Laser & Photonics Reviews:金属衬底波导高效引导片上超亮单光子源

量子计算机是国际的研究热点,而基于光子的量子计算技术被认为是一条可行的技术实现路径。类似传统计算机的发展历程,量子计算机的探索在突破技术瓶颈之后,要想实现商品化和产业升级,像平板电脑和手机走进我们的生活,需要走片上集成的道路。集成化的“量子芯片”是未来量子计算机的“大脑”。在片上实现超亮单光子源并把单光子源高效耦合到波导及量子回路中实现长程传输是实现量子芯片的重要环节。目前,在基于金属结构珀塞尔效应实现增亮单光子源方面有大量的研 究。研究者提出了包括牛眼结构、金属棒结构、金属颗粒-间隙-金属膜结构实现增加单光子源(量子点、NV色心、二维材料)的亮度。但是在这些结构中,单光子源发出的光子主要向自由空间辐射,很难被收集并耦合到波导和低损耗的量子回路中。为了解决这一难题,国际学术界也提出了利用金属波导结构(介质加载型等离激元波导、V型槽等离激元波导、银纳米线波导等)来收集单光子源发出的光子。目前利用的这些金属波导结构是放置在介质衬底上或者被介质材料包覆,表面等离激元模式存在模式截止、传输距离短等缺点。这些缺点极大地限制了片上单光子源的进一步变亮和波导的高效引导能力(即高效耦合和长程传输)。

北京大学物理学院现代光学研究所陈建军课题组通过设计放置在银膜衬底上的表面等离激元波导-狭缝结构,在理论上获得了超亮单光子源和高效的波导引导能力。此处的表面等离激元波导是银纳米线波导,陈建军课题组创新性提出用金属衬底取代了介质衬底,从而表面等离激元波导模式不会随银纳米线直径的增加而截止。同时,金属衬底改变了表面等离激元模式的场分布,使表面等离激元模式的传播长度变为介质衬底情况下的30倍以上。表面等离激元模式不截止和传播长度变长这两个因素有利于增亮片上单光子源并实现波导的高效引导。在该表面等离激元波导上设计狭缝结构(量子点置于狭缝中),基于金属狭缝中的谐振模式具有高达150倍的场增强以及超小的模式体积(V≈2×10-5λ3),该表面等离激元波导-狭缝结构的珀塞尔增强可以达到FP=1.68×105,这个数值是已报道的最优结构(金属立方体放置在金属衬底上)的珀塞尔因子的10倍以上。另外,再结合表面等离激元波导模式超长的传输长度,该表面等离激元波导-狭缝结构可以实现高效的波导引导(FOM=1.40×107),这个数值同样远大于已报道的最优结构(金属纳米棒放置在纳米线上方并有很小的间隙)的FOM,是之前最优结构的FOM的80倍。

研究者相信,用金属衬底代替介质衬底设计表面等离激元波导,不仅可以极大地增加片上单光子源的亮度,还可以把单光子源高效引导到表面等离激元波导上。这种结构不仅体积小,而且珀塞尔增强和波导引导能力比之前的报道都高一个量级以上,因此在片上单光子源和片上量子回路领域中有重要的应用前景。相关论文在线发表在 Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.201900025)上,并被选为当期的Front Cover做简要介绍。