單光子源器件的制備方法
【專利摘要】一種單光子源器件的制備方法，包括如下步驟：步驟1：取一下反射鏡；步驟2：在下反射鏡上制備一層有源層；步驟3：在有源層上制備上反射鏡，形成諧振腔結(jié)構(gòu)，完成制備。本發(fā)明是通過設(shè)計(jì)稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)，并將稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至光學(xué)諧振腔中，以實(shí)現(xiàn)對稀土離子分布在空間上的精確控制，實(shí)現(xiàn)單光子源器件。
【專利說明】單光子源器件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單光子源器件，特別是一種單光子源器件的制備方法。通過設(shè)計(jì)稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)，并將稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至光學(xué)諧振腔中，以實(shí)現(xiàn)對稀土離子分布在空間上的精確控制，實(shí)現(xiàn)單光子源器件。
【背景技術(shù)】
[0002]通信安全自古以來一直受到人們的重視，特別是在軍事領(lǐng)域。當(dāng)今社會，隨著信息化程度的不斷提高，信息安全關(guān)切到每個人的切身利益。對信息加密是保證信息安全的重要方式之一。量子的疊加性、相干性、糾纏性等在信息處理過程中發(fā)揮重要作用，這使量子信息系統(tǒng)能提供更加安全的保密通信系統(tǒng)。量子通信是指利用量子力學(xué)的基本原理或量子特性進(jìn)行的信息傳輸?shù)囊环N通信方式，與傳統(tǒng)的加密方式相比，具有無條件的安全性。量子安全直接通信作為量子通信的一種，無需產(chǎn)生量子密鑰，可以直接安全地傳輸機(jī)密信息，提高了通信效率。量子安全直接通信也是由量子力學(xué)中的不確定性關(guān)系和非克隆定理以及糾纏粒子的關(guān)聯(lián)性和非定域等量子特性來保證，并且其安全性體現(xiàn)在竊聽者得不到任何機(jī)密信息。
[0003]單光子量子通信不僅可以實(shí)現(xiàn)量子安全直接通信，而且可借助現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)，采用能攜帶量子態(tài)的光子來傳遞信息。單光子源是構(gòu)成量子安全直接通信系統(tǒng)中的重要器件。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)單光子源主要有冷原子技術(shù)、色心以及半導(dǎo)體量子點(diǎn)等技術(shù)。這些技術(shù)如冷原子技術(shù)需要昂貴的激光冷卻和俘獲技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；色心單光子光譜展寬很大，光子全同性差；半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子源需要在低于IOK的溫度下工作。因此，研制一種室溫工作的、低成本的單光子源對量子通信系統(tǒng)具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于，通過一種單光子源器件的制備方法，其是通過設(shè)計(jì)稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)，并將稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至光學(xué)諧振腔中，以實(shí)現(xiàn)對稀土離子分布在空間上的精確控制，實(shí)現(xiàn)單光子源器件。
[0005]本發(fā)明提供一種單光子源器件的制備方法，包括如下步驟:
[0006]步驟1:取一下反射鏡；
[0007]步驟2:在下反射鏡上制備一層有源層；
[0008]步驟3:在有源層上制備上反射鏡，形成諧振腔結(jié)構(gòu)，完成制備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2是本發(fā)明的制備方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】[0011]請參閱圖1至圖2所示，本發(fā)明提供一種單光子源器件的制備方法，包括如下步驟:
[0012]步驟1:取一下反射鏡I ;反射鏡為周期性結(jié)構(gòu)，周期數(shù)范圍5-1000，每一周期為:硅和制作在其上的氧化硅，或氟化鈣和制作在其上的氟化鎂，或二氧化鈦和制作在其上的五氧化二鉭。反射鏡I在S1、GaAs、SiO2或Al2O3襯底上制備。
[0013]步驟2:在下反射鏡I上制備一層有源層2 ;有源層2的制備方法包括:將適量具有核殼結(jié)構(gòu)的稀土納米晶均勻分散在溶膠中，通過旋涂及退火的工藝，形成致密的有源層薄膜。其中所述的稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)采用化學(xué)方法或物理法合成，在核的外層，均勻包裹一層殼層，核層和殼層為同種基質(zhì)材料，或是不同基質(zhì)材料，納米晶核殼結(jié)構(gòu)合成之后，納米晶顆粒均勻分散在有機(jī)或無機(jī)溶膠中。核層所包含的稀土元素為Ce、Pr、Nd、Tb、Tm、Er或Yb，或及其組合。稀土納米晶核層基質(zhì)材料為NaYF4、NaGaF4, NaLuF4, CaF2, SrF2, ZnO、TiO2或 SiO2 ;殼層基質(zhì)材料為 NaYF4、NaGaF4, NaLuF4, CaF2, SrF2, ZnO、TiO2 或 Si02。其中稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)中，核的直徑范圍為lnm_6nm,殼的內(nèi)徑為3nm_6nm,殼的外徑為6nm_100nm。
[0014]步驟3:在有源層2上制備上反射鏡3，形成諧振腔結(jié)構(gòu)，完成制備；其中單光子源器件含有高品質(zhì)因子的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)，品質(zhì)因子為10010000000。
[0015]在下文中詳細(xì)地討論本發(fā)明的實(shí)施例，但是本發(fā)明不限制于這些實(shí)施例內(nèi)。
[0016]本發(fā)明提供了一種能發(fā)射1450nm-1600nm波段光子的單光子源器件。器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。器件中的稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)為NaGdF4:Er3+觀aGdF4,該式子表示核層為NaGdF4:Er3+，殼層為NaGdF4。該稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)采用熱分解法制備。通過設(shè)計(jì)NaGdF4:Er3+納米晶核的尺寸和控制Er3+含量，實(shí)現(xiàn)每個納米晶顆粒中僅含有一個Er3+。然后再納米晶核外面包覆一殼層，殼層的內(nèi)徑為3nm-6nm,殼的外徑為6nm-100nm。這樣在較大尺寸的納米晶顆粒中獲得單個Er3+，十分方便后續(xù)工藝操作，使用較低的成本來實(shí)現(xiàn)單光子源器件制備。此外，稀土 Er3+是內(nèi)殼層的能級發(fā)光，與半導(dǎo)體量子點(diǎn)等其它單光子源相比，本發(fā)明所述的單光子源器件光源質(zhì)量很穩(wěn)定，且可以在較高的工作溫度(如液氮)以上工作。具體的實(shí)施過程如下文所述。
[0017]首先，加入適量的十八烯(ODE)和油酸(OA)。ODE和OA的量范圍分別在5ml-1000ml,5ml-1000mL.根據(jù)化學(xué)式配比，稱取反應(yīng)所需的原材料，將這些試劑迅速倒入三口瓶內(nèi)，同時采用磁子攪拌，使試劑混合均勻，全程可通入惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。合成稀土納米晶的溫度范圍在23度至400度之間。納米晶合成之后，進(jìn)行離心，提純操作，得到高純度的納米晶。
[0018]將制備的核納米晶溶解在環(huán)己烷中，超聲后，待用。重復(fù)以上步驟，只是此時反應(yīng)的原材料中不包含Er3+，通過控制反應(yīng)過程的溫度，氣流，試劑的含量，獲得核殼結(jié)構(gòu)為NaGdF4:Er3+iNaGdF4 稀土納米晶。
[0019]稱取適量具有核殼結(jié)構(gòu)的稀土納米晶，將其均勻分散在溶膠中。這里我們選取SiO2的溶膠來分散稀土納米晶。用注射器選取適量(范圍在Iml至IOOml之間)含稀土納米晶的SiO2溶膠，將其旋涂在下反射鏡I的上表面，旋轉(zhuǎn)速度范圍在100轉(zhuǎn)至8000轉(zhuǎn)之間。旋涂之后得到的薄膜，在一定的氣壓范圍內(nèi)，經(jīng)歷低溫，高溫多區(qū)段退火工藝，得到厚度范圍在20nm至500nm之間致密的有源層2薄膜。
[0020]采用光刻，刻蝕等半導(dǎo)體微納加工工藝，獲得含稀土納米晶的器件單元。單元中稀土納米晶的個數(shù)在范圍在I個至100個之間。
[0021]根據(jù)下反射鏡I結(jié)構(gòu)和有源層2薄膜厚度以及折射率，計(jì)算并沉積上反射鏡3結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單光子源器件制備。
[0022]綜上，通過本發(fā)明，在納米晶顆粒中摻入不同種類的稀土離子(鈰)、(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鋱(Tb)、銩(Tm)、鉺(Er)、鐿(Yb))，可以實(shí)現(xiàn)多種波長的單光子源，如850nm波段，1300nm波段，1550nm波段。
[0023]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍有所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種單光子源器件的制備方法，包括如下步驟: 步驟1:取一下反射鏡； 步驟2:在下反射鏡上制備一層有源層； 步驟3:在有源層上制備上反射鏡，形成諧振腔結(jié)構(gòu)，完成制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子源器件的制備方法，其中有源層的制備方法包括: 將適量具有核殼結(jié)構(gòu)的稀土納米晶均勻分散在溶膠中，通過旋涂及退火的工藝，形成致密的有源層薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單光子源器件的制備方法，其中所述的稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)米用化學(xué)方法或物理法合成，在核的外層，均勻包裹一層殼層，核層和殼層為同種基質(zhì)材料，或是不同基質(zhì)材料，納米晶核殼結(jié)構(gòu)合成之后，納米晶顆粒均勻分散在有機(jī)或無機(jī)溶膠中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單光子源器件的制備方法，其中核層所包含的稀土元素為Ce、Pr、Nd、Tb、Tm、Er 或 Yb，或及其組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單光子源器件的制備方法，其中稀土納米晶核層基質(zhì)材料為NaYF4、NaGaF4、NaLuF4、CaF2、SrF2、ZnO、TiO2 或 SiO2 ;殼層基質(zhì)材料為 NaYF4、NaGaF4、NaLuF4、CaF2, SrF2, ZnO、TiO2 或 SiO2。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單光子源器件的制備方法，其中稀土納米晶核殼結(jié)構(gòu)中，核的直徑范圍為lnm-6nm,殼的內(nèi)徑為3nm-6nm,殼的外徑為6nm-100nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子源器件的制備方法，其中單光子源器件含有高品質(zhì)因子的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)，品質(zhì)因子為100-10000000。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子源器件的制備方法，其中下反射鏡I和上反射鏡3分別為周期性的結(jié)構(gòu)，周期數(shù)范圍5-1000，每一周期為:硅和制作在其上的氧化硅，或氟化鈣和制作在其上的氟化鎂，或二氧化鈦和制作在其上的五氧化二鉭。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子源器件的制備方法，其中所述的下反射鏡在S1、GaAs、SiO2或Al2O3襯底上制備。
【文檔編號】B82Y40/00GK103812003SQ201410054031
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】鄭軍, 成步文, 王啟明 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所