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半导体学报2019年第7期——半导体量子光源专刊

半导体学报 半导体学报
半导体量子光源专刊

激光的发明极大地改变了世界。为了增加激光功率,人们做出了许多努力,使得每个脉冲的光子数变得越来越多。另一方面,研究人员对单脉冲中只含有单个光子的情况(即单光子源)也产生了浓厚的兴趣。单光子及其相关的强关联系统(例如纠缠光子)在量子力学的发展中都起到关键性的作用。如今,这些量子光源在现代量子信息处理方面也有重要的应用,如量子通信,量子计量和量子计算等。人们目前已经开发了许多方法来产生这些量子光源。其中半导体材料可以以紧凑且稳定的方式产生量子光源而极具吸引力。并且半导体工业成熟的现代纳米制造技术为这些量子光源提供了巨大的扩展空间。越来越多的灵活的半导体辐射体被开发出来。半导体量子点已经广泛用于产生单光子和高质量的纠缠光子。另一方面块状半导体材料中的本征缺陷和注入缺陷即使在高温下仍然可以提供稳定的单光子,并且其发射的波长已经扩展到通讯波段。最近,在提高单光子发射和收集效率方面,人们已经取得了很大进展。单光子源可以与远程量子系统相互作用,使其在构建量子网络方面也有很大潜力。半导体的量子辐射体正在产生越来越多的新的应用并刺激着新的量子器件的开发。


《半导体学报》组织了一期“半导体量子光源”专刊,并邀请中国科学院物理研究所许秀来研究员中国科学技术大学许金时教授共同担任特约编辑。该专刊已于2019年第7期正式出版并可在线阅读,欢迎关注。


本专刊包含6篇综述文章,总结了不同半导体器件量子光源的产生和应用方面的进展,如零维量子点,一维纳米线,二维范德瓦尔斯材料和三维半导体体材料等。本专刊还包含2篇原创文章,其中一篇是关于电驱动单轴应力装置的设计和实现。该装置可以用于调整低温恒温器中的原位半导体量子点的对称性以及激子发射。另一篇文章观察到400 K以上近C波段范围内的稳定单光子源。本专刊致力于提供快速发展的半导体量子光源研究领域的最新概述和进展。


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1. 通信波段的单光子源


单光子源是量子通信、量子计算、量子计量等量子技术的关键组成部分。要想建立全球量子网络,一个关键的技术难点就是光纤中的传输损耗问题,这就需要利用单光子源在低损耗通信波段进行发射。但至今尚未发现理想的通信波段单光子源。德国汉诺威莱布尼兹大学固态物理研究所丁飞教授回顾了多种单光子源的最新进展。本文从基于原子系统和自发参数下转换的单光子发射开始,重点研究了半导体量子点、碳化硅缺陷和碳纳米管等多种固态发射体。本文也突出介绍了一些单光子源最先进的应用。


图. (a)Rb原子的单光子发射机制。需要两个泵浦激光器分别于795 nm和1324 nm处激发Rb,并分别发射780 nm和1367 nm波长的单光子。(b)Rb的能级结构。


Telecom wavelength single photon sources

Xin Cao, Michael Zopf and Fei Ding

J. Semicond. 2019, 40(7), 071901

doi: 10.1088/1674-4926/40/7/071901

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2. In(Ga)As半导体自组装量子点的量子光源器件


快速发展的单光子源已经引爆了广大科研人员对有关单个光子在基本概念(如光与物质的交互作用)和量子信息应用技术方面的极大兴趣。特别是,单光子源可能实现实用性可拓展的量子计算、不受限的量子秘钥分发和安全的量子隐态传输等。理想的单光子源在时间序列上应该严格符合一个接一个发射单光子的规则,且每一个光子都是没有区别的,重复率很高,因此被认为是一个所谓的“单光子枪”。现存的有几种可实现单光子发射的方案,其中最简单直接的方法便是衰减脉冲激光法。该法产生的光子数目统计符合泊松分布,但这些脉冲中可能存在空脉冲、少光子或者多光子。人们对孤立量子系统作为光子发射源的微观结构进行了广泛的研究。理论上,一个二能级体系的单个量子粒子可以作为一个完美的单光子给体发挥作用,其中可能的候选粒子有很多,包括分子、离子、原子和氮空位中心。通过与低衰减激光器和其他可能的方法进行比较,从孤立的单个量子系统中得到的单光子供体可以满足需求并具有确定性,因为单二能级系统每次可以精确地产生一个又一个光子。但遗憾的是,由于各种原因,理想的孤立单量子系统是很难实现的(存在光漂白或自身宽发射光谱干扰等问题)。事实上,真实的量子系统的发射光谱是比理想的单二能进系统更复杂。从实际的角度来看,半导体自组装量子点具有很大潜力成为实现优质单光子的一类材料体系。


自组织量子点是一种“类原子”结构,可通过基于应力驱动外延生长机理来实现人工制备。高密度系综量子点(∼100/µm2)发光谱呈现连续包络,反映量子点尺寸和能级的连续分布;低密度分立量子点(1—10/µm2)发光谱呈现孤立多峰,反映了量子点尺寸涨落导致的分立能态;若能隔离单个点,其发光谱将呈单线,体现类原子二能级跃迁效应,也就是每次只发射一个光子,在时间序列上彼此孤立的反聚束发光效应。采用50:50分光的Hanbury-Brown-Twiss(HBT)光子符合计数测试方法可以验证其反聚束性g2(0) < 1。理论上纯净单光子的多光子概率g2(0)为0。半导体In(Ga)As/GaAs自组织量子点在实现单光子发光方面具有高亮度、波长可调谐、易于与微腔耦合等优点,其激子态自旋亦可通过外界光/电/磁场调控,其发射光子也“携带”激子态自旋信息,是研究量子自旋态制备操纵、实现远程纠缠的理想体系。此外,In(Ga)As/GaAs自组织量子点在面向实际应用领域的通讯波段量子点单光子源和单光子光纤耦合器件等方面均取得了一定的进展。但同样也面临着一些根本性的问题:如何提高高品质量子点单光子源的性能(包含亮度、单光子纯度、保真度和不可分辨性等);如何提高量子点 — 光纤耦合器件的耦合效率;如何简化耦合方法等。本文研究目的为通过分子束外延的方法优化生长参数,制备密度可控的In(Ga)As/GaAs自组织单量子点,拓展量子点单光子源的波长至光纤通讯窗口1300 nm及1550 nm及提高其单光子的性能。量子点单光子源研制需重点解决:(1)分立量子点波长、尺寸、形貌的可控制备和发光效率优化;(2)高Q值微腔制备、微腔增强单量子点发光和光子提取效率优化;(3)外部光路收光效率优化。


对于上述难题,中国科学院半导体研究所超晶格与微结构国家重点实验室倪海桥教授在相关研究上取得了多项进展:(1)面向光纤量子通信应用,首次用应力耦合双层点结构使GaAs基InAs分立量子点波长从传统的0.9 µm拓展至1.3 µm,并集成DBR腔实现1.3 µm高计数率单光子源(如图1所示),未来争取拓展到1.55 µm;(2)用排式光纤与微柱阵列(如图2所示)黏合实现光纤输出920 nm波段量子点单光子源,提高了器件稳定性;(3)在自催化生长GaAs纳米线上制备出InAs或GaAs分立量子点、量子环,实现了量子点单光子发射和光纤输出;(4)用DBR腔增强InAs单量子点发光,观测到微柱腔模和Q值;引入GaAs/空气隙HCG (high index contrast grating)结构增强了偏振选择出光;(5)与中国科学技术大学合作,用0.87 µm InAs 量子点单光子源实现了确定性单光子在稀土掺杂晶体中的100个时间模式的量子存储;(6)与美国南佛罗里达州大学合作开展InAs量子点共振荧光研究,共振激发使相距40 µm的两个频率相近的单量子点发射同频单光子,但其干涉可见度只有40%,原因是量子点周围电荷涨落;另外增加一束带上激发激光可消除电荷涨落、光谱抖动、发光闪烁,增强共振激发效果;采用双色共振荧光技术,使量子点光谱在激光频率与谐振子差异的一半处引入振荡,其相干保持时间超过自然寿命,反映“缀饰态”梯子无穷多能级;将量子点单光子经偏振编码后用于量子弱测量研究;(7)用纳米线量子点波长775 nm单光子发射,通过参量下转化实现了1.55 µm纠缠光子源,纠缠保真度达91.8%。本文介绍这些成果,为后续的研究提供借鉴。


图1. 1.3 µm发射波段的应力耦合InAs/GaAs单量子点


图2. 侧壁光滑的正台微柱和倒台微柱阵列扫描电镜图


自组织量子点单光子源已被证明具有高纯度、高计数率、共振激发下高相干性,可用于光量子计算、量子相干操纵、量子存储等。材料和器件方面未来需重点解决:(1)纯化单量子点周围环境,减少引起量子点光谱抖动,研制高对称量子点减少精细结构劈裂;(2)掌握精密定位技术,实现微腔与单量子点对准、与光纤芯心对准,提高激发效率和单光子收集效率;(3)开发适于片上全同单光子产生、操纵、HBT符合/Hong-Ou-Mandel干涉测试的有源微腔 — 无源波导复合结构、高透过率波导分束器和Mach-Zender干涉仪的集成量子芯片,提高单光子微腔提取效率、光路收集效率、符合计数率。


Quantum light source devices of In(Ga)As semiconductorself-assembled quantum dots

Xiaowu He, Yifeng Song, Ying Yu, Ben Ma, Zesheng Chen, Xiangjun Shang, Haiqiao Ni, Baoquan Sun, Xiuming Dou, Hao Chen, Hongyue Hao, Tongtong Qi, Shushan Huang, Hanqing Liu, Xiangbin Su, Xinliang Su, Yujun Shi and Zhichuan Niu

J. Semicond. 2019, 40(7), 071902

doi: 10.1088/1674-4926/40/7/071902

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3. 二维材料中量子发射器的研究进展


固体单光子源是应用量子通信、量子计算、量子信息等相关领域的额基本关键器件,值得注意的是,基于二维材料的量子发射器近年来得到了广泛的研究,并且取得了许多重要的成果。如下图所示,中国科学院半导体研究所张俊教授介绍了一些可以用作量子发射器的二维材料,包括以WSe2为代表的过渡金属硫族化合物半导体材料和层状半导体GaSe,以及具有宽带隙的层状材料hBN。其中,hBN具有较宽的带隙从而可以在室温下发射单光子,因此它在未来具有很好的应用价值。


图. (a)以1.719eV为中心的窄发射线的光致发光(PL)强度图。(b)局部发射器的PL光谱。(c)从(b)中一个SPE进行的PL二阶相关测量。(d)非局域激子发射与92个局域激子发射之间的线宽的柱状图比较。(e)激光功率相关的SPE光子发射的综合计数图。(f)SPE的时间分辨PL测试显示单指数衰减时间为1.79±0.002 ns。(g)T=295 K和T=10 K温度下36 nmGaSe的常规PL光谱。(h)hBN样品单光子发射的PL光谱


随着技术的发展,纳米器件在未来有巨大的发展潜力。电驱动量子光源作为量子通信和量子计算领域的核心器件,在相关的研究中中受到越来越多的关注,本综述介绍了一些基于二维材料WSe2中电驱动产生单光子的相关工作。这些方法为今后在二维材料中电驱动产生单光子奠定了坚实的基础并且具有可以给未来的发展做参考。最后,本综述介绍了利用应力方法调控单光子的发射性质一些工作,包括应力调节单光子的波长,借助纳米阵列制造位置可控的量子发射器等,同时,本文介绍了在量子尺度上通过手性声子耦合单光子态来控制量子光源的发射。

 

总之,本文总结了近年来基于二维材料的量子发射器取得了许多富有意义的成果。在本综述中,我们也提出了当前相关研究中需要解决的问题,其中包括在二维材料中发射单光子的物理问题需要进一步探究,在材料方面,包括大规模合成二维材料和异质结构的堆积问题等。


Review on the quantum emitters in two-dimensional materials

Shuliang Ren, Qinghai Tan and Jun Zhang

J. Semicond. 2019, 40(7), 071903

doi: 10.1088/1674-4926/40/7/071903

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4. 电驱动单光子源


光量子集成芯片能够解决基于传统光学器件的光量子信息处理系统的稳定性和可扩展性问题,成为量子信息技术的一个重点发展方向。然而目前片上集成的量子光源主要依靠外加激光激发的方式来制备,而引入的较强的光场容易通过散射或传导等方式被片上集成的单光子探测器所接收而掩盖了有用的单光子信号。因此光激发量子光源不能跟探测器实现单芯片集成,需要添加额外的输入输出结构,增加了体系的复杂程度的同时降低了系统效率。解决这个问题的一个方案是使用可集成的电激发量子光源。


浙江大学光学科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室方伟教授详细阐述了基于不同的固态量子体系(包括半导体自组织量子点、胶体量子点、碳纳米管、荧光分子、金刚石色心、碳化硅及二维材料中的缺陷态等体系)的电激发片上单光子源的发展历史,分析了各种体系的优缺点,并指出电激发器件所面临的主要挑战。本综述对光量子集成芯片方面的研究具有重要的参考意义。


图. 基于不同固态量子体系的电激发单光子源的实现方案


Electrically driven single-photon sources

Yating Lin, Yongzheng Ye and Wei Fang

J. Semicond. 2019, 40(7), 071904

doi: 10.1088/1674-4926/40/7/071904

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5. 量子光源的宽带隙光子结构


量子光源是光量子技术的关键元件之一。半导体量子点作为光量子技术中的重要光源,因其在现代平面纳米制造技术的支持下具有巨大的可扩展性得到了广泛的研究。但由于位于高折射率材料中的全内反射,大部分的半导体量子点的光子收集效率小于1%,这大大限制了其在光量子领域的应用。为了充分挖掘半导体量子点的潜力,可将半导体量子点嵌入到纳米结构以提高光源性能。然而,由于外延生长过程中自组装的随机性,量子点在大光谱范围上不可避免地表现出明显的非均匀展宽,如何实现量子发射器与高质量腔模之间的光谱共振则变得非常具有挑战性。尽管可通过优化如温度、电场和应变等外部物理参数来调整腔模式与量子点共振,但仍然缺少在同一个半导体芯片上调控多个量子点或腔模式的可行性方案。因此,为实现高性能量子光源,尤其是在涉及多个量子点与光子纳米技术结构同时耦合的情况下,发展对量子点光谱非均匀性不敏感的宽带光子纳米结构成为当前的迫切需求。


中山大学物理学院光电材料与技术国家重点实验室刘进教授综述了量子点与多种宽带光子纳米结构 (纳米线、光子晶体波导、微透镜和环形布拉格光栅) 集成的高性能半导体量子光源的研究进展。宽频带光子结构大大降低了量子点与结构之间光谱共振的挑战,且随着宽带光子结构的进一步发展,双光子量子随机行走和多光子玻色采样等更先进的光量子实验有望在不久的将来得以实现。


图. 量子点与多种宽带光子纳米结构的扫描电子显微镜图像及效率比较。


Broadband photonic structures for quantum light sources

Zhe He, Jiawei Yang, Lidan Zhou, Yan Chen, Tianming Zhao, Ying Yu and Jin Liu

J. Semicond. 2019, 40(7), 071905

doi: 10.1088/1674-4926/40/7/071905

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6. 可用于单光子发射器的III-V化合物


单光子源是量子信息中的关键部件,能被可扩展地整合进量子通信系统或量子计算机中。一个理想的单光子源可以发射即时响应的、高纯度且不可分辨的单光子或纠缠光子对。


贵州大学贵州省电子功能复合材料重点实验室王旭教授综述了III-V族化合物单光子源的研究进展,主要包括InGaAs系和GaN系量子点构成的单光子源,对hBN这一崭新的单光子源也做了机制性介绍。通过本文可以发现,单光子源在近10年,特别是近3年取得了巨大的进步(如文中Table1后的图5所示),在多项参数中已实现了接近理想值的水平,然而,可扩展性、多源融合以及室温单光子源等方向还需要学界付出更多的努力以取得突破进展,新的材料体系和新的单光子源制备和测试技术将是新的突破口。


图3. (a)Schrödinger和Dirac-like方程计算得不同氧化层厚度下的隧道电流随漏极电压的变化曲线;(b)Dirac-like方程计算得不同氧化层厚度下隧道电流随漏极电压的变化曲线。


III–V compounds as single photon emitters

Xu Wang, Lei Xu, Yun Jiang, Zhouyang Yin, Christopher C. S. Chan, Chaoyong Deng and Robert A. Taylor

J. Semicond. 2019, 40(7), 071906

doi: 10.1088/1674-4926/40/7/071906

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7. 低温原位单轴应力施加技术


在未来的量子信息和量子计算中,单光子源和纠缠光子源作为光源模块有着至关重要的作用。在材料外延生长的过程中,优化生长条件,掺杂,快速热退火,图形衬底等方式来使生长出来的样品能尽可能精细结构劈裂FSS很小,但是由于生长过程的精细控制特别困难,也很难做到完全匹配需求。


因此,使用调谐手段用于改进光源的发射特性,实现光源与光学微结构的耦合等都很有必要。生长后的常用调谐手段有温度,电场,磁场,静水压力,单双轴应力等等,其中单双轴应力允许可逆调谐光源的发光特性,而不引起其他不好的效应降低光学特性而广受青睐。


中国科学院半导体研究所孙宝权教授研究了一种小型,简单,经济,精细,大范围,易控的装置,用于在恒温器4K的低温环境下可以对薄层样品原位施加单轴应力,并测试了该装置相关的参数及使用本装置进行了一些常见的实验研究。除了调谐量子点结构对称性,还可以调谐激子发光能量,双激子束缚能,激子辐射寿命,微腔的模式匹配等等。不只是量子点,对于薄层材料,如二维材料等,也可以在低温下实现有效的应力调谐。以上对于开展应力相关的物理研究和实现确定性的量子纠缠有非常重要的意义。



Electrically driven uniaxial stress device for tuning in situ semiconductor quantum dot symmetry and exciton emission in cryostat

Hao Chen, Xiuming Dou, Kun Ding and Baoquan Sun

J. Semicond. 2019, 40(7), 072901

doi: 10.1088/1674-4926/40/7/072901

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8. 400K以上近C波段的稳定单光子源


早在量子力学发展初期,单光子的性质就是一个非常重要的研究课题。现在,单光子作为飞行比特已经在量子密钥传输和量子网络中发挥着非常重要的作用。很多不同的体系都被用来制备单光子源。碳化硅中的点缺陷已经展现了其作为通讯波段单光子源的非常优异的潜质。


中国科学技术大学量子信息重点实验室许金时教授在外延生长的3C碳化硅中发现了一种稳定的单光子源,其辐射波长很接近通讯C波段。这非常有利于光纤通讯。这些单光子源有着很高的纯度,并且即使在400 K以上的高温环境下,它们都有着稳定的荧光计数。由于单光子源的实际用途很大可能是在高温环境下。这些抗高温的近C波段的单光子源将在实际的量子信息处理中发挥重要作用。而且外延生长的3C碳化硅可以很容易地进行微纳加工,这些稳定的近C波段的单光子源也将在集成光子器件中找到非常重要的用途。


高温下稳定的近C波段单光子源


Stable single photon sources in the near C-band range above 400 K  

Qiang Li, Ji-yang Zhou, Zheng-hao Liu, Jin-shi Xu, Chuan-feng Li and Guang-can Guo

J. Semicond. 2019, 40(7), 072902

doi: 10.1088/1674-4926/40/7/072902

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