微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)對(duì)于基礎(chǔ)研究和應(yīng)用量子技術(shù)變得越來(lái)越重要。該結(jié)構(gòu)的突出應(yīng)用實(shí)例是微腔和量子點(diǎn)，重要的應(yīng)用實(shí)例包括單個(gè)或糾纏的光子源、量子計(jì)算機(jī)的量子位和各種傳感器。這些結(jié)構(gòu)還能夠使得量子極限下的研究變成可能，例如微腔中的量子振蕩、量子點(diǎn)的量子電動(dòng)力學(xué)（QED），或者甚至在空腔中具有單量子點(diǎn)的腔QED 研究。

許多應(yīng)用需要具有合適的可調(diào)諧連續(xù)波（CW）激光器的共振光學(xué)激發(fā)。通過(guò)以正確的波長(zhǎng)光學(xué)泵浦微腔，甚至可以產(chǎn)生微觀的相干頻率梳和短的光脈沖——這是一項(xiàng)非常有前景的應(yīng)用，有望對(duì)光電子學(xué)產(chǎn)生重大影響。

微腔

由于環(huán)境的去相干，在宏觀物體中通常觀察不到量子特性，除非使用特定的樣品幾何形狀和冷卻。例如使用微腔，是在相對(duì)較大的微米級(jí)結(jié)構(gòu)中觀察量子效應(yīng)的一種可能性。圖 1展示了一種隔離的、直徑約 30μm的環(huán)形玻璃微腔，結(jié)合了宏觀機(jī)械振蕩器和環(huán)形高 Q 光學(xué)腔。光經(jīng)由倏逝場(chǎng)耦合到空腔中，通過(guò)全內(nèi)反射從環(huán)形壁反射，通過(guò)輻射壓力在結(jié)構(gòu)上傳遞小的力。

通過(guò)這種方式，耦合的光可以影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，反之亦然。該特性使得微腔成為量子研究中激動(dòng)人心的研究對(duì)象。例如，研究人員觀察到光和機(jī)械振蕩之間的參數(shù)耦合，并且還使用基于光學(xué)機(jī)械耦合的傳感器，對(duì)這種微腔進(jìn)行主動(dòng)反饋冷卻。

由于其小尺寸，微腔的自由光譜范圍相對(duì)較大，微小的尺寸偏差將導(dǎo)致腔諧振出現(xiàn)大的光譜偏移。因此，寬范圍的無(wú)跳?？烧{(diào)諧激光器是發(fā)現(xiàn)和研究微腔共振頻率，或掃描腔的一個(gè)以上自由光譜范圍的重要工具。此外，激光器必須在功率和頻率上具有低噪聲，以避免有害的雜亂無(wú)章的機(jī)械振蕩。

微腔諧振頻率對(duì)尺寸和其他環(huán)境參數(shù)的依賴性，有望開(kāi)發(fā)用于有前景的應(yīng)用 ：溶液中單個(gè)生物分子的無(wú)標(biāo)記檢測(cè)。使用微型光學(xué)諧振器結(jié)合寬范圍的無(wú)跳模激光器（例如 Toptica公司的 DLC CTL），使得上述應(yīng)用成為可能。研究人員已經(jīng)描述了這樣的激光器如何被頻率穩(wěn)定到微型光學(xué)諧振器，并且觀察到由結(jié)合到諧振器的分子引起的光共振頻率如何移動(dòng)。通過(guò)這種方式，檢測(cè)并區(qū)別出半徑在2~100nm 之間的粒子。

該結(jié)果進(jìn)一步拓展到用于非侵入性腫瘤活檢測(cè)定，以及為溶液中的光學(xué)質(zhì)譜儀提供依據(jù)。對(duì)于這種應(yīng)用，不僅需要寬范圍的無(wú)跳模調(diào)諧，而且能夠方便地將激光器穩(wěn)定到微腔。例如，CTL 激光器具有內(nèi)置的全數(shù)字穩(wěn)定電子器件，并且可選擇使用高帶寬模擬或快速數(shù)字鎖定電子器件。

基于微諧振器的頻率梳

微諧振器也越來(lái)越多地被用于產(chǎn)生光學(xué)頻率梳。由于導(dǎo)引光場(chǎng)的小模式體積和高達(dá) 1010 的高 Q 因子，這些諧振器的強(qiáng)度變得非常高，使得非線性效應(yīng)變得非常強(qiáng)烈。微諧振器可以通過(guò)非線性四波混頻將 CW 激發(fā)光轉(zhuǎn)換成其他頻率分量，從而產(chǎn)生頻率梳（見(jiàn)圖 2）。

所得到的頻率梳的性質(zhì)，在很大程度上取決于泵浦激光波長(zhǎng)，因?yàn)镃W 激光器可以激發(fā)非相干高噪聲狀態(tài)以及孤子態(tài)。孤子態(tài)是有利的，因?yàn)樗玫降念l率梳是相干的并且具有極低噪聲、窄線寬和短脈沖。如果從較高頻率到較低頻率掃描泵浦激光器，將發(fā)生不同孤子態(tài)間的急變階段。每個(gè)階段對(duì)應(yīng)于在微諧振器中循環(huán)的孤子數(shù)量的連續(xù)減少。通過(guò)反饋至激光器，可以在其中一個(gè)階段穩(wěn)定微型梳，從而允許穩(wěn)定的孤子操作。圖 3所示為由可調(diào)諧二極管激光器泵浦氮化硅（SiN ；見(jiàn)圖 4）制成的這種微腔的光學(xué)單孤子光譜。

 

 

基于晶體的微諧振器特別有前途，因?yàn)樗鼈兙哂凶罡叩?Q 因子。迄今為止，它們只是用低噪聲光纖激光器泵浦。這種光纖激光器不是寬調(diào)諧的，而傳統(tǒng)的可調(diào)諧二極管激光器由于噪聲較高而不合適。然而，新一代連續(xù)可調(diào)諧二極管激光器現(xiàn)在具有超低噪聲電流驅(qū)動(dòng)器和激光諧振器，允許低于 10kHz 的窄線寬和低漂移。使用這些可調(diào)諧二極管激光器，甚至可以泵浦基于晶體的微型頻率梳。通過(guò)高帶寬主動(dòng)頻率穩(wěn)定，激光器的線寬可以降低到 1Hz 的水平，以研究泵浦激光器的噪聲對(duì)微型頻率梳的影響。

表征微諧振器中的色散，對(duì)于設(shè)計(jì)具有理想特性的器件是極其重要的。在這里，最終的工具是鎖定到以非常受控的方式移動(dòng)的穩(wěn)定梳無(wú)跳?？烧{(diào)激光器。

量子點(diǎn)

半導(dǎo)體量子點(diǎn)在三維尺寸上具有納米尺寸，使得它們的電子狀態(tài)由于緊約束而被量化。這些量子點(diǎn)也顯示出其他的類單原子特性，如較強(qiáng)的光子反聚束和近壽命極限的線寬，通常被稱為人造原子。它們是有趣的系統(tǒng)，可用于實(shí)現(xiàn)量子位，并且由于半導(dǎo)體加工已被很好地理解，半導(dǎo)體量子點(diǎn)是可擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)尤為有希望的候選者。與實(shí)際原子不同，半導(dǎo)體量子點(diǎn)可以以固態(tài)的方式生長(zhǎng)，像光子晶體腔和波導(dǎo)等其他結(jié)構(gòu)可以在其周圍構(gòu)建（見(jiàn)圖 5）。

量子點(diǎn)狀態(tài)的共振光學(xué)激發(fā)，對(duì)于相干狀態(tài)的操縱和檢測(cè)而言尤為重要。然而，由于本征隨機(jī)生長(zhǎng)過(guò)程，所有量子點(diǎn)的尺寸略有不同，因此具有不同的光學(xué)共振頻率。為了發(fā)現(xiàn)和共振激發(fā)單個(gè)量子點(diǎn)的光學(xué)躍遷，寬范圍、無(wú)跳模的可調(diào)諧窄帶激光器是理想的工具。

對(duì)于耦合的量子點(diǎn)尤其如此。在通往可擴(kuò)展量子位陣列的路途中，耦合量子點(diǎn)最近引起了相當(dāng)大的興趣。耦合量子點(diǎn)上的電子傳輸測(cè)量已經(jīng)展示了電子和核自旋的自旋敏感耦合和操縱，并且已經(jīng)在自組裝耦合量子點(diǎn)中測(cè)量和計(jì)算了耦合激子的光譜。

一種方法是在彼此之上生長(zhǎng)自組裝的耦合量子點(diǎn)。這種量子點(diǎn)分子中的量子點(diǎn)相互耦合，可以通過(guò)電子 -空穴交換相互作用和電子 - 電子交換耦合來(lái)支配。通過(guò)其柵極電壓改變量子點(diǎn)電荷狀態(tài)，然后在這兩個(gè)機(jī)制之間切換并改變 / 控制耦合強(qiáng)度。

這樣的可變耦合強(qiáng)度使得這種雙量子點(diǎn)對(duì)于量子比特和量子計(jì)算應(yīng)用是有趣的。然而，它們的光學(xué)諧振可以相差幾十納米（約 10THz），以再次共振激發(fā)兩個(gè)量子點(diǎn)，需要寬范圍可調(diào)諧的無(wú)跳模激光器，來(lái)容易地從一個(gè)量子點(diǎn)改變到另一個(gè)量子點(diǎn)。

光子納米結(jié)構(gòu)中的量子點(diǎn)

單光子級(jí)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要方面，是有力地增強(qiáng)和控制光與物質(zhì)間的相互作用，使得發(fā)射的單光子優(yōu)先耦合到明確定義的光學(xué)模式中。通過(guò)將量子點(diǎn)集成到諸如波導(dǎo)或光子晶體結(jié)構(gòu)（例如空腔）的其他半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，甚至腔 QED 實(shí)驗(yàn)也是可能的，而不需要捕獲原子。

光子納米結(jié)構(gòu)提供了一種調(diào)節(jié)光與物質(zhì)間相互作用的手段。它們使得一系列實(shí)驗(yàn)成為可能，例如自發(fā)發(fā)射控制、改進(jìn)的蘭姆位移和增強(qiáng)的偶極 -偶極相互作用，以及高效的單光子源和非常大的非線性。

例如，通過(guò)將量子點(diǎn)集成到光子晶體波導(dǎo)中，丹麥哥本哈根 Niels BohrInstitute 的研究人員能夠證實(shí)單光子水平的非線性光學(xué)元件——單個(gè)光子被量子點(diǎn)反射，而多光子將通過(guò)（見(jiàn)圖6）。光子間的這種非線性相互作用，使得經(jīng)典和量子信息技術(shù)的邏輯運(yùn)算成為可能，為可擴(kuò)展的基于波導(dǎo)的光子學(xué)量子計(jì)算架構(gòu)鋪平了道路。

這里討論的微納和量子應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)有一個(gè)共同點(diǎn)——它們需要寬范圍無(wú)跳模的可調(diào)諧激光器。新一代外腔二極管激光器（ECDL）可以提供非常高分辨率、非常寬范圍的調(diào)諧，同時(shí)表現(xiàn)出窄線寬、低噪聲和低漂移。這些改進(jìn)的性能部分源于全數(shù)字控制器，確保主動(dòng)反饋回路中的單模運(yùn)行，以及在必要時(shí)自動(dòng)優(yōu)化激光腔的能力。

可調(diào)諧二極管激光器的最新進(jìn)展，使得探索微納和量子世界變得更加方便。本文所討論的一些主題，可能會(huì)對(duì)未來(lái)的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，例如當(dāng)微頻率梳置于手機(jī)或汽車中時(shí)，它們的衛(wèi)星通信由量子加密保護(hù)，通過(guò)光子晶體中的量子點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（文/ Rudolf Neuhaus；Toptica Photonics公司）