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高性能單光子源及其量子光學(xué)性質(zhì)

發(fā)布時(shí)間:2020-12-04 06:22
  本論文基于微柱腔結(jié)構(gòu)的自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn),研究并討論了高性能單光子源和接近Fourier變換極限的單光子。此外,我們還研究并討論了太陽光與量子點(diǎn)共振熒光之間的量子干涉等課題;谖⒅唤Y(jié)構(gòu)的量子點(diǎn),我們實(shí)現(xiàn)了國際綜合性能最優(yōu)的單光子源。理想的單光子源必須是按需發(fā)射的并且同時(shí)滿足高提取效率、高單光子性和高光子全同性三大核心指標(biāo),而此前這三個(gè)指標(biāo)并沒有在單個(gè)器件上同時(shí)滿足。我們通過分子束外延生長和光學(xué)刻蝕工藝相結(jié)合,獲得了高品質(zhì)、可調(diào)諧、與量子點(diǎn)頻率共振的光學(xué)微腔。通過脈沖共振熒光和Purcell增強(qiáng)技術(shù),實(shí)驗(yàn)上獲得了Purcell因子達(dá)到6.2(1)、提取效率達(dá)到~66%、單光子性達(dá)到99.1(1)%、光子全同性達(dá)到98.5(4)%的“三項(xiàng)全能”單光子源。緊接著,我們又進(jìn)一步證明了這樣的單光子源能夠產(chǎn)生接近Fourier變換極限的單光子,單光子之間的高光子全同性可以維持14.73μs以上,可支持>1 000個(gè)光子的光學(xué)量子信息研究。該單光子源的亮度與國際上最好的基于參量下轉(zhuǎn)換的單光子源相比提高了~10倍,并且所需要的泵浦激光功率更低,僅為納瓦級別。我們演示了太陽光與量子點(diǎn)共振熒光之... 

【文章來源】:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】:120 頁

【學(xué)位級別】:博士

【部分圖文】:

高性能單光子源及其量子光學(xué)性質(zhì)


圖1.2三種典型的光子數(shù)統(tǒng)計(jì)隨時(shí)間分布??"

關(guān)聯(lián)函數(shù),光子,分束器


于和#/2,導(dǎo)致P2??巧,從而得到像量子密鑰分發(fā)使用的衰??減激光這樣的準(zhǔn)單光子源。像普通的白熾燈、太陽光、LED等光源,光子數(shù)分布??滿足熱光場分布形式,即??(M5)??光子數(shù)漲落滿足An?=?+護(hù)>?\^,光子更傾向于聚集在一起,這種分布稱為??“超Poisson分布”,對應(yīng)的光子呈現(xiàn)“聚束”效應(yīng)。像單光子源這樣的量子光場,??光子數(shù)漲落應(yīng)當(dāng)滿足A??<?這樣的“亞Poisson分布”,光子呈現(xiàn)“反聚束”??效應(yīng),光子之間趨向于遠(yuǎn)離彼此。??符合測量??n??^??圖1.3用于測量二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的HBT裝置??實(shí)驗(yàn)中,常用如圖1.3所示的HBT裝置測量#2)〇:),該裝置于1956年由??HanburyBrown和Twiss提出I49];驹硎峭ㄟ^分束器將光路一分為二,在兩??路探測光子到達(dá)的時(shí)間,再對兩路的時(shí)間差作出統(tǒng)計(jì),便會(huì)發(fā)生HBT效應(yīng)。對??于理想的單光子源,由于光子不能分割,就無法兩路同時(shí)探測到光子,HBT效??應(yīng)表現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在特定的時(shí)刻出現(xiàn)凹陷。??評判單光子源性能的另一指標(biāo)是光子全同性。當(dāng)一個(gè)光子經(jīng)過分束器,對應(yīng)??的反射率和透射率分別為和r;當(dāng)兩個(gè)全同光子同時(shí)從分束器兩端入射,就??可能出現(xiàn)如圖1.4所示的四種情況。當(dāng)光子在分束器上發(fā)生反射,會(huì)引入:t/2的??相位;透射時(shí)則不會(huì)。分束器有A、B兩個(gè)入射端和C、D兩個(gè)出射端,^表示??對應(yīng)端口的產(chǎn)生算符,對初始態(tài)IU15〉,經(jīng)過分束器之后有??=?a\a\?|Q)?=?(i\/^4?+?Vra^xVTal?+?iVRal)?|Q)??=(wfRTa^?-?Ra'ca〇?+?+?iy/TRa^)?|a)?(1.16)??=i\/^(|

反射鏡,量子點(diǎn)


?第2章量子點(diǎn)單光子源???⑷?:,?(b)???........?............?.?#?...??....??...?.....?.#?泛??GaAs???■■■???■????<>????^?Z\〇nin??圖2.1⑷InAs/GaAs材料的晶格失配;(b)?InAs/GaAs量子點(diǎn)的尺寸。??徑的顯微物鏡聚焦成接近衍射極限的光斑(直徑?1pm),如果有多個(gè)量子點(diǎn)同??時(shí)被激發(fā),產(chǎn)生的熒光將不再滿足單光子條件。為了確保光斑范圍內(nèi)僅有一個(gè)量??子點(diǎn),通常采用梯度生長模式來實(shí)現(xiàn)。MBE過程一般包括GaAs襯底和InAs噴射??源,在噴射InAs分子束時(shí),靠近噴射源的區(qū)域富集到的InAs較多,形成的量子點(diǎn)??密度也較高(?100pnT2);遠(yuǎn)離噴射源的區(qū)域,量子點(diǎn)密度就較低(?0.1?ptiT2)。??在實(shí)驗(yàn)過程中,我們尋找密度合適的區(qū)域進(jìn)行研宄。??為了提高單光子的亮度,可以通過MBE技術(shù)將量子點(diǎn)生長到周期性結(jié)構(gòu)中。??圖2.2所示的一維周期性結(jié)構(gòu)稱為“分布式Bragg反射鏡”(DBR),是若干對交??替生長的AlAs/GaAs層結(jié)構(gòu)。兩種材料有著不同的折射率(GaAs折射率較高),??每一層厚度為A/4,?A是微腔共振波長。許多組交替生長的AlAs/GaAs結(jié)構(gòu),相??當(dāng)于高反射率的反射鏡。對于無任何結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn),產(chǎn)生的熒光沿如空間角傳??播,由于量子點(diǎn)處于高折射率的材料中,能從上方射出材料并被物鏡收集到的熒??光就很少。通過在量子點(diǎn)上下方都生長DBR,其中下方的DBR層數(shù)更多,反射??率也就更高。這樣就使得原來射向下方的熒光從上方出射,收集效率可提高一??倍。另外上下兩組DBR又形成了平面

【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[1]單光子源及在量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 段兆晨,李金朋,何玉明.  低溫物理學(xué)報(bào). 2018(05)



本文編號:2897149

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