高速率、定向发射的单光子源器件

摘要

本发明提供了一种高速率、定向发射的单光子源器件。包括：表面等离激元微腔结构，用于形成表面等离激元微腔；以及设置在表面等离激元微腔内单光子源；表面等离激元微腔结构包括一维金属纳米波导。通过将单光子源置于表面等离激元微腔内，由于表面等离激元微腔与单光子源的相互作用，可以将单光子源所发射出的单光子至少一部分转化为沿着一维金属纳米波导传导的表面等离激元，并最终在一维金属纳米波导的端部散射形成定向传播的单光子束流。采用本发明的装置，不仅实现了单光子的定向发射，提高了单光子的收集效率，同时由于表面等离激元的近场增强效应可以极大地增强单光子源感受到的电磁场强度，使得单光子发射速率得到了明显提高。

说明书

技术领域

本发明涉及单光子源技术领域，特别是涉及一种高速率、定向发射的单光 子源器件。

背景技术

量子信息科学是量子力学和信息科学技术结合的产物，包括量子密码、量 子通信、量子计算、量子测量等，近年来，在理论和实验上都已经取得了重要 突破。引起各国政府、科技界、信息界的高度关注。无论是量子通信还是量子 计算，稳定的、高速率的单光子光源都是必须解决的关键设备，是现阶段量子 信息研究的重要热点之一，也是必须攻克的难题。

单光子源是指在同一时刻仅仅发射一个光子的光源。现有技术中通常利用 单个半导体量子点、单个荧光分子或者金刚石中的NV色心等纳米光源来产生 单光子，其原理均是利用单个电偶极子的跃迁。由于电偶极子发射不具有明显 的方向性，因此如何提高系统对此类纳米光源发射出来的光子的收集效率一直 都是人们迫切需要解决的难题，同时这些单光子源发射光子时的发射速率较低， 也限制了它们的实际应用。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种高速率、定向发射的单光子源器件，能够使单 光子源所发射出的光子高速、定向传播。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种高速率、定向发 射的单光子源器件，包括：表面等离激元微腔结构，用于形成表面等离激元微 腔；以及单光子源，设置在表面等离激元微腔内；表面等离激元微腔结构包括 一维金属纳米波导。

进一步地，表面等离激元微腔结构还包括一金属纳米颗粒；金属纳米颗粒 邻近一维金属纳米波导设置并与一维金属纳米波导形成所述表面等离激元微 腔。

进一步地，金属纳米颗粒设置在一维金属纳米波导的侧面。

进一步地，金属纳米颗粒与一维金属纳米波导的垂直距离为d，其中0＜ d≤100nm。

进一步地，一维金属纳米波导为纳米线或纳米沟槽。

进一步地，一维金属纳米波导的横截面为圆形、椭圆形、矩形、V形或Λ 形。

进一步地，一维金属纳米波导的横截面为圆形，一维金属纳米波导的横截 面直径为10～500nm。

进一步地，形成一维金属纳米波导和/或金属纳米颗粒的材料选自金、银、 铂、铜和铝中的一种或多种。

进一步地，金属纳米颗粒的形状为纳米棒、纳米球、纳米三角板或纳米立 方体。

进一步地，单光子源为单个原子、荧光分子、半导体量子点或金刚石色心。

应用本发明的技术方案，该单光子源器件由于具有一维金属纳米波导形成 的表面等离激元微腔结构，通过将单光子源置于表面等离激元微腔结构所形成 的表面等离激元微腔内，通过表面等离激元微腔与单光子源的相互作用，可以 将单光子源所发射出的一部分单光子转化为沿着一维金属纳米波导传导的表 面等离激元，并最终在一维金属纳米波导的端部散射形成定向传播的单光子束 流。采用本发明所提供的单光子源器件，不仅实现了单光子的定向发射，提高 了光子的收集效率，同时由于表面等离激元的近场增强效应可以极大地增强单 光子源感受到的电磁场强度，使得单光子源的单光子发射速率得到了明显提高， 解决了现有技术中由于单光子源发射速率较低实际应用受到限制的问题。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会 更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体 实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术 人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为根据本发明一种典型实施例的具有金属纳米线-金属纳米球结构的 高速率、定向发射的单光子源器件的使用状态示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中的单光子源发射时由于发射的光子方向定弱不强使 得光子的收集效率较低以及由于光子的发射速率较低使其应用受到限制的问 题，本发明提出了一种高速率、定向发射的单光子源器件。如图1所示，本发 明所提供的高速率、定向发射的单光子源器件包括表面等离激元微腔结构以及 单光子源。其中，表面等离激元微腔结构用于形成表面等离激元微腔，单光子 源设置在表面等离激元微腔内。表面等离激元微腔结构包括一维金属纳米波导。 本发明的目的在于提供一种含有一维金属纳米波导30的微腔结构，以实现单 光子源产生的单光子转化为纳米波导端头定向发射的高速率单光子束流。

在工作时，由于表面等离激元微腔与单光子源的相互作用，单光子源发出 的光子的至少一部分转化为沿着一维金属纳米波导传导的表面等离激元，表面 等离激元传导至一维金属纳米波导的端部处时被散射成从一维金属纳米波导 发射的单光子束流。

表面等离激元是金属表面产生的自由电子和光子相互作用的电磁模式，本 发明的实现正是创造性地利用了表面等离激元的这一特性。在实际应用中，当 光波(电磁波)入射到金属与介质分界面时，由于金属表面的自由电子在电磁 波的作用下发生集体振荡，入射的电磁波将局域到金属的表面实现电磁场的增 强，并且这种局域的电磁场可以沿着金属的表面传播，这是一种特殊的电磁模 式，即表面等离激元现象。

本发明发现，在金、银等一维金属纳米波导中，表面等离激元可以实现突 破衍射极限的定向传输，表面等离激元在纳米波导端头散射出来的光子又具有 很强的方向性。同时一维金属纳米波导20结构的表面等离激元可以明显提高 单光子的发射速率。因此，本发明将一维金属纳米波导20应用在单光子源器 件中，实现了在纳米尺度上的高速率、定向发射，拓宽了单光子光源的实际应 用。

用于形成表面等离激元微腔的表面等离激元微腔结构具有很多种，只要能 够起到定向发射且加速单光子发射速率的作用即可。在本发明的一个优选实施 例中，表面等离激元微腔结构还包括金属纳米颗粒30。金属纳米颗粒30邻近 一维金属纳米波导20设置并与一维金属纳米波导20形成表面等离激元微腔， 该种结构称之为金属纳米波导-金属纳米颗粒表面等离激元微腔。其中，金属纳 米颗粒30可以为一个或多个，当金属纳米颗粒30为多个时，此时可以形成多 个表面等离激元微腔，可以将待发射的单光子源置于由金属纳米波导和金属纳 米颗粒组成的微腔内。

如图1所示，优选地，金属纳米颗粒30可以设置在一维金属纳米波导20 的侧面。当金属纳米颗粒30设置在侧面时，能够更好地形成金属纳米波导-金 属纳米颗粒表面等离激元微腔。此时，一维金属纳米波导20可以将单光子源 产生的单光子更高效率地转化为一维金属纳米波导20上传播的表面等离激元 并在波导的端部散射，这样就在一维金属纳米波导20上形成了向两端高速、 定向传播的单光子束流。本发明优选将金属纳米颗粒30设置在一维金属纳米 波导20的侧面，但并不局限于此，还可以将金属纳米颗粒30设置在一维金属 纳米波导20的两端位置处，此时虽然也能够实现光子的定向和加速传播，但 是该情况下，一维金属纳米波导20将单光子源产生的单光子转化为表面等离 激元的效率远不如将金属纳米颗粒30设置在一维金属纳米波导20的侧面时转 化效率高。

在本发明的一种典型实施例中，金属纳米颗粒30与一维金属纳米波导20 的垂直距离为d，其中0＜d≤100nm。如果两者的垂直距离大于100nm，会降 低一维金属纳米波导20将单光子转化为表面等离激元的效率，不利于高速率 单光子的产生。

在本发明的一个优选实施例中，一维金属纳米波导20可以为纳米线或纳 米沟槽。本发明优选但并不局限于此，只要能够起到定向传导表面等离激元的 作用即可。其中，一维金属纳米波导20的横截面可以为圆形、椭圆形、矩形、 V形或Λ形。

在本发明的一个实施例中，当一维金属纳米波导20的横截面为圆形，一 维金属纳米波导20的横截面直径为10～500nm。将一维金属纳米波导20的横 截面直径尺寸限定在上述范围内，保证了单光子源产生的单光子具有更高的转 化效率。

在本发明的一个优选实施例中，形成一维金属纳米波导20和/或金属纳米 颗粒30的材料选自金、银、铂、铜和铝中的一种或多种。其中，一维金属纳 米波导20和/或金属纳米颗粒30可以为市售产品，或者通过采用化学方法如气 相沉积法、溶液法等制备而成；或者采用微纳米加工方法如光刻、电子束刻蚀、 聚焦离子束刻蚀或纳米压印等方法制备而成。一般采用微纳米加工方法或机械 操纵方法将金属纳米颗粒30放置在一维金属纳米波导20旁边。

在本发明的一个典型实施例中，可以在一维金属纳米波导20的表面包覆 介质层、聚合物等材料。具体地，金属纳米颗粒30的形状可以为纳米棒、纳 米球、纳米三角板或纳米立方体。本发明优选但并不局限于上述形状，只要能 够与一维金属纳米波导20形成表面等离激元微腔即可。

如图1所示，制备单光子源器件的步骤一般包括：1)通过化学方法或微 纳米加工方法制备一维金属纳米波导20；2)在距离一维金属纳米波导0～100 nm的位置处放置一个金属纳米颗粒30，构成金属纳米波导-金属纳米颗粒表面 等离激元微腔；3)将具有单光子发射特性的纳米光源放置到步骤2)中形成的 金属纳米波导-金属纳米颗粒表面等离激元微腔内；4)激发单光子源。其中， 单光子源10可以为单个原子、荧光分子、半导体量子点或金刚石色心，该单 光子源可以由光激发或电激发，如图1中采用激发光40照射单光子源10使其 发射荧光，激发光40包括连续光或脉冲光。5)单光子源10所发射的荧光一 部分直接辐射到自由空间(图1中的单光子源10处的箭头)，另一部分则转 化为一维金属纳米线传导的表面等离激元(如图1中一维金属纳米线内的曲线 所示)，表面等离激元在传导到一维金属纳米线端部时被散射成定向发射的高 速单光子束流(如图1中一维金属纳米波导20端部的箭头)。

本发明通过一维金属纳米波导20和金属纳米颗粒30组成的表面等离激元 微腔与单光子源的相互作用，将单光子源10所发射出的光子转化为沿着一维 金属纳米波导20传导的表面等离激元，并最终在一维金属纳米波导20端部散 射为定向发射的单光子束流。不仅能够提高单光子的收集效率，提高利用率， 同时表面等离激元微腔的存在也增加了单光子的发射速率。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的 多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本 发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因 此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。