高速率、定向發(fā)射的單光子源器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高速率、定向發(fā)射的單光子源器件。包括：表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)，用于形成表面等離激元微腔；以及設(shè)置在表面等離激元微腔內(nèi)單光子源；表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)包括一維金屬納米波導(dǎo)。通過將單光子源置于表面等離激元微腔內(nèi)，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(fā)射出的單光子至少一部分轉(zhuǎn)化為沿著一維金屬納米波導(dǎo)傳導(dǎo)的表面等離激元，并最終在一維金屬納米波導(dǎo)的端部散射形成定向傳播的單光子束流。采用本發(fā)明的裝置，不僅實(shí)現(xiàn)了單光子的定向發(fā)射，提高了單光子的收集效率，同時(shí)由于表面等離激元的近場增強(qiáng)效應(yīng)可以極大地增強(qiáng)單光子源感受到的電磁場強(qiáng)度，使得單光子發(fā)射速率得到了明顯提高。
【專利說明】高速率、定向發(fā)射的單光子源器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單光子源【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種高速率、定向發(fā)射的單光子源器件。
【背景技術(shù)】
[0002]量子信息科學(xué)是量子力學(xué)和信息科學(xué)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，包括量子密碼、量子通信、量子計(jì)算、量子測量等，近年來，在理論和實(shí)驗(yàn)上都已經(jīng)取得了重要突破。引起各國政府、科技界、信息界的高度關(guān)注。無論是量子通信還是量子計(jì)算，穩(wěn)定的、高速率的單光子光源都是必須解決的關(guān)鍵設(shè)備，是現(xiàn)階段量子信息研究的重要熱點(diǎn)之一，也是必須攻克的難題。
[0003]單光子源是指在同一時(shí)刻僅僅發(fā)射一個(gè)光子的光源。現(xiàn)有技術(shù)中通常利用單個(gè)半導(dǎo)體量子點(diǎn)、單個(gè)熒光分子或者金剛石中的NV色心等納米光源來產(chǎn)生單光子，其原理均是利用單個(gè)電偶極子的躍遷。由于電偶極子發(fā)射不具有明顯的方向性，因此如何提高系統(tǒng)對此類納米光源發(fā)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(shí)這些單光子源發(fā)射光子時(shí)的發(fā)射速率較低，也限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的旨在提供一種高速率、定向發(fā)射的單光子源器件，能夠使單光子源所發(fā)射出的光子高速、定向傳播。
[0005]為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種高速率、定向發(fā)射的單光子源器件，包括:表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)，用于形成表面等離激元微腔；以及單光子源，設(shè)置在表面等離激元微腔內(nèi)；表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)包括一維金屬納米波導(dǎo)。
[0006]進(jìn)一步地,表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)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(dǎo)設(shè)置并與一維金屬納米波導(dǎo)形成所述表面等離激元微腔。
[0007]進(jìn)一步地，金屬納米顆粒設(shè)置在一維金屬納米波導(dǎo)的側(cè)面。
[0008]進(jìn)一步地，金屬納米顆粒與一維金屬納米波導(dǎo)的垂直距離為d,其中O< d ^ lOOnm。
[0009]進(jìn)一步地，一維金屬納米波導(dǎo)為納米線或納米溝槽。
[0010]進(jìn)一步地，一維金屬納米波導(dǎo)的橫截面為圓形、橢圓形、矩形、V形或Λ形。
[0011]進(jìn)一步地，一維金屬納米波導(dǎo)的橫截面為圓形，一維金屬納米波導(dǎo)的橫截面直徑為 10 ~500nm。
[0012]進(jìn)一步地，形成一維金屬納米波導(dǎo)和/或金屬納米顆粒的材料選自金、銀、鉬、銅和招中的一種或多種。
[0013]進(jìn)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。
[0014]進(jìn)一步地，單光子源為單個(gè)原子、熒光分子、半導(dǎo)體量子點(diǎn)或金剛石色心。
[0015]應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，該單光子源器件由于具有一維金屬納米波導(dǎo)形成的表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)，通過將單光子源置于表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)所形成的表面等離激元微腔內(nèi)，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(fā)射出的一部分單光子轉(zhuǎn)化為沿著一維金屬納米波導(dǎo)傳導(dǎo)的表面等離激元，并最終在一維金屬納米波導(dǎo)的端部散射形成定向傳播的單光子束流。采用本發(fā)明所提供的單光子源器件，不僅實(shí)現(xiàn)了單光子的定向發(fā)射，提高了光子的收集效率，同時(shí)由于表面等離激元的近場增強(qiáng)效應(yīng)可以極大地增強(qiáng)單光子源感受到的電磁場強(qiáng)度，使得單光子源的單光子發(fā)射速率得到了明顯提高，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于單光子源發(fā)射速率較低實(shí)際應(yīng)用受到限制的問題。
[0016]根據(jù)下文結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:
[0018]圖1為根據(jù)本發(fā)明一種典型實(shí)施例的具有金屬納米線-金屬納米球結(jié)構(gòu)的高速率、定向發(fā)射的單光子源器件的使用狀態(tài)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的單光子源發(fā)射時(shí)由于發(fā)射的光子方向定弱不強(qiáng)使得光子的收集效率較低以及由于光子的發(fā)射速率較低使其應(yīng)用受到限制的問題，本發(fā)明提出了一種高速率、定向發(fā)射的單光子源器件。如圖1所示，本發(fā)明所提供的高速率、定向發(fā)射的單光子源器件包括表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)以及單光子源。其中，表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)用于形成表面等離激元微腔，單光子源設(shè)置在表面等離激元微腔內(nèi)。表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)包括一維金屬納米波導(dǎo)。本發(fā)明的目的在于提供一種含有一維金屬納米波導(dǎo)30的微腔結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)單光子源產(chǎn)生的單光子轉(zhuǎn)化為納米波導(dǎo)端頭定向發(fā)射的高速率單光子束流。
[0020]在工作時(shí)，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(fā)出的光子的至少一部分轉(zhuǎn)化為沿著一維金屬納米波導(dǎo)傳導(dǎo)的表面等離激元，表面等離激元傳導(dǎo)至一維金屬納米波導(dǎo)的端部處時(shí)被散射成從一維金屬納米波導(dǎo)發(fā)射的單光子束流。
[0021]表面等離激元是金屬表面產(chǎn)生的自由電子和光子相互作用的電磁模式，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)正是創(chuàng)造性地利用了表面等離激元的這一特性。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)光波(電磁波)入射到金屬與介質(zhì)分界面時(shí)，由于金屬表面的自由電子在電磁波的作用下發(fā)生集體振蕩，入射的電磁波將局域到金屬的表面實(shí)現(xiàn)電磁場的增強(qiáng)，并且這種局域的電磁場可以沿著金屬的表面?zhèn)鞑?，這是一種特殊的電磁模式，即表面等離激元現(xiàn)象。
[0022]本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，在金、銀等一維金屬納米波導(dǎo)中，表面等離激元可以實(shí)現(xiàn)突破衍射極限的定向傳輸，表面等離激元在納米波導(dǎo)端頭散射出來的光子又具有很強(qiáng)的方向性。同時(shí)一維金屬納米波導(dǎo)20結(jié)構(gòu)的表面等離激元可以明顯提高單光子的發(fā)射速率。因此，本發(fā)明將一維金屬納米波導(dǎo)20應(yīng)用在單光子源器件中，實(shí)現(xiàn)了在納米尺度上的高速率、定向發(fā)射，拓寬了單光子光源的實(shí)際應(yīng)用。
[0023]用于形成表面等離激元微腔的表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)具有很多種，只要能夠起到定向發(fā)射且加速單光子發(fā)射速率的作用即可。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)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(dǎo)20設(shè)置并與一維金屬納米波導(dǎo)20形成表面等離激元微腔，該種結(jié)構(gòu)稱之為金屬納米波導(dǎo)-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(gè)或多個(gè)，當(dāng)金屬納米顆粒30為多個(gè)時(shí)，此時(shí)可以形成多個(gè)表面等離激元微腔，可以將待發(fā)射的單光子源置于由金屬納米波導(dǎo)和金屬納米顆粒組成的微腔內(nèi)。
[0024]如圖1所示，優(yōu)選地，金屬納米顆粒30可以設(shè)置在一維金屬納米波導(dǎo)20的側(cè)面。當(dāng)金屬納米顆粒30設(shè)置在側(cè)面時(shí)，能夠更好地形成金屬納米波導(dǎo)-金屬納米顆粒表面等離激元微腔。此時(shí)，一維金屬納米波導(dǎo)20可以將單光子源產(chǎn)生的單光子更高效率地轉(zhuǎn)化為一維金屬納米波導(dǎo)20上傳播的表面等離激元并在波導(dǎo)的端部散射，這樣就在一維金屬納米波導(dǎo)20上形成了向兩端高速、定向傳播的單光子束流。本發(fā)明優(yōu)選將金屬納米顆粒30設(shè)置在一維 金屬納米波導(dǎo)20的側(cè)面，但并不局限于此，還可以將金屬納米顆粒30設(shè)置在一維金屬納米波導(dǎo)20的兩端位置處，此時(shí)雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)光子的定向和加速傳播，但是該情況下，一維金屬納米波導(dǎo)20將單光子源產(chǎn)生的單光子轉(zhuǎn)化為表面等離激元的效率遠(yuǎn)不如將金屬納米顆粒30設(shè)置在一維金屬納米波導(dǎo)20的側(cè)面時(shí)轉(zhuǎn)化效率高。
[0025]在本發(fā)明的一種典型實(shí)施例中，金屬納米顆粒30與一維金屬納米波導(dǎo)20的垂直距離為d，其中O < d≤lOOnm。如果兩者的垂直距離大于lOOnm，會降低一維金屬納米波導(dǎo)20將單光子轉(zhuǎn)化為表面等離激元的效率，不利于高速率單光子的產(chǎn)生。
[0026]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一維金屬納米波導(dǎo)20可以為納米線或納米溝槽。本發(fā)明優(yōu)選但并不局限于此，只要能夠起到定向傳導(dǎo)表面等離激元的作用即可。其中，一維金屬納米波導(dǎo)20的橫截面可以為圓形、橢圓形、矩形、V形或Λ形。
[0027]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)一維金屬納米波導(dǎo)20的橫截面為圓形，一維金屬納米波導(dǎo)20的橫截面直徑為10~500nm。將一維金屬納米波導(dǎo)20的橫截面直徑尺寸限定在上述范圍內(nèi)，保證了單光子源產(chǎn)生的單光子具有更高的轉(zhuǎn)化效率。
[0028]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，形成一維金屬納米波導(dǎo)20和/或金屬納米顆粒30的材料選自金、銀、鉬、銅和鋁中的一種或多種。其中，一維金屬納米波導(dǎo)20和/或金屬納米顆粒30可以為市售產(chǎn)品，或者通過采用化學(xué)方法如氣相沉積法、溶液法等制備而成；或者采用微納米加工方法如光刻、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕或納米壓印等方法制備而成。一般采用微納米加工方法或機(jī)械操縱方法將金屬納米顆粒30放置在一維金屬納米波導(dǎo)20旁邊。
[0029]在本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例中，可以在一維金屬納米波導(dǎo)20的表面包覆介質(zhì)層、聚合物等材料。具體地，金屬納米顆粒30的形狀可以為納米棒、納米球、納米三角板或納米立方體。本發(fā)明優(yōu)選但并不局限于上述形狀，只要能夠與一維金屬納米波導(dǎo)20形成表面等離激元微腔即可。
[0030]如圖1所示，制備單光子源器件的步驟一般包括:1)通過化學(xué)方法或微納米加工方法制備一維金屬納米波導(dǎo)20 ；2)在距離一維金屬納米波導(dǎo)O~IOOnm的位置處放置一個(gè)金屬納米顆粒30，構(gòu)成金屬納米波導(dǎo)-金屬納米顆粒表面等離激元微腔；3)將具有單光子發(fā)射特性的納米光源放置到步驟2)中形成的金屬納米波導(dǎo)-金屬納米顆粒表面等離激元微腔內(nèi)；4)激發(fā)單光子源。其中，單光子源10可以為單個(gè)原子、熒光分子、半導(dǎo)體量子點(diǎn)或金剛石色心，該單光子源可以由光激發(fā)或電激發(fā)，如圖1中采用激發(fā)光40照射單光子源10使其發(fā)射熒光，激發(fā)光40包括連續(xù)光或脈沖光。5)單光子源10所發(fā)射的熒光一部分直接輻射到自由空間(圖1中的單光子源10處的箭頭)，另一部分則轉(zhuǎn)化為一維金屬納米線傳導(dǎo)的表面等離激元(如圖1中一維金屬納米線內(nèi)的曲線所示)，表面等離激元在傳導(dǎo)到一維金屬納米線端部時(shí)被散射成定向發(fā)射的高速單光子束流(如圖1中一維金屬納米波導(dǎo)20端部的箭頭)。
[0031]本發(fā)明通過一維金屬納米波導(dǎo)20和金屬納米顆粒30組成的表面等離激元微腔與單光子源的相互作用，將單光子源10所發(fā)射出的光子轉(zhuǎn)化為沿著一維金屬納米波導(dǎo)20傳導(dǎo)的表面等離激元，并最終在一維金屬納米波導(dǎo)20端部散射為定向發(fā)射的單光子束流。不僅能夠提高單光子的收集效率，提高利用率，同時(shí)表面等離激元微腔的存在也增加了單光子的發(fā)射速率。
[0032]至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發(fā)明的多個(gè)示例性實(shí)施例，但是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本發(fā)明原理的許多其他變型或修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。
【權(quán)利要求】
1.一種高速率、定向發(fā)射的單光子源器件，包括: 表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)，用于形成表面等離激元微腔；以及 單光子源(10)，設(shè)置在所述表面等離激元微腔內(nèi)； 所述表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)包括一維金屬納米波導(dǎo)(20)。
2.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)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(dǎo)(20)設(shè)置并與所述一維金屬納米波導(dǎo)(20)形成所述表面等離激元微腔。
3.根據(jù)權(quán)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(shè)置在所述一維金屬納米波導(dǎo)(20)的側(cè)面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3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(dǎo)(20)的垂直距離為d，其中O < d≤lOOnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的單光子源器件，其特征在于，所述一維金屬納米波導(dǎo)(20)為納米線或納米溝槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的單光子源器件，其特征在于，所述一維金屬納米波導(dǎo)(20)的橫截面為圓形、橢圓形、矩形、V形或Λ形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的單光子源器件，其特征在于，當(dāng)所述一維金屬納米波導(dǎo)(20)的橫截面為圓形，所述一維金屬納米波導(dǎo)(20)的橫截面直徑為10~500nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的單光子源器件，其特征在于，形成所述一維金屬納米波導(dǎo)(20)和/或所述金屬納米顆粒(30)的材料選自金、銀、鉬、銅和鋁中的一種或多種。
9.根據(jù)權(quán)利要求2-8中任一項(xiàng)所述的單光子源器件，其特征在于，所述金屬納米顆粒(30)的形狀為納米棒、納米球、納米三角板或納米立方體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的單光子源器件，其特征在于，所述單光子源(10)為單個(gè)原子、熒光分子、半導(dǎo)體量子點(diǎn)或金剛石色心。
【文檔編號】H01L33/04GK104009137SQ201410240989
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】魏紅, 李強(qiáng), 徐紅星 申請人:中國科學(xué)院物理研究所