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面向单光子源的光子晶体微腔动力学研究

贲宇  
【摘要】:单光子源是量子信息领域的关键器件。本论文以研制半导体基的单光子源为背景,研究了与之相关的微腔理论,具体的说,是量子点与光子晶体微腔耦合系统的动力学理论。 论文首先提出了一种具有更高灵活性的三维光子晶体结构,并分析了其能带结构和缺陷模特性。分析表明,虽然该光子晶体不具有完全光子带隙,但通过调整结构参数,仍可以得到稳定的缺陷模式。该模式的各种参数满足坏腔极限关系,从而有利于提高系统的效率 接着,论文通过求解主方程研究了量子点与光子晶体微腔耦合系统的动力学特性。分析表明,该系统的辐射速率可以增强100 倍左右,这将有利于光子发射效率的提高。同时,系统的平均发射光子数相对峰值激发速率会呈现一个最大值,多余的激发脉冲面积会降低发射效率。这一结论与先前的实验报道相符合。此外,该最大值还依赖于激发脉冲的脉宽,一个激发脉冲所激发出的连续两个光子会在二阶相关测量中导致一个伪峰值。 论文还通过求解主方程,并应用量子回归定理研究了共振激发以及非共振激发条件下的光子不可区分度以及发射效率。分析结果表明,在非共振激发条件下,提高光子不可区分度与提高发射效率是彼此矛盾的;而如果采用共振激发的方式,就可以同时提高不可区分度和发射效率。这对于将单光子源应用在线性光学量子计算中是非常重要的。此外还发现,非共振激发与共振激发所能够达到的最优效率几乎一样,但是为了达到该最优效率所需要的激发速率却差别很大。共振激发条件下所需的激发速率比非共振激发条件下的小得多。由于高的激发速率对应于高的激发功率,从而也就对应了高的工作温度,而高温是半导体器件所不希望出现的。所以,在效率方面,共振激发也比非共振激发具有更多的优势。


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