精彩论文 | 微纳光子结构中自发辐射

论文导读

      片上单光子源是集成量子信息及其可扩展量子网络的基本组成部分。基于腔量子电动力学的自发辐射增强是制备单光子源的关键原理之一。由于微纳光子结构中独特的光场局域模式，集成在其中的单量子体系自发辐射速率可以被有效的调控。随着片上单光子源的发展需要，利用微纳光子结构的腔模来增强自发辐射变得越来越重要。同时，微纳尺度单光子源的研究也成为量子科学和微纳光子学的重要交叉领域。

      北京大学物理学院古英教授团队于2021年9月16日在 PhotoniX 上以” Spontaneous emission in micro- or nanophotonic structures（微纳光子结构中自发辐射）”为题发表文章，综述了近年来利用微纳光子结构（如回音壁腔、光子晶体、表面等离激元结构、超材料及其杂化结构等）增强自发辐射的最新理论和实验进展。

研究背景

      微纳尺度单光子源是集成量子信息和可扩展量子网络的基础构造模块。而实现单光子源的关键原理之一，就是腔量子电动力学框架下的自发辐射增强（或珀塞尔效应），即通过腔模的改变来调控量子体系自发辐射的速率。根据集成光量子信息的发展趋势，在微纳尺度上实现单光子发射速率的增强对量子信息的处理越来越重要。微纳光子结构中特有的局域场增强或者光学模式体积压缩，给腔量子电动力学，量子信息和光与物质相互作用带来了巨大的优势。

      目前，微纳尺度下自发辐射增强的研究（如在回音壁腔、光子晶体、表面等离激元、超材料等微纳光子结构中），已经取得了很多的研究成果，给人们提供了很多调控和收集单光子的方法和选择。本篇综述主要介绍在这些光子结构在自发辐射方面的理论、实验以及最新的应用。这些研究证明了微纳尺度自发辐射在单光子源、光子回路、片上量子信息方面的重要影响。

技术突破

      腔量子电动力学主要关注腔空间中量子化电磁场（光子）和量子发射体（原子、分子或量子点）之间的相互作用，其主要参量有三个，分别是表征能量在腔模式与发射体之间转换的耦合系数g，表征腔壁损耗的损耗系数κ，以及表征自发辐射的辐射系数γ。当g << κ,γ时，整个系统处于弱耦合状态，大部分光子辐射到环境中，通过调节腔模式，自发辐射速率可以被调控，这就是珀塞尔效应，其辐射增强倍数称为珀塞尔系数F（F∝Q/L³）。

      为了实现自发辐射增强，即增大珀塞尔系数F，需要增大品质因子Q并减小光学模式尺度L，这可以通过设计各种微纳结构来实现。在本综述中，我们重点介绍了回音壁腔、光子晶体、表面等离激元金属纳米结构、超材料和杂化结构中的自发辐射增强。通过精心设计微纳结构中的光学模式，自发辐射增强呈现出不同的特点。

      由表1可见，传统的腔，通常模式尺度L小于0.5mm, 品质因子Q小于10³，相应的珀塞尔系数F在10²数量级。而回音壁腔有着更小的模式尺度L（10到100微米），和更高的品质因子Q（10⁴到10⁹），使得珀塞尔系数F可以非常容易达到10⁵这样一个很高的量级。目前在实验上以及可以制备具有高Q的十微米到百微米级硅基片上回音壁腔并搭配砷化铟、硒化镉等材料的量子点，从而可以实现单光子源制备、单光子传输、量子多体模拟等应用。

      更进一步地，通过在光子晶体中构建缺陷腔或者波导结构，模式尺度L可以小于10微米，不过由于传输损耗，品质因子Q被限制在10³到10⁵，因而珀塞尔系数F不高，通常小于10²，但产生出的增强光子容易通过光子晶体传播通道进行收集。目前在光子晶体缺陷腔的实验方面，利用二氧化钛反蛋白石结构的百纳米级元胞的光子晶体，和硒化镉量子点已经可以实现具有5倍增强的单光子源，而在5到8微米级长度砷化镓光子晶体波导结构中，由砷化铟量子点辐射出的光子可以实现单向传输。

      在表面等离激元结构中，由于局域场增强，模式尺度L可以在亚波长尺度，品质因子Q由于无法避免的金属损耗被限制在10²量级，最终得到珀塞尔系数F达10⁴量级。特别是间隙表面等离激元结构，采用长度微米级而宽度亚波长级尺寸的贵金属金银和电介质硅基材料，在理论和实验上都可以实现亚波长尺度局域场的超大珀塞尔增强，从而实现单光子源和光子收集，从而可以广泛地应用到各种片上集成的单光子源以及纳米激光器上。

      在超材料方面，超表面结构目前的研究主要集中在光子的相位和偏振调控，具体在实验中目前的超表面尺寸普遍在十微米级别以上，相比于之前的结构显得较大，而材料上多采用等离激元材料，从而使得每一个单元都可以视作一个等离激元天线。零折射率材料，有着保持辐射增强不受量子体系位置影响的特点，目前的实验中零折射率材料尺寸一般尺寸与波长同量级，但由于多采用微波波段，其尺寸处于毫米级，制备上用碳化硅或者金属材料人工生成谐振器来实现。而更多的超材料珀塞尔效应的性质还有待进一步研究。

      杂化光子结构则综合了多种微纳光子结构的优点，从而使得自发辐射增强的光子可以具有更多的由光子器件结构所赋予的特性，例如可以把基于间隙表面等离激元的纳米级银天线植入微米长度的硅基拓扑光子晶体中，从而得到受到拓扑保护的自发辐射增强。

      总而言之，目前在微纳光子学结构自发辐射增强方面取得的研究进展，可以应用到片上量子信息处理，量子态调控和量子网络等。

观点评述

      量子科学和微纳光子学的交叉融合将是未来纳米科技创新的灵感之源。基于珀塞尔增强的单光子源是片上量子信息的重要组成部分，可以应用于量子门，量子节点，纳米激光器等方面。同时，杂化结构的引入将使得单光子具有更多的特性，例如拓扑保护。而通过设计具有增益损耗机制的开放腔，单光子增强也可以具有更多的奇异性质。

      而除了腔量子电动力学外，更多的量子领域都可以和微纳光子学相结合。光子增强可以使得量子分束器更易于观察到Hong-Ou-Mandel干涉。增强的纠缠光子对可以使得量子全息具有更好的分辨率和更小的噪声。在量子密钥分发中，也可以降低错误概率从而改善信息传输。因此，量子科学和微纳光子学的交叉结合将是发展的大趋势。

主要作者

      钱祉源，1995年出生于中国江苏张家港，2017年毕业于南京大学物理学院并获得学士学位。现于北京大学物理学院现代光学所攻读博士学位。研究方向包括表面等离激元光学、拓扑光子学、腔量子电动力学及其交叉领域的研究。

      古英，北京大学博雅特聘教授，国家杰出青年基金获得者；致力于微纳光子学、量子光学和量子信息及其交叉领域的基础研究。研究多种微纳光子结构及其组合结构中的光学模式，进而研究这些结构中的量子光场及其和量子体系的耦合、腔量子电动力学、量子干涉及量子信息等，揭示了微纳尺度光和量子体系相互作用的诸多新现象新效应，为芯片上量子光学和量子信息提供了新原理新思路。在Nature nanotechnology、PRL、Chem.、nano letters、《物理》等高水平杂志发表论文90多篇，在国内外学术界产生重要影响。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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