專利技術優選將金屬納米顆粒30設置在一維金屬納米波導20的側面，但并不局限于此，還可以將金屬納米顆粒30設置在一維金屬納米波導20的兩端位置處，此時雖然也能夠實現光子的定向和加速傳播，但是該情況下，一維金屬納米波導20將單光子源產生的單光子轉化為表面等離激元的效率遠不如將金屬納米顆粒30設置在一維金屬納米波導20的側面時轉化效率高。在本專利技術的一種典型實施例中，金屬納米顆粒30與一維金屬納米波導20的垂直距離為d，其中0＜d≤100nm。如果兩者的垂直距離大于100nm，會降低一維金屬納米波導20將單光子轉化為表面等離激元的效率，不利于高速率單光子的產生。在本專利技術的一個優選實施例中，一維金屬納米波導20可以為納米線或納米溝槽。本專利技術優選但并不局限于此，只要能夠起到定向傳導表面等離激元的作用即可。其中，一維金屬納米波導20的橫截面可以為圓形、橢圓形、矩形、V形或Λ形。在本專利技術的一個實施例中，當一維金屬納米波導20的橫截面為圓形，一維金屬本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高速率、定向發射的單光子源器件，包括：表面等離激元微腔結構，用于形成表面等離激元微腔；以及單光子源(10)，設置在所述表面等離激元微腔內；所述表面等離激元微腔結構包括一維金屬納米波導(20)。

【技術特征摘要】
1.一種高速率、定向發射的單光子源器件，包括：表面等離激元微腔結構，用于形成表面等離激元微腔；以及單光子源(10)，設置在所述表面等離激元微腔內；所述表面等離激元微腔結構包括一維金屬納米波導(20)。2.根據權利要求1所述的單光子源器件，其特征在于，所述表面等離激元微腔結構還包括金屬納米顆粒(30)；所述金屬納米顆粒(30)鄰近所述一維金屬納米波導(20)設置并與所述一維金屬納米波導(20)形成所述表面等離激元微腔。3.根據權利要求2所述的單光子源器件，其特征在于，所述金屬納米顆粒(30)設置在所述一維金屬納米波導(20)的側面。4.根據權利要求2所述的單光子源器件，其特征在于，所述金屬納米顆粒與所述一維金屬納米波導(20)的垂直距離為d，其中0＜d≤100nm。5.根據權利要求1所述的單光子源器件，其特征在于，所述一...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏紅，李強，徐紅星，
申請(專利權)人：中國科學院物理研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11