珀塞尔增强且可调谐的单光子发射：来自圆形光子晶体谐振器中的电信量子点

《ACS Photonics》：Purcell-Enhanced and Tunable Single-Photon Emission from Telecom Quantum Dots in Circular Photonic Crystal Resonators

半导体量子点嵌入环形布洛赫光栅共振腔，结合电接触结构实现电信波段高纯度单光子发射及Stark调谐，为量子光网络提供可扩展光源平台。

　　半导体量子点（QDs）作为量子通信网络的重要组成部分，因其能够提供接近理想的量子光源而受到广泛关注。这些量子点不仅能够实现单光子发射，还能通过高效的光子耦合和调控，为量子信息处理、量子密钥分发等应用提供支持。为了满足实际应用的需求，特别是与现有光纤基础设施的兼容性，量子光源通常需要在通信波段（如C波段和O波段）运行，并具备波长可调的特性。因此，开发一种既能实现高效率光子发射，又能支持电场调控和稳定性能的量子光源结构成为当前研究的重点。

近年来，研究人员将量子点嵌入“bullseye”共振腔中，这种结构也被称为圆形布拉格光栅（CBGs），已被证明能够显著提升在通信波段的光子发射效率。然而，传统的bullseye共振腔由于其完全蚀刻的沟槽结构，导致量子点与电极之间的物理隔离，从而限制了其在电场调控方面的应用。为了解决这一问题，研究者提出了将bullseye结构与pin二极管结合的方案，以实现施加电场后的斯托克（Stark）调谐、确定性充电以及增强的相干性。这一策略为实现灵活且稳定的量子光源提供了新的可能性。

本研究首次实现了基于半导体量子点和混合圆形光子晶体共振腔的通信波段量子光源。通过在共振腔中嵌入InAs/InP量子点，并利用高功率的波长以上激发（above-band excitation）和声子辅助激发（phonon-assisted excitation），我们观察到了显著增强的单光子发射。特别是，在C波段，我们记录到高达每秒2000万次的光子计数率，表明该结构能够有效支持高亮度的单光子源。同时，我们还展示了在O波段中，通过电接触的共振腔可以实现超过3纳米的斯托克调谐范围，这为未来实现量子光源的远程调谐和集成提供了重要依据。

在实验中，我们采用了一种结合了高精度光刻和干法刻蚀技术的制造工艺，确保了光子晶体共振腔的结构和性能。对于InP平台的量子点光源，我们首先在InP膜上沉积了SiO?缓冲层和金反射镜，随后通过电子束光刻定义了空气孔的图案，并利用氟基干法刻蚀和氯基干法刻蚀工艺完成了对SiN?硬掩模和InP膜的加工。而对于GaAs平台的pin二极管结构，我们则采用了一种两步干法刻蚀工艺，首先定义了500×500微米的方形 mesa，并通过选择性刻蚀工艺将二极管结构与共振腔结合。这种结构不仅简化了电接触的实现，还提高了电场调控的灵活性。

在光学表征方面，我们使用了低温（5 K）下的封闭循环低温恒温器（cryostat）进行测试。对于波长以上激发的测试，我们采用了一种连续波（CW）或脉冲激光器（80 MHz重复率）在785纳米波长下进行激发，并通过光纤耦合共聚焦显微镜收集量子点的发光信号。为了提高单光子源的纯度，我们引入了声子辅助激发方案，通过将激光波长调谐至量子点共振波长以下1.1纳米，实现了对激发过程的有效控制。这一方法显著减少了多光子发射的贡献，从而提升了光源的单光子纯度。

通过第二阶相关函数（g2(τ)）的测量，我们验证了量子点发射的单光子特性。在C波段的测试中，我们观察到了清晰的反聚束效应（antibunching），并测得g2(0)值为0.107（0.005），表明光源具有良好的单光子特性。而在O波段的测试中，通过施加电场，我们实现了对多个量子点跃迁的斯托克调谐，其中两个中性激子（X??和X??）的波长发生了超过3纳米的偏移。这一结果不仅展示了该结构在电场调控方面的潜力，也为实现远程调谐和量子光源的集成提供了技术支持。

此外，我们还发现，在声子辅助激发条件下，虽然单光子纯度得到了显著提升，但短时间尺度上的闪烁现象也有所增加。这种现象可能与量子点的电荷环境变化、电荷状态的波动或存在一个仅能通过声子辅助激发访问的“搁置态”（shelving state）有关。为了进一步优化量子光源的性能，未来的研究可以考虑采用更精确的制造技术，如原位电子束光刻或阴极发光成像，以提高量子点与共振腔之间的耦合效率，并优化其在不同波长下的发射特性。

在光子晶体共振腔的结构设计中，我们发现其支持的宽波长范围为同时增强中性激子和双激子跃迁提供了可能。这对于实现高保真度的纠缠光子对生成具有重要意义，因为双激子跃迁通常比中性激子跃迁具有更高的发射效率。此外，该结构的兼容性还为研究单个载流子在量子点中的自旋相干性和弛豫动力学提供了实验平台，这将有助于发展基于量子点的自旋-光子接口。

总的来说，本研究展示了一种新型的光子晶体共振腔结构，该结构不仅能够实现高亮度的单光子发射，还具备波长可调和电场调控的能力。这些特性使得该结构成为构建可扩展、可调谐和电控的量子光源的理想选择，特别是在通信波段的应用中。未来的工作可以进一步优化制造工艺，提高量子点与共振腔之间的耦合效率，并探索其在更广泛量子光子应用中的潜力，如量子网络节点、量子计算芯片和高保真度量子通信系统。通过不断改进和创新，这一技术有望在量子技术的商业化和实用化方面发挥重要作用。