基于半导体量子点的片上手性纳米光子器件

手性量子光学在量子信息技术研究领域中受到了广泛的关注,其主要研究光在微纳结构中自旋依赖的手性耦合及传输行为。利用手性光与物质的相互作用可以增强光子与量子发射器的耦合,赋予纳米光子器件新的功能和应用,从而推动手性量子光学在量子信息领域中的大规模应用。主要对基于半导体量子点的片上手性纳米光子器件进行了综述,重点讨论了半导体量子点的光学性质和手性光与物质相互作用的物理机制,在此基础上对近年来应用手性耦合原理实现的多功能手性光子器件进行了总结,并对手性量子光学的未来应用场景进行了展望。     

微纳尺度腔量子电动力学

腔量子电动力学是在单量子层次上研究光和物质相互作用,在光和原子的强弱耦合、量子相干以及量子信息等方面取得了巨大的成功。通过局域场增强效应,微纳光子结构可以极大地提高光和量子体系的耦合强度,给传统腔量子电动力学带来了新的研究机遇。文章综述了微纳尺度腔量子电动力学的基本原理、重要进展以及可能的应用,特别是在基于金属微纳结构的复合体系中的量子光学效应。这些研究工作不但丰富了光和物质相互作用的内容,还将为芯片上量子信息过程及其可扩展量子网络提供一定的基础。     

量子点操控的光子探测和圆偏振光子发射

半导体量子点是研究光子与电子态相互作用的优选固态体系,并在光子探测和发射两个方向上展现出独特的技术机遇.其中基于量子点的共振隧穿结构被认为在单光子探测方面综合性能最佳,但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约.利用腔模激子态外场耦合效应,有望获得圆偏振态可控的高频单光子发射.本文介绍作者提出的量子点耦合共振隧穿（QD-cRTD）的光子探测机理,利用量子点量子阱复合电子态的隧穿放大,将QD-cRTD光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件,光电响应的增益达到10⁷以上,并具备双光子识别能力;同时,由量子点能级的直接吸收,原型器件获得了近红外的光子响应.在量子点光子发射机理的研究方面,作者实现了量子点激子跃迁和微腔腔模共振耦合的磁场调控,在Purcell效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率,从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度,圆偏度达到90%以上,形成一种光子自旋可控发射的新途径.     

微腔增强发射的半导体量子点单光子源

单光子源是实现量子密匙分配、线性光学量子计算的基本单元。作者回顾了单光子源在量子信息科学发展中的作用,讨论了光子的统计特性,分析了具有类似原子二能级结构的半导体量子点作为单光子发射源的特点,介绍了微腔与二能级系统的耦合以及微腔量子电动力学基本原理。在弱耦合区,Purcell效应导致微腔中量子点激子复合寿命降低,因此可用微腔来改善量子点单光子发射效率。文章总结了近年来在半导体微腔增强量子点单光子发射领域的进展,探讨了分布式布拉格反射微腔、柱状微腔和光子晶体微腔等结构对改善半导体量子点单光子发射和收集效率、光子极化以及光子全同性等方面的作用,并对未来半导体量子点单光子源的发展进行了展望。     

基于光子晶体微腔的回波光量子存储

充分发掘量子计算机的应用潜力需要将大量分立的量子节点连接起来,组建一个与互联网类似的全量子网络.高性能的可集成光量子存储器是解决不同量子节点间信号同步问题的核心器件,直接关系到量子网络的实现规模和整体性能.然而,目前的微纳量子存储器还存在可集成性和存储性能难以兼容的问题,还不能满足构建全量子网络的需求.本文提出在掺铒硅材料上设计通信波段的光子晶体微腔,不仅可利用光学微腔的角动量共振模式来实现基于光子回波的量子存储,还可利用光学微腔来增强光和物质相互作用,有望实现高存储效率的可集成量子存储器.     

单量子点光谱与激子动力学研究进展

胶体半导体量子点具有宽带吸收、窄带发射、发光量子产率高、发射波长连续可调等优点,是制备发光二极管、太阳能电池、探测器、激光器等光电器件的优质材料.单量子点光谱能够消除系综平均效应,可以在单粒子水平上获取量子点材料的结构和动力学信息及与其他材料间的电荷、能量转移动力学等.相关研究结果能够指引量子点材料的设计和为量子点的相关应用提供机理基础.另外基于单量子点可以开展纳米尺度上光与物质的相互作用研究,制备单光子源和纠缠光子源等.本文综述了单量子点光谱与激子动力学近期的相关研究进展,主要包括单量子点的光致发光闪烁特性和调控方式、单激子和多激子动力学研究及双激子辐射特性的调控等.最后简要地讨论了单量子点光谱未来可能的发展趋势.     

偶极子位置及偏振对激发光子晶体H1微腔的影响

光子晶体微腔和量子点的集成是实现量子信息处理非常具有潜力的平台之一,利用微腔和量子点的耦合可以制备纠缠光子对,实现对量子态的操控.因为光子晶体微腔具有品质因子高、模场体积小等优点,可以极大地增强光与物质之间的相互作用,从而易于实现量子态在不同物理体系之间的转换.通过单量子点和光子晶体H1微腔的耦合可以产生纠缠光子对,因为H1微腔具有简并的、模式偏振正交的基态模式.通常微腔模式的激发随着量子点在微腔中的位置变化而改变,本文用时域有限差分方法研究了偶极子光源的位置及偏振对激发光子晶体H1微腔模式的影响.结果表明:通过改变偶极子光源位置可以选择性地激发H1微腔简并模式中的一个;具有某一偏振的偶极子光源只能激发相应偏振的微腔模式;模式激发强度的大小也是由偶极子光源在微腔中的位置决定的.鉴于目前量子点在微腔中的位置尚不能精确控制,所以微腔模式受激发光源位置的影响的研究具有重要意义.     

单量子点的发光与应用EI北大核心CSCD

由于量子限制效应,自组装半导体单量子点具有类似于原子的分立能级,可实现高不可分辨、高亮度和高纯度的单光子发射,其多种激子态能够产生不同偏振模式的光子。而光学微纳结构是调控量子点发光性质的有效手段,当单个量子点与光学微腔发生弱耦合时,Purcell效应将大大提高量子点作为单光子源或纠缠光子对源的性能。同时,量子点与光学微腔的强耦合系统可以作为量子光学网络中的量子节点,以及用于研究单光子水平的光学非线性效应。利用量子点与光学波导的耦合可实现固态量子比特和飞行光子比特的相干转换,以及高效的信息处理与传输,由此构建可靠的片上光学网络。此外,单量子点还具有可操控的自旋态,可作为量子比特的载体。考虑到量子点器件的制备过程易与成熟的半导体技术相结合,基于量子点的器件设计具有良好的可扩展性和集成化潜力。     

双色量子阱红外探测器顶部光子晶体耦合层的设计优化

采用三维时域有限差分算法(3D-FDTD)对GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器(QWIP)的顶部光子晶体光输入耦合层结构的电磁场分布进行了仿真分析,得到了多种不同周期、占空比、深度的二维光子晶体结构耦合效率及电磁场分布.探索了一种双色探测器的光子晶体光输入耦合层结构的设计思路,使之可对中波/长波或长波双色8/12 μm同时提供较高的耦合效率. 关键词： 红外探测器 量子阱 光子晶体     

纯消相干对量子点-微腔激射性质的影响

应用量子主方程理论研究量子点-微腔耦合系统的激射性质.分别探索了不同类型的微腔耦合系统("好的系统"、"中等系统")在外加泵浦场的作用下表现出的激射现象.分析比较了失谐大小及环境纯消相干对这两种微腔耦合系统的内部特性(光场分布、腔内光子数等)产生的影响.数值仿真表明:对于"好的系统",在失谐量不大的情况下,引入适当的纯消相干有利于提高耦合系统的激射性能;对于"中等系统",由于失谐条件下光子在腔内集聚困难,因而很难达到激射,但是通过引入适量的纯消相干可以对腔内光场分布和光子数产生剧烈调制作用.该结果对于研究单量子点激光器,以及探索光与物质相互作用等方面具有指导作用.     

基于硅基光子器件的Fano共振研究进展

硅基光子技术的发展为新型微纳光学功能器件和片上系统提供了高可靠、高精度的实现手段.采用硅基光子技术构建的具有连续(准连续)模式微腔与离散模式的微腔耦合产生的Fano共振现象得到了广泛关注.Fano共振光谱在共振波长附近具有不对称且尖锐的谐振峰,传输光的强度在共振波长附近从0突变为1,该机制可显著提高硅基光开关、探测器、传感器,以及光非互易性全光信号处理的性能.本综述分析了Fano共振的一般数学表述,总结了当前硅基光子微腔耦合产生Fano共振的理论模型研究现状,讨论了不同类型硅光器件实现Fano共振的方法,比较各种方案优劣及适用场合,梳理了Fano共振在全光信号处理方面的应用研究情况.最后探讨存在的一些问题及未来可能的相关研究方向.     

光子晶体器件进展

光子晶体对光具有独特的局域、反射、传导、分束、耦合、调制、慢光等操纵能力,使其成为微/纳光电集成的重要材料之一。介绍了光子晶体的几种重要物理特性——带隙特性、慢光特性、自准直和负折射特性,叙述了光子晶体集成器件方面所取得的最新进展,对光子晶体器件的发展动向做了展望。     

激子自旋弛豫对简并量子点发射光子对纠缠度的影响

利用粒子数运动方程和量子回归理论，计算了单个半导体量子点双激子体系脉冲激发下粒子在各能级间辐射跃迁的二阶交叉相关函数以及系统发射光子对的偏振密度矩阵.分析了激子态能级简并量子点体系发射光子对偏振纠缠特性，讨论了纠缠度随激子态间自旋弛豫的变化关系.研究表明，激子自旋弛豫会破坏该系统发射光子对的纠缠度. 关键词： 纠缠光子对 半导体量子点 二阶相关函数     

微腔极化激元三十年：历史、现状与展望

微腔激子极化激元是激子和微腔光子形成的叠加态,是一种兼具光与物质双重属性的准粒子,在基础物理研究和未来光子芯片应用方面具有重要的价值。从1992年首次实验观测到微腔极化激元至今已有整整30年。文章回顾这30年来微腔激子极化激元领域的发展历史与重要成果,并对未来的研究方向做了展望。将重点介绍微腔激子极化激元的概念、形成过程及其玻色—爱因斯坦凝聚的原理,简述以此为基础的极化激元光流体、物态调控及量子效应。     

量子点单光子源的光纤耦合

半导体量子点在低温下产生谱线细锐的激子发光可制备单光子源.光纤耦合可避免低温共聚焦装置扫描定位和振动影响,是实现单光子源即插即用和组件化的关键技术.在耦合工艺上,基于微区定位标记发展出拉锥光纤与光子晶体腔或波导侧向耦合、大数值孔径锥形端面光纤与量子点样片垂直耦合等技术;然而,上述工艺需要多维度精密调节以避免柔软光纤的畸形弯曲实现对准和高效耦合.陶瓷插针或石英V槽封装的光纤无弯曲且具有大平滑端面,只要与单量子点样片对准贴合就可保证垂直收光, V槽封装的排式光纤还可通过盲对粘合避免扫描对准,耦合简单.本文在前期排式光纤粘合少对数分布Bragg反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)微柱样片实现单光子输出基础上,经理论模拟采用多对数DBR腔提升样片垂直出光和光纤收光效率,使光纤输出单光子计数率大大提升.     

非周期微纳结构增强有机发光二极管光耦合输出的研究进展

有机发光二极管（OLED）具有功耗低、重量轻、色域宽、响应时间快及对比度高等优点,在全彩平板显示和固态照明等领域均显现出巨大的应用潜力,受到人们的广泛关注.然而,较低的光输出效率使得器件的外量子效率远低于内量子效率,这严重制约了OLED器件的发展和应用.因此如何提高OLED器件的光耦合输出效率已成为备受关注的研究课题.本文主要介绍了采用非周期微纳结构提高OLED器件光耦合输出效率的最新研究进展,对随机微纳透镜结构、光散射介质层、聚合物多孔散射薄膜、随机凹凸波纹结构及随机褶皱结构等多种对器件亮度分布和光谱稳定性无明显影响的光耦合输出技术进行了总结和讨论.最后,对提高OLED器件光耦合输出研究做了总结和展望.     

铅卤钙钛矿法布里-帕罗谐振腔激光器

随着后摩尔时代的到来,对大容量、高速度信息处理的需求使得半导体器件应用由电子集成转向光子集成,高性能微纳激光器是实现光子集成的重要环节.种类丰富的半导体材料促进了半导体微纳激光器的快速发展,近年来,随着大量新型半导体材料(如二维半导体、铅卤钙钛矿等)的涌现,有望实现半导体微纳激光器性能的进一步提升.由于钙钛矿材料具有高光吸收、缺陷高容忍、激子结合能大等优异光学性质,使其成为高增益、低阈值半导体微纳激光器的优秀候选材料.法布里-珀罗(F-P)谐振腔激光器是钙钛矿激光器中研究广泛、结构简单、应用价值较高的一类激光器.本文以铅卤钙钛矿F-P谐振腔激光器为例,对其工作机理以及近年来的研究成果进行综述,从激子与光子弱耦合的光子激光和强耦合的极化子激光两个方面出发,详细介绍了钙钛矿材料既作为增益介质又作为谐振腔的F-P结构激光器以及仅作为增益介质的F-P腔激光器的激光的产生原理和影响因素,最后总结了钙钛矿F-P谐振腔激光器当前面临的挑战,展望了其进一步发展可能具备的前景.     

基于倏逝场耦合的石墨烯波导光传输相位特性仿真与实验研究

石墨烯材料应用到各种光波导器件中正成为新一代光子器件的重要发展方向之一,目前基于石墨烯的光纤和集成光子器件研究越来越受到国内外的重视. 本文建立了一种由微纳光纤耦合光倏逝场,并在石墨烯薄膜中传输的模型. 通过有限元分析法,研究了光在这种石墨烯波导中传输光场的强度分布和相位特性,并通过实验进行了验证. 结果表明,沿着微纳光纤-石墨烯光波导传播的倏逝场的强度分布和相位均受石墨烯材料作用,石墨烯材料能有效聚集和导行波导中传输的高阶模,在单位传输长度上具有更密集的等相位面. 本文提出了一种利用微纳光纤耦合光倏逝场研究石墨烯相位响应特性的新方法,对基于石墨烯波导的新型调制器、滤波器、激光器和传感器等光子器件的设计和应用具有一定的参考意义. 关键词： 石墨烯平面光波导 倏逝波 光场强度 相位     

纳流通道-谐振腔耦合结构测量荧光物质微位移

本文提出了一种纳流通道-谐振腔耦合结构,用于实现对荧光物质微位移的检测。在本文中,首先,使用时域有限差分法,研究了量子点偏振态及结构参数对荧光与结构耦合效果的影响,进而对结构进行优化;然后,通过测量耦合结构输出光功率的变化,实现对荧光物质微位移的检测;最后,对影响传感灵敏度的因素进行研究。结果表明,相比传统方法,纳流通道-谐振腔耦合结构的折射率处于2.8~3.3之内时,该结构都可以实现对荧光物质微位移的高精度准确传感,并且通过减小纳流通道与谐振腔的间距可进一步提高传感灵敏度。     

GaAs量子阱半导体微腔中腔极化激元的动态行为

GaAs量子阱半导体微腔中, 光子同时与重空穴激子、轻空穴激子耦合形成腔极化激元. 本文采用三谐振子耦合模型, 计算了腔极化激元的三支的色散关系、线宽、有效质量及其群速度; 结果表明, 由于腔极化激元的三支中光子、重空穴激子、轻空穴激子所占的权重随着平面波矢（或入射角度）变化, 腔极化激元三支的线宽、有效质量及其群速度呈现出不同的动态行为.