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CN114552350A - 一种开放式椭球面光学共振腔及其调节方法 - Google Patents

一种开放式椭球面光学共振腔及其调节方法 Download PDF

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CN114552350A CN202011342311.8A CN202011342311A CN114552350A CN 114552350 A CN114552350 A CN 114552350A CN 202011342311 A CN202011342311 A CN 202011342311A CN 114552350 A CN114552350 A CN 114552350A
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陈思
丁星
何玉明
陆朝阳
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Abstract

本公开提供了一种开放式椭球面光学共振腔，包括：椭球面布拉格反射镜(1)，平面布拉格反射镜(2)，设于椭球面布拉格反射镜(1)向内凹陷的一侧，腔体(3)，包括椭球面布拉格反射镜(1)和平面布拉格反射镜(2)之间的空腔。本公开中的结构可与单光子源通过简单调整完美耦合，用于产生损失效率极低的单光子。本公开还提供了该共振腔的调节方法，通过多轴精确调节，可实现共振腔与单光子源的耦合。

Description

一种开放式椭球面光学共振腔及其调节方法
技术领域
本公开涉及固态量子光学领域，尤其涉及一种开放式椭球面光学共振腔及其调节方法。
背景技术
单光子源是量子通讯、量子测量和量子计算的重要组成部分。利用具有帕塞尔增强效应的微腔，通过共振激发的激发方式，可以产生接近傅里叶变换极限的单光子，并使单光子较高效的提取耦合进单模光纤中。但目前，单光子提取效率最高仅为33％左右，仍未满足各量子计算方案大于50％的要求。制约单光子提取效率的原因一方面在于，已有的方案需要将共振激发随机产生的左旋或右旋偏振单光子投影到单偏振，使得效率至少减半；另一方面在于，为了滤除同频率背景激发光，不得不采取的水平偏振激发垂直偏振收集的偏振滤波方式，也使得系统效率无法高于50％。
与此同时，传统的高性能量子点单光子源的制备方式为，基于半导体自组装量子点在基片上的随机生长，然后再利用高精度微纳工艺的处理得到。在现有的微纳工艺技术背景下，需要针对随机生长量子点的位置以及发光特性做针对性的微纳结构。由于量子点结构的尺度很小，为了保证对量子点针对性定位，缩小光学性质测量带来的位置误差，对微纳工艺的精度和结构的复杂度提出了严苛的要求。这样复杂的工艺流程一方面会带来高昂的时间成本和费用消耗，另一方面由于量子点生长位置的随机性也不利于后续的大量生产，从而为后续的光量子计算与光量子通讯网络的应用带来非常大的阻碍。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种开放式椭球面光学共振腔，以解决共振激发单光子源产生单光子的效率损失高、单光子耦合匹配的问题。
(二)技术方案
本公开一方面提供了一种开放式椭球面光学共振腔，包括：椭球面布拉格反射镜1；平面布拉格反射镜2，设于所述椭球面布拉格反射镜1向内凹陷的一侧；腔体3，包括所述椭球面布拉格反射镜1和所述平面布拉格反射镜2之间的空腔，腔体3内设有单光子源。
可选地，所述椭球面布拉格反射镜1与平面布拉格反射镜2为分离的两独立部件，相互之间未连接。
可选地，所述椭球面布拉格反射镜1的镜面边缘所在平面与所述平面布拉格反射镜2平行。
可选地，所述椭球面布拉格反射镜1包括由两种折射率不同的光学材料交替叠加构成的多层结构，其中，所述多层结构中的每层结构的厚度均为所述单光子源的产生的单光子的四分之一波长。
可选地，所述多层结构中的每层结构为曲率、大小均相同的椭球面，曲率为5～15μm，长轴为4～10um，短轴与长轴之比为0.6～1.0。
可选地，所述两种折射率不同的光学材料为Ta2O5和SiO2。
可选地，所述平面布拉格反射镜2包括包括由两种折射率不同的光学材料交替叠加构成的多层结构，其中，所述多层结构中的每层结构的厚度均为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。
可选地，所述多层结构中的每层结构均与所述平面布拉格反射镜2的镜面平行。
可选地，所述两种折射率不同的光学材料为AlAs和GaAs。
本公开还提供了一种开放式椭球面光学共振腔调节方法，应用于如第一方面所述的开放式椭球面光学共振腔，包括：调节椭球面布拉格反射镜1、平面布拉格反射镜2之间的距离，使所述距离达到预设距离；调整所述平面布拉格反射镜2的角度，使所述平面布拉格反射镜2和所述椭球面布拉格反射镜1的镜面边缘所在平面平行；移动所述椭球面布拉格反射镜1和所述平面布拉格反射镜2，使单光子源位于所述椭球面布拉格反射镜1和所述平面布拉格反射镜2之间的腔体3中；调节所述椭球面布拉格反射镜1和所述平面布拉格反射镜2的距离和平行方向的位置，使所述开放式椭球面光学共振腔与所述单光子源耦合。
(三)有益效果
本公开提供了一种开放式椭球面光学共振腔，至少达到以下有益效果：
一方面，本公开提供的开放式椭球面光学共振腔，由椭球面布拉格反射镜1及平面布拉格反射镜2构成，通过这种新型腔体3的椭球面设计，可以使腔体3中单光子源简并的极化模式劈裂为水平和垂直两个相互垂正交的模式，当光从椭球面布拉格反射镜1顶部向下激发单光子源，单光子源产生偏振为水平方向且波长与微谐振腔水平偏振模式相同的单光子，再采用水平偏振的极化片滤除激发光，便不会由于极化滤波产生的50％效率损失，同时因为产生的单光子已是单极化不需要再次投影，也解决了投影所带来的效率损失。
另一方面，本公开提供的开放式椭球面光学共振腔可通过一台三维位移台对椭球面布拉格反射镜1的位置实现三维调控，通过一台三维位移台和一台角度位移台实现平面布拉格反射镜2的位置的五轴调控，使所述开放式椭球面光学共振腔与单光子源完美耦合，解决了常规单光子源制备方案中自组装单光子源引入的发光特性和分布位置随机性带来的耦合匹配问题。
附图说明
图1是本公开实施例提供的一种开放式椭球面光学共振腔的截面示意图；
图2是本公开实施例提供的一种开放式椭球面光学共振腔的俯视电子显微照片；
图3是本公开实施例提供的一种开放式椭球面光学共振腔的截面电子显微照片；
图4是本公开实施例提供的一种开放式椭球面光学共振腔的不同参数的俯视电子显微照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本公开实施例提供的一种开放式椭球面光学共振腔的截面示意图。参阅图1，本公开提供了一种开放式椭球面光学共振腔，包括：椭球面布拉格反射镜1；平面布拉格反射镜2，设于所述椭球面布拉格反射镜1向内凹陷的一侧；腔体3，包括所述椭球面布拉格反射镜1和所述平面布拉格反射镜2之间的空腔，腔体3内设有单光子源。图2是本公开实施例提供的一种开放式椭球面光学共振腔的俯视电子显微照片。
可以看出，所述椭球面布拉格反射镜1与平面布拉格反射镜2为分离的两独立部件，相互之间未连接。所述椭球面布拉格反射镜1的镜面边缘所在平面与所述平面布拉格反射镜2平行。
可选地，单光子源可以为InGaAs量子点。
图3是本公开实施例提供的一种开放式椭球面光学共振腔的截面电子显微照片。参阅图3，椭球面布拉格反射镜1包括由两种折射率不同的光学材料交替叠加构成的多层结构，其中，所述多层结构中的每层结构的厚度均为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。所述多层结构中的每层结构为曲率、大小均相同的椭球面。可选的，所述两种折射率不同的光学材料为Ta2O5和SiO2。
图4是本公开实施例提供的一种开放式椭球面光学共振腔的不同参数的俯视电子显微照片。每一个单元都是独立的椭球面布拉格反射镜1。其中每一行从左到右椭率(此处指代短轴与长轴)以0.1为间隔分别为0.6到1.0。椭球面的曲率半径分布在5到15μm，由上至下曲率递减。不同曲率参数能够耦合模式的中心波长不同，这样设置可以满足我们对于不同的实验需求。
所述平面布拉格反射镜2包括包括由两种折射率不同的光学材料交替叠加构成的多层结构，其中，所述多层结构中的每层结构的厚度均为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。所述多层结构中的每层结构均与所述平面布拉格反射镜2的镜面平行。可选的，所述两种折射率不同的光学材料为AlAs和GaAs。
在本公开实施例中，在玻璃基底上利用离子束刻蚀出半椭球形凹槽后，通过沉积Ta2O5/SiO2多层膜制备椭球面布拉格反射镜；利用分子束外延在砷化镓基底上生长技术生长AlAs/GaAs多层膜制备平面布拉格反射镜。
在本公开实施例中，将光学微谐振腔设计为椭球面，使得腔体3中单光子源简并的极化模式劈裂为水平和正交两个垂直模式，同时微谐振腔的腔膜也会劈裂为波长不同的水平偏振模式以及垂直偏振模式。当开放式椭球面光学共振腔的平面布拉格反射镜2及椭球面布拉格反射镜1的边缘所在平面按水平面放置时，使用偏振方向垂直于水平方向但波长与开放式椭球面光学共振腔水平偏振模式相同的激发光从椭球面布拉格反射镜1顶部向下激发单光子源，单光子源产生偏振为水平方向且波长与微谐振腔水平偏振模式相同的单光子。然后，采用水平偏振的极化片滤除激发光，该过程中不会产生由于极化滤波造成的50％效率损失，同时，因为产生的单光子已是单极化不需要再次投影，也解决了投影所带来的效率损失。
本公开实施例还提供了一种开放式椭球面光学共振腔调节方法，应用于如图1所述的开放式椭球面光学共振腔，包括步骤S100～S400。
S100，调节椭球面布拉格反射镜1、平面布拉格反射镜2之间的距离，使所述距离达到预设距离。
将椭球面布拉格反射镜1固定在三维位移平台上，通过三维位移平台调节其位置，使椭球面布拉格反射镜1、平面布拉格反射镜2之间的距离移动到1μm左右的距离，还可以进行数十nm级别的微调。
S200，调整所述平面布拉格反射镜2的角度，使所述平面布拉格反射镜(2)和所述椭球面布拉格反射镜1的镜面边缘所在平面平行。
通过角度位移台调节椭球面布拉格反射镜1的角度，使椭球面布拉格反射镜1固定在三维位移平台平行。
S300，移动所述椭球面布拉格反射镜1和所述平面布拉格反射镜2，使单光子源位于所述椭球面布拉格反射镜1和所述平面布拉格反射镜(2)之间的腔体3中。
S400，调节所述椭球面布拉格反射镜1和所述平面布拉格反射镜2的距离和平行方向的位置，使所述开放式椭球面光学共振腔与所述单光子源耦合。
使椭球面布拉格反射镜1和平面布拉格反射镜2平行后，同时调节三维位移平台和角度位移台，使腔体3移动到单光子源上，并调节椭球面布拉格反射镜1和平面布拉格反射镜2的距离和平行方向的相对位置，通过这种方式，解决了由于半导体自组装单光子源的生长位置的随机性导致的单光子源难以与共振腔完美匹配的问题。三维位移平台和角度位移台可调腔的5轴精密调节可以使单光子源的耦合效率大大提升，同时也突破了目前微纳加工繁琐的技术环节和高昂的时间成本。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开放式椭球面光学共振腔，其特征在于，包括：
椭球面布拉格反射镜(1)；
平面布拉格反射镜(2)，设于所述椭球面布拉格反射镜(1)向内凹陷的一侧；
腔体(3)，包括所述椭球面布拉格反射镜(1)和所述平面布拉格反射镜(2)之间的空腔，所述腔体(3)内设有单光子源。
2.根据权利要求1所述的椭开放式椭球面光学共振腔，其特征在于，所述椭球面布拉格反射镜(1)与平面布拉格反射镜(2)为分离的两独立部件，相互之间未连接。
3.根据权利要求1所述的开放式椭球面光学共振腔，所述椭球面布拉格反射镜(1)的镜面边缘所在平面与所述平面布拉格反射镜(2)平行。
4.根据权利要求1所述的开放式椭球面光学共振腔，其特征在于，所述椭球面布拉格反射镜(1)包括由两种折射率不同的光学材料交替叠加构成的多层结构，其中，所述多层结构中的每层结构的厚度均为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。
5.根据权利要求4所述的开放式椭球面光学共振腔，其特征在于，所述多层结构中的每层结构为曲率、大小均相同的椭球面，曲率为7.5～15μm，长轴为4～10um，短轴与长轴之比为0.8～1.0。
6.根据权利要求4所述的开放式椭球面光学共振腔，其特征在于，所述两种折射率不同的光学材料为Ta2O5和SiO2。
7.根据权利要求1所述的开放式椭球面光学共振腔，其特征在于，所述平面布拉格反射镜(2)包括包括由两种折射率不同的光学材料交替叠加构成的多层结构，其中，所述多层结构中的每层结构的厚度均为所述单光子源产生的单光子的四分之一波长。
8.根据权利要求7所述的开放式椭球面光学共振腔，其特征在于，所述多层结构中的每层结构均与所述平面布拉格反射镜(2)的镜面平行。
9.根据权利要求7所述的开放式椭球面光学共振腔，其特征在于，所述两种折射率不同的光学材料为AlAs和GaAs。
10.一种开放式椭球面光学共振腔调节方法，应用于如权利要求1至9所述的开放式椭球面光学共振腔，其特征在于，包括：
调节椭球面布拉格反射镜(1)、平面布拉格反射镜(2)之间的距离，使所述距离达到预设距离；
调整所述平面布拉格反射镜(2)的角度，使所述平面布拉格反射镜(2)和所述椭球面布拉格反射镜(1)的镜面边缘所在平面平行；
移动所述椭球面布拉格反射镜(1)和所述平面布拉格反射镜(2)，使单光子源位于所述椭球面布拉格反射镜(1)和所述平面布拉格反射镜(2)之间的腔体(3)中；
调节所述椭球面布拉格反射镜(1)和所述平面布拉格反射镜(2)的距离和平行方向的位置，使所述开放式椭球面光学共振腔与所述单光子源耦合。
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Application publication date: 20220527

Assignee: QUANTUMCTEK Co.,Ltd.

Assignor: University of Science and Technology of China

Contract record no.: X2021340000027

Denomination of invention: An open ellipsoidal optical resonator and its adjustment method

License type: Common License

Record date: 20211026

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