第4章量子点单光子源

4. 量子点单光子源：从能带到芯片

量子点单光子源，说白了就是一个人造原子。你想想看，真正的原子太小了，我们很难控制它。但量子点不一样，它是个纳米尺度的半导体晶体，我们可以把它放在芯片上，用电或者光去驱动它，让它一个接一个地吐出光子。

我最早接触量子点是在做微腔耦合实验的时候。那时候我总觉得这东西太娇气，动不动就受温度影响。后来做多了才发现，其实只要摸清它的脾气，量子点反而是最稳定的单光子源之一。

量子点的能级，跟原子非常像。它有三个关键特征：

关键参数：量子点的激子结合能通常在 10-30 meV 之间。这个值越大，激子越稳定，室温下工作的可能性就越高。我在项目中遇到过一批 InAs/GaAs 量子点，结合能只有 12 meV，到了 77K 以上就完全看不到激子峰了。

共振荧光激发，是获取高质量单光子的首选方案。它的原理很简单：用一束激光，正好打在量子点的激子跃迁频率上。

为什么说它好？因为共振激发不会产生多余的载流子，也就不会有背景荧光。你想想看，如果我用高于带隙的光去激发，量子点周围那些缺陷、杂质都会被激发，发出乱七八糟的光。但共振激发只打量子点本身，干净得很。

不过这里有个坑——激光泄漏。共振激发的激光和量子点发出的光，频率几乎一样。你怎么把激光滤掉？

我的经验：我建议用交叉偏振滤波。把激发激光的偏振调成水平，量子点的发射偏振调成垂直。然后用一个偏振分束器，可以把激光抑制 40 dB 以上。当然，这要求量子点的发射有确定的偏振方向，不是所有量子点都满足。

另一种方法是侧向激发。把激光从样品侧面打进去，量子点发出的光从上面收集。这样激光和发射光在空间上就分开了。我试过这种方法，抑制比能做到 60 dB，但耦合效率会低一些。

Purcell效应，说白了就是用一个微腔来加速量子点的发光。你想想看，量子点本来自发辐射需要 1 纳秒，如果把它放在一个高品质因子的微腔里，这个时间可以缩短到 100 皮秒。

为什么会这样？因为微腔改变了真空电磁场的模式密度。量子点发现周围的光子态密度变大了，它就迫不及待地把能量释放出去。

Purcell因子 F_p 的计算公式是：

F_p = (3/4π²) × (λ/n)³ × (Q/V)

其中 Q 是品质因子，V 是模体积。Q 越大、V 越小，Purcell 效应越强。

微腔类型	典型 Q 值	典型模体积	Purcell 因子
光子晶体微腔	10⁴ - 10⁵	(λ/n)³	10 - 100
微柱腔	10³ - 10⁴	10(λ/n)³	1 - 10
回音壁模式微腔	10⁶ - 10⁸	100(λ/n)³	10² - 10⁴

注意：Purcell 效应不是越大越好。我曾经做过一个光子晶体微腔，Q 值做到了 10⁵，Purcell 因子 80。结果量子点的发射线宽被展宽到了 50 μeV，反而降低了单光子的不可区分度。所以要在 Purcell 因子和相干性之间找平衡。

这两种驱动方式，各有各的用场。

光致发光：用激光去激发量子点。优点是简单，不需要做电极，样品制备容易。缺点是整个系统体积大，需要一台激光器。我早期做实验都是用光致发光，因为那时候还不会做电学接触。

电致发光：在量子点周围做 p-i-n 结，通电注入载流子。优点是集成度高，可以做成芯片级的单光子源。缺点是工艺复杂，而且电注入会产生焦耳热，影响量子点的性能。

我个人习惯是：做原理验证用光致发光，做实用器件用电致发光。电致发光最难的是怎么把电流精确地注入到单个量子点上。我见过一个方案，在量子点上方做一个几微米大小的氧化孔，电流只能从这个小孔流过去，这样就能保证只激发一个量子点。

避坑指南：我曾经在电致发光器件上吃过亏。当时为了降低接触电阻，我做了重掺杂的接触层。结果掺杂原子扩散到了量子点层，把量子点的发光效率降到了原来的十分之一。后来我改用 δ 掺杂，把掺杂层限制在离量子点 20 nm 以外的地方，才解决了这个问题。

下面这张图，把量子点单光子源的核心逻辑串起来了。从能级结构出发，到激发方式，再到腔增强，最后到器件实现，每一步都有它的物理原理和工程考量。

这张图里，能级结构是基础，决定了量子点能发出什么颜色的光。激发方式决定了光子的质量，微腔耦合决定了光子的速率，最后器件实现把这一切变成可用的单光子源。

做量子点单光子源，说白了就是在这四个维度上做优化。每个维度都有 trade-off，没有完美的方案，只有最适合你应用场景的方案。

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