一种高发射速率、高收集效率的单光子源器件的制作方法

本发明涉及单光子源技术、等离激元光子学、量子信息领域，具体是指一种高发射速率、高收集效率的单光子源器件。

背景技术：

单光子源是指同一时刻仅发射一个光子的光源，它在量子信息领域有着重要的作用，例如用于量子钥匙分发、线性光学量子计算、量子保密通讯和量子信息处理等。此外，单光子源在精密测量和生物荧光标记成像等领域也有重要应用价值。常被用来产生单光子的材料包括半导体量子点、荧光分子和金刚石nv色心等。通常，单光子源在自由空间中的自发辐射速率较低，并且发射单光子不具有方向性，导致收集效率非常低，限制了它们的实际应用。

为了提高单光子源的发射速率，增加其发射单光子的收集效率，增强单光子源的品质，可以将单光子源放置在光子晶体和介质微腔等微纳结构中。基于珀塞尔效应，即通过改变单光子源周围的电磁场局域态密度可以增强其自发辐射速率，可以利用上述微纳结构提高单光子发射的量子效率。通过设计微纳结构还可以调控单光子源发光的方向，提高单光子源的收集效率。但是，光子晶体和介质微腔增加单光子源的珀塞尔增强因子通常只有几十倍，不能完全满足实际应用要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于客服上述现有技术的不足，提供一种与介质承载表面等离激元波导集成的单光子源器件，能够提高单光子源的发射速率，并利用介质承载表面等离激元波导高效率收集单光子源发射出的光子。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高发射速率、高收集效率的单光子源器件，包括：基底、金属薄膜、介质条、金属纳米棒和单光子源，所述金属薄膜沉积于基底上，介质条沉积于金属薄膜上；所述金属薄膜和介质条形成介质承载表面等离激元波导；所述金属纳米棒位于所述介质承载表面等离激元波导的内部，金属纳米棒的长度方向与介质条的长度方向一致；所述单光子源位于金属纳米棒和金属薄膜之间；所述金属薄膜和金属纳米棒形成间隙等离激元微腔结构。

所述介质承载表面等离激元波导，用于收集单光子源发射出来的光子。

所述间隙等离激元微腔结构，用于形成间隙等离激元，提高单光子源的发射速率。

对于上述单光子源器件结构，其中：

所述基底的材质为但不限于si、sio2或al2o3；所述金属薄膜的材质包括但不限于金、银、铂、铝或铜，金属薄膜的厚度为100~200nm。

所述介质条的材质包括但不限于sio2、pmma和si3n4；所述介质条的横截面为矩形，或半圆形，或半椭圆形，或三角形。

所述金属纳米棒的材质包括但不限于金、银、铂、铝或铜，其截面为圆形、椭圆形、三角形、六边形或矩形；所述金属纳米棒的直径为10~100nm，长度为10~300nm。

所述金属纳米棒与金属薄膜之间的距离为5~50nm。

所述单光子源为半导体量子点、金刚石色心或荧光分子，但不限于这几种；

所述单光子源器件结构适用波长为近紫外、可见光到近红外范围。

应用本发明时，具有如下有益效果：

该单光子源器件由于具有金属纳米棒，它在入射光照射下能形成偶极子共振，从而使由金属纳米棒和金属薄膜形成的间隙等离激元微腔结构形成间隙等离激元共振，具有数百倍至数千倍的场增强效应；

将单光子源置于间隙等离激元微腔结构内，通过间隙等离激元与单光子源的相互作用，利用珀塞尔效应，能够有效提高单光子源的发射速率，解决了现有技术中由于单光子源发射速率较低实际应用受到限制的问题；

将金属纳米棒和单光子源设置在介质承载表面等离激元波导中，使得介质承载表面等离激元波导能够以非常高的效率收集单光子源发射出的光子；

介质承载表面等离激元波导是一种可用于集成化的波导结构，因此本发明公开的单光子源器件在集成光子器件等领域具有巨大的应用价值；

通过改变单光子源在等离激元微腔结构中的位置，使间隙等离激元微腔结构中的光场呈非对称分布，还可以实现介质承载表面等离激元波导中不同方向收集到的光能量不同，从而实现介质承载表面等离激元波导模式的非对称激发。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中单光子源器件结构的俯视结构示意图。

图3为图1中单光子源器件结构的左视结构示意图。

图4为本发明的purcell增强因子计算值随金属纳米棒长度变化而变化的关系示意图。

其中，附图标记为：1为基底；2为金属薄膜；3为介质条；4为金属纳米棒；5为单光子源；6为入射光。

具体实施方式

为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

实施例1

如附图1、2、3所示，本发明提供了一种基于间隙等离激元和介质承载表面等离激元波导的高发射速率、高收集效率的单光子源器件，该单光子源器件包括sio2基底1、介质承载表面等离激元波导、间隙等离激元微腔以及量子点5。

所述间隙等离激元微腔由金属薄膜2和金属纳米棒4组成，用于形成间隙等离激元；其中：金属薄膜2为金薄膜，金属纳米棒4为金纳米棒。

量子点5位于金薄膜2和金纳米棒4组成的间隙等离激元微腔中；介质承载表面等离激元波导包括金薄膜2和sio2介质条3，用于收集量子点5发射出的光子。金纳米棒4与金薄膜2之间的距离为10nm，量子点5位于间隙等离激元微腔的中间，与金薄膜2上表面的距离为5nm，金纳米棒4的直径为45nm，sio2介质条3的横截面长和宽均为240nm，金薄膜2厚度为200nm。

该单光子源器件的制备方法如下：

1）在sio2基底1上通过热蒸发或电子束蒸发沉积厚度为200nm的金薄膜2；

2）在金薄膜2上通过热蒸发沉积5nm厚sio2薄膜；

3）在sio2薄膜上旋涂量子点溶液；

4）通过热蒸发再沉积5nm厚的sio2薄膜；

5）通过化学方法或微纳米加工方法制备金纳米棒4；

6）在步骤1）至4）制备的多层膜样品上旋涂金纳米棒单分散溶液；

7）利用纳米机械手或原子力显微镜等调整金纳米棒4的位置，使其位于量子点5的上方；

8）热蒸发沉积230nm厚的sio2薄膜；

9）通过光刻和干法刻蚀将总厚为240nm的sio2薄膜加工成宽也为240nm的介质条3。

图4是针对发射波长为680nm的基于间隙等离激元和介质承载表面等离激元波导的单光子源器件计算的purcell增强因子随金纳米棒长度变化关系，当金纳米棒的长度为100纳米时，高珀塞尔增强因子达到最大值为3320倍，其中量子点5发射出的光耦合到介质承载表面等离激元波导中的效率为41.45%。通过调整单光子源在金薄膜/金纳米棒间隙等离激元微腔的位置，还可以实现介质承载表面等离激元波导中模式的非对称激发。优化结果为，当量子点位于金薄膜/金纳米棒间隙等离激元微腔左端时，波导左右两个方向收集到光的能量比为1：16。

实施例2

一种基于间隙等离激元和介质承载表面等离激元波导的高发射速率、高收集效率单光子源器件，如图1、2、3所示，该单光子源器件包括si基底1、银薄膜2、si3n4介质条3、金纳米棒4和荧光分子5。

银薄膜2和金纳米棒4构成间隙等离激元微腔，用于形成间隙等离激元；荧光分子5位于银薄膜2和金纳米棒4组成的间隙等离激元微腔中；银薄膜2和si3n4介质条3构成介质承载表面等离激元波导，用于收集荧光分子5发射出的光子。

金纳米棒4与银薄膜2之间的距离为10nm，荧光分子5位于间隙等离激元微腔的中间，与银薄膜2上表面的距离为5nm，金纳米棒的直径为30nm，si3n4介质条3的横截面长和宽均为220nm，银薄膜2的厚度为150nm。

通过计算得到当金纳米棒长度为48nm时，高珀塞尔增强因子达到最大值为3786，其中荧光分子5发射出的光耦合到介质承载表面等离激元波导中的效率为43.02%。

以上实施案例仅是本发明的优选案例，本发明所主张的权利范围不局限于该实施案例，任何不脱离本发明的精神和范围的修改、变形都应属于本发明的保护范围。