基于空气隙结构的In(Ga)As量子点单光子源设计与光提取效率优化研究

为解决半导体量子点单光子源光提取效率(LEE)低、带宽受限等问题，研究人员创新性地设计了一种耦合金镜与半球形微透镜的空气隙结构In(Ga)As量子点单光子源。通过引入环形空气隙，该器件在数值孔径(NA)0.6下光提取效率提升17%，最优结构实现72%的LEE和60 nm宽带提取，同时具备优异的几何误差容忍度，为量子通信器件制备提供了新思路。

　　

在量子信息技术飞速发展的今天，单光子源作为量子通信、量子计算等领域的核心器件，其性能直接关系到信息传输安全与计算精度。理想单光子源需同时满足高提取效率、高纯度与高不可区分性三大特性，而基于半导体量子点(QD)的方案因易集成、高不可区分性等优势备受关注。然而，In(Ga)As量子点发射光子的非定向性及半导体-空气界面全反射效应，导致传统结构光提取效率(LEE)仅约2%。尽管微腔结构（如DBR微柱、光子晶体腔等）通过Purcell效应能提升发射效率，但受限于波长匹配要求与界面损耗，宽带兼容性仍面临挑战。

中国科学院的研究团队在《Materials Science and Engineering: B》发表论文，提出了一种革命性的空气隙结构In(Ga)As量子点单光子源设计方案。该研究通过三维时域有限差分法(3D-FDTD)模拟，在半球形微透镜-金镜(ML-Au)基底结构中引入环形空气隙，系统优化了光场分布与光子传输路径。关键实验技术包括：1）多层结构建模（GaAs衬底/Au反射层/空气隙/微透镜）；2）量子点偶极子取向与位置参数化分析；3）数值孔径(NA)相关的光收集效率计算。

空气隙结构增强器件性能
研究发现，引入半径0.5 μm、高度150 nm的圆柱形空气隙后，器件LEE峰值从55%（903 nm）提升至66%，带宽扩展至60 nm。空气隙通过抑制光子侧向泄漏与优化界面折射率梯度，使更多光子进入收集锥角。

结构参数优化
通过扫描空气隙半径（0.3-1.5 μm）与高度（50-250 nm），确定最优参数为半径1 μm（与发射波长量级匹配）、高度150 nm。此时空气隙可有效调制光场，而0.5 μm半径的半球形透镜能将光子出射角压缩至NA=0.6范围内。

空气隙单光子源性能
优化后器件在930 nm处实现72%的LEE峰值，较传统ML-Au结构提升17%。带宽覆盖870-930 nm（60 nm），且对±50 nm的几何误差保持>65%的LEE稳定性。金镜反射率>90%的特性避免了DBR结构的光子损耗，而200 nm的QD-金镜间距平衡了近场耦合与辐射稳定性。

该研究首次将空气隙结构应用于半导体量子点单光子源，通过协同调控微透镜聚焦效应与空气隙光场调制能力，突破了界面损耗与带宽限制的双重瓶颈。72%的LEE与60 nm宽带提取性能接近当前最优水平（85% LEE/50 nm带宽的混合布拉格光栅方案），且制备容差更大。这一设计为高亮度、可集成的量子光源提供了新范式，对推动量子密钥分发(QKD)等实际应用具有重要意义。作者Xiaoyang Zhao等人特别指出，空气隙结构在减少光子散射损耗方面的创新机制，未来可进一步与表面等离激元(SPP)技术结合，探索近场增强效应。