單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置、耦合系統及方法與流程

本發明涉及半導體光源領域，具體涉及單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置、耦合系統及方法。

背景技術：

單光子源應用的一個重要前提就是與光纖的耦合輸出，其中垂直耦合出射結構由于其可陣列化、便于工業化生產、操作相對簡單等優點而得到普遍的應用。傳統的光纖耦合技術包括在材料上刻蝕V型槽后與光纖耦合、光纖錐與光波導的耦合以及開放式外腔技術等，但是這些技術都存在工藝復雜、對準困難、適用范圍有限等不同的局限性。尤其對于量子點單光子源器件與光纖的耦合輸出，由于單光子源的自組織量子點的尺寸在納米量級，器件尺寸在微米量級，為隔離單個單光子源單元的單光子輸出對單光子源器件與光纖的對準精度提出了更高的要求，傳統的耦合方式很難發揮作用。如何準確且便捷地實現光纖與單光子源器件的耦合輸出，是單光子源走向實用化的關鍵一步。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

鑒于上述技術問題，為了克服上述現有技術的不足，本發明提出了一種單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置、耦合系統及方法。

(二)技術方案

根據本發明的一個方面，提供了一種單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置。該單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置包括：單光子源器件樣片，具有多個單光子源單元，所述單光子源單元能夠發射單光子；光纖陣列，包括多根光纖，耦合至所述單光子源器件樣片的上表面，其中光纖陣列中的一根或多根光纖與所述單光子源單元耦合。

根據本發明的另一方面，提供一種用于制作單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的耦合系統，包括：制冷平臺，用于固定及冷卻單光子源器件樣片；六維位移平臺，通過夾具固定光纖陣列，用于移動光纖陣列；激光器，用于產生激發光，激發單光子源器件樣片中的單光子源單元；光譜儀探測器，用于探測所述單光子源單元產生的單光子信號；波分復用器，連接所述激光器、光譜儀探測器和光纖陣列，將所述激光器的激發光傳輸至光纖陣列，將所述光纖陣列接收的單光子信號傳輸給光譜儀。

根據本發明的另一方面，提供一種制作單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的方法，包括：將單光子源器件樣片固定于制冷平臺上，光纖陣列的光纖陣列端面與樣片平行設置且位于樣片上方；將光纖陣列的光纖陣列端面抵近并對準單光子源器件樣片表面；在水平面上移動光纖陣列，對單光子源器件樣片表面實施掃描，通過探測單光子信號確定單光子源單元位置；耦合光纖陣列于單光子源器件樣片的上述單光子源單元位置。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

(1)采用光纖陣列耦合至單光子源器件樣片的單光子源單元上，相比于單根光纖垂直耦合操作更為便捷，無需通過顯微鏡觀察來精確控制光纖端面抵近樣片且固化過程也更易操作；

(2)單光子源器件樣片上設置微柱結構，通過Purcell效應進一步提高單光子源單元的單光子的出射速率。

(3)采用光纖陣列與單光子源器件的微柱陣列耦合，光纖纖芯直徑略小于微柱結構間距，實現每個光纖內芯處有且僅有一個微柱結構，操作便捷可靠，并且采用排式光纖陣列進行耦合相比于單根光纖更具有穩定性強、技術操作簡單可靠等優點；

(4)采用六維位移平臺調節光纖端位置，實現光纖端面在微柱結構上的精確掃描并且可實現原位對準(即測試到單光子信號輸出位置點可原位對準)。

附圖說明

圖1為本發明實施例單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的示意圖；

圖2為制作圖1中單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置應用的耦合系統示意圖；

圖3為制作圖1中單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的方法流程圖。

【主要元件】

1-微柱結構； 2-光纖陣列； 3-光纖陣列端面；

4-光纖； 5-制冷平臺； 6-六維位移平臺；

7-激光器； 8-光譜儀； 9-波分復用器；

10-夾具。

具體實施方式

在描述問題的解決方案之前，先定義一些特定詞匯的定義是有幫助的。本發明中的X方向為水平左右方向，Y方向為水平前后方向，Z方向為豎直方向，XY平面為水平平面。

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

本發明實施例提供了一種單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置，如圖1所示，單光子源器件樣片，具有多個單光子源單元，光纖陣列2，由多根光纖4排布而成，耦合至所述單光子源器件樣片的上表面，光纖陣列2中的一根或多根光纖4與所述單光子源單元耦合。

本發明實施例中的單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置采用光纖陣列實現單光子源器件與光纖的垂直耦合輸出。單光子源器件為具有微柱結構的單光子源器件。如附圖1所示，單光子源器件包括多個陣列排布的微柱結構1，相鄰微柱結構1之間的距離為10μm～50μm，優選為10μm，直徑為1～5μm，優選為2μm，微柱結構1均包括由下至上依次生長的下DBR(Distributed Bragg Reflector)層、有源區以及上DBR層，下DBR層、有源區以及上DBR層形成共振腔，有源區為自組織梯度生長的In(Ga)As/GaAs量子點，只有有源區存在量子點稀點的微柱結構1才可以發射單光子，作為單光子源單元，微柱結構1通過半導體工藝在形成有依次生長有下DBR(Distributed Bragg Reflector)層、有源區以及上DBR層的單光子源器件樣片上刻蝕而成，微柱結構1通過Purcell效應進一步提高單光子的出射速率。

光纖陣列2由多根光纖4陣列排布而成，光纖陣列端面3尺寸優選為3mm×2.5mm，并且經磨平處理，光纖選用普通的單模光纖，光纖4的直徑為125μm，內芯直徑為9μm，略小于相鄰微柱結構1之間的距離，可保證每個光纖內芯處有且僅有一個微柱結構，且相鄰微柱結構1之間的合適距離可以對光纖陣列形成有效的支撐。

本實施例還提供了一種制作上述單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的耦合系統，如圖2所示，其中，制冷平臺5，用于固定單光子源器件樣片，并保持固定單光子源器件樣片處于低溫，可以通過倒入液氮使單光子源器件樣片處于低溫，優選77K。

六維位移平臺6，通過夾具固定光纖陣列2，并在X、Y、Z三個方向上移動光纖陣列2。激光器7，用于產生激發光，來激發單光子源器件樣片中的單光子源單元。光譜儀探測器8，用于探測單光子源單元產生的單光子信號。

波分復用器9(Wavelength Division Multiplexing，WDM)，連接激光器7、光譜儀探測器8和光纖陣列2，將激光器7的激發光傳輸給光纖陣列2中，將光纖陣列2接收的單光子信號傳輸給光譜儀8。

本發明實施例還提供了一種利用上述耦合系統制作單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的方法。采用激光器7發射激發光通過波分復用器9經光纖陣列2激發單光子源器件樣片上的微柱結構1，若微柱結構1為單光子源單元，則受激發光激發產生單光子，反向經過光纖陣列2及波分復用器9，由光譜儀探測器8收集，通過六維位置平臺帶動光纖陣列在樣片的微柱結構1上移動，并通過光譜儀探測器8實時探測單光子來尋找微柱結構1中的單光子源單元，確定單光子源單元位置而后通過紫外膠固化原位將光線陣列2耦合至單光子源單元形成單光子源光纖輸出器件。

其中光纖陣列2中一根光纖或根光纖用于傳輸激發光和單光子信號，優選用一根光纖來傳遞傳輸激發光和單光子。

具體的，制作單光子源器件光纖陣列耦合輸出裝置的方法包括以下步驟，如圖3所示：

步驟A：在量子點單光子源器件樣片上刻蝕出陣列排布的微柱結構1。

具體的，在GaAs(SI)襯底上依次生長的下DBR(Distributed Bragg Reflector)層、有源區以及上DBR層，下DBR層、有源區以及上DBR層形成共振腔，有源區為自組織梯度生長的In(Ga)As/GaAs量子點，形成樣片，利用電子束曝光和干法刻蝕等工藝流程在樣片上刻蝕出陣列排布的微柱結構1，相鄰兩微柱結構1之間的距離為10μm，周期性排列的微柱結構對后述的光纖陣列端面3也有支撐作用。

步驟B：將單光子源器件樣片固定于制冷平臺5上，光纖陣列2的光纖陣列端面3與樣片平行設置且位于樣片上方。

具體的，光纖陣列2由多根光纖4陣列排布而成，光纖陣列端面3尺寸優選為3mm×2.5mm，并且經磨平處理，利于提高單光子的收集效率，光纖4的直徑為，優選為125μm，內芯直徑略小于鄰微柱結構1之間的距離，為9μm，保證每個光纖內芯處有且僅有一個微柱。

樣片固定于制冷平臺5上，制冷平臺5用于降低樣片溫度，在溫度優選為77K溫度下可通過光譜儀8觀測量子點的光譜信號，光纖陣列2由夾具10固定，夾具10的具體位置由六維位移平臺6控制，將光纖陣列2通過夾具固定于樣片正上方，調節六維位移平臺6使得光纖陣列端面3與樣片平行。

步驟C：將光纖陣列2的光纖陣列端面3抵近并對準單光子源器件樣片的微柱結構1；

具體的，將光纖陣列2通過夾具10固定并將光纖陣列3端面抵近并對準測試樣片的微柱結構1后，激光器7發射激發光，經波分復用器9及光纖陣列2激發與光纖陣列2相對準的微柱結構1，若微柱結構1為單光子源單元，則受激發光激發產生單光子，反向經過光纖陣列2及波分復用器9，由光譜儀探測器8探測到單光子信號，若微柱結構1不是單光子源單元，則光譜儀探測器8探測不到單光子信號；

步驟D：移動光纖陣列2，對微柱結構1實施掃描，確定單光子源單元位置。

通過六維位移平臺6來調節光纖陣列端面3的位置來對樣片上微柱結構1在XY平面內實施掃描，并實時觀測光譜儀探測器8是否探測的單光子信號，若探測到單光子信號，則停止掃描，保持光纖陣列端面3的位置不動。

步驟E：耦合光纖陣列2與單光子源器件樣片。

具體的，通過六維位移平臺6將光纖陣列2在Z軸方向上抬高，在相應的樣片區域涂覆紫外膠，通過六維位移平臺6將光纖陣列2在Z軸方向上降低，使得光纖陣列端面3緊密抵近樣片，采用紫外燈照射固化固定，實現單光子源器件的光纖耦合輸出。

盡管本發明實施例僅給出了單光子源與光纖的耦合輸出，本發明還可用于垂直發射器件如垂直腔面發射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)的光纖耦合，具有廣泛的應用前景。

應注意，附圖中各部件的形狀和尺寸不反映真實大小和比例，而僅示意本發明實施例的內容。

實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發明的保護范圍。并且上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換。

例如：

(1)具有微柱結構的單光子源器件可以用不刻蝕微柱僅含有上下DBR共振腔的量子點樣片來替代，可以省略步驟A；

(2)具有微柱結構的單光子源器件還可以用VCSEL這種面發射的器件來替代形成耦合輸出裝置；

(3)具有微柱結構的單光子源器件還可以用含氮空位色心的金剛石納米晶體來替代形成耦合輸出裝置。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。