[发明专利]单光子源和铌酸锂电光调制器异质集成器件及其制造方法

说明书

本发明公开了一种单光子源和铌酸锂电光调制器异质集成器件及其制造方法，涉及量子通信器件技术领域，包括有设置在基底上的铌酸锂波导、电极结构、光栅耦合器和带有量子点的纳米梁：其中所述铌酸锂波导包括有第一波导、第一波导分束器、第二波导、第三波导、第二波导分束器和第四波导；所述电极结构包括有信号电极和接地电极；所述纳米梁设置在第一波导上，所述光栅耦合器设置在第四波导上；其中第二波导和第三波导围成的空间中设置有信号电极，在第二波导的外侧和第三波导的外侧均设置有接地电极。本方法与传统技术相比，实现了单光子源与铌酸锂波导的混合集成。

技术领域

本发明涉及量子通信器件技术领域，更具体地，涉及一种单光子源和铌酸锂电光调制器异质集成器件及其制造方法。

背景技术

在量子通信的领域，单光子源与调制器都是核心器件之一。早期的单光子源大多基于衰减激光光源和非线性参量下转化过程，由于其单光子产生的不确定性和低效率，大大限制了其在量子信息处理上的应用。随着半导体工艺的快速发展，利用二能级系统从激发态到基态跃迁的自发光辐射过程，基于半导体自组织量子点的量子光源可以实现触发式地产生单光子，制备的单光子源有着优良的光学特性以及与半导体加工技术的兼容性，被公认为有望实现大规模集成和扩展的固态单光子源。通过对工艺和设计的不断优化，国内外多家知名科研机构都已经制备出高纯度和高亮度的单光子源。另一方面，铌酸锂调制器由于其具备大带宽、小体积、低光学损耗、低能耗、高集成度、良好的线性度以及较高的消光比等优点，从而被广泛应用在光纤通信、微波光子以及光纤传感等领域。为了进一步实现半导体量子点单光子源的实用化，并保证器件的可集成性、可扩展性以及稳定性，将半导体量子点与铌酸锂调制器异质集成在一起，在片上实现对量子信号的调制是实用化量子光源发展的关键技术之一。

目前，产生高性能的半导体量子点单光子源已经开发了多种结构，其中方便异质集成的结构之一是包含量子点的纳米梁结构[Optica,2018,5(6):691-694]；利用片上制备铌酸锂马赫曾德干涉仪(MZI)已经实现了高性能的铌酸锂电光调制器[Nature Photonics,2019,13(5):359-364]。将半导体量子点和铌酸锂电光调制器集成在同一芯片上还没有被报道，该发明将基于微纳器件转移技术[NaturePhotonics,2020,14(5):285-298]；实现单光子源和铌酸锂电光调制器异质集成。

基于以上相关技术背景，研究人员也在单光子源与铌酸锂简单器件的集成方向上有所研究[Applied Physics Letters,2018,113(22):221102]和[Crystals,2021,11(11):1376]，但都是基于半导体量子点与简单的铌酸锂波导器件相结合，仅仅演示了半导体量子点的单光子信号在铌酸锂材料中的传输功能，未曾进一步加以拓展。

为此，结合以上需求和现有技术的缺陷，本申请提出了一种单光子源和铌酸锂电光调制器异质集成器件及其制造方法。

发明内容

本发明提供了一种单光子源和铌酸锂电光调制器异质集成器件及其制造方法，利用包含量子点的纳米梁和铌酸锂调制器异质集成，可以利用纳米梁的微腔增强量子点的发光性能，并利用铌酸锂材料优异的光学性能和电光效应，在芯片上同步时间实现单光子信号的产生与调制。

本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明第一方面提供了一种单光子源和铌酸锂电光调制器异质集成器件，包括有设置在基底上的铌酸锂波导、电极结构、光栅耦合器和带有量子点的纳米梁：其中所述铌酸锂波导包括有第一波导、第一波导分束器、第二波导、第三波导、第二波导分束器和第四波导；所述电极结构包括有信号电极和接地电极；所述纳米梁设置在第一波导上，第一波导通过第一波导分束器分别与第二波导和第三波导连接，第二波导和第三波导均与第二波导分束器连接并连接至所述第四波导，所述第二波导和第三波导相互平行，所述光栅耦合器设置在第四波导上；其中第二波导和第三波导围成的空间中设置有信号电极，在第二波导的外侧和第三波导的外侧均设置有接地电极。