1.55μm單光子源用Si/SiO2-InP微柱腔的魯棒性研究

黃 帥，張 偉，席 琪，趙新華，謝修敏，徐 強，周 強，宋海智*

(1.西南技術物理研究所，成都 610041;2.電子科技大學 基礎與前沿研究院，成都 610054)

引 言

光學微腔在光通信、非線性光學、光電子學和量子信息處理領域有廣泛的應用前景[1-2]。在固態量子信息方面，含有半導體量子點(quantum dot,QD)的微腔已被證明是高效的[3-5]、甚至相干的單光子源(single photon source，SPS)[6-9]。迄今為止，人們設計了許多類型的微腔，如微盤[3]、光子晶體[4]和微柱[5]。在這些結構中，微柱腔有高光纖耦合效率[10]和可進行電抽運等優勢[11]，非常適用于光纖量子通信系統。半導體InAs/InP量子點可以高效地發射1.55μm的光，是十分有前景的單光子源材料[12]。基于此，作者設計了含有InAs/InP量子點的Si/SiO2-InP混合微柱腔，并證明其適用于通信波段相干單光子發射[13-14]。通過引入漸變層設計，作者設計的微腔在相同高度下，相對于傳統微腔，品質因子提升3個數量級。制備所設計的高品質微柱腔，通常可采用分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)或金屬有機物化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)、薄膜沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)和電感應耦合等離子體(inductively coupled plasma,ICP)深刻蝕等工藝，且結合襯底減薄、晶圓鍵合、表面鈍化等方法[15-16]。因此，實際制備的微腔結構必然與所設計的理想結構有比較大的偏差。這種工藝偏差是否會導致微柱腔性能的嚴重減退甚至失效，是一個需要探討的重要問題。在本文中，作者系統研究了工藝缺陷和誤差造成的腔體形狀不完美和工藝誤差對Si/SiO2-InP混合微柱腔品質的影響，論證了所設計量子點單光子源的技術可行性。

1 理想微腔結構與性能

設計的微柱腔由InP中間層及其上下兩側的Si/SiO2分布式布喇格反射器(distributed Bragg reflector,DBR)構成，如圖1a所示。……