eLight | 量子点微腔-超透镜单片集成量子光源

高品质单光子源是构建光量子信息系统的核心基础器件之一。在众多单光子实现方案中，基于固态量子发射体的技术路线因其与现代半导体工艺高度兼容，已成为集成量子光学的重要发展方向。其中，自组织外延生长的半导体量子点能够作为类“两能级系统”实现确定性单光子发射，并借助腔量子电动力学效应，通过光学微腔结构显著提升自发辐射速率和出射方向性，从而在单光子纯度、亮度和光子不可区分性等关键指标上展现出优异的器件性能。然而，传统腔增强量子点单光子源的出射模式通常较为简单，多局限于类高斯模式和线偏振态，难以对量子态在多个自由度上进行进一步灵活调控，从而限制了其在高维量子信息处理中的应用潜力。

另一方面，超构表面作为一种由亚波长人工微结构组成的平面光学器件，具有设计自由度高、结构轻薄、稳定性好和易于集成等优势，为多自由度的光场调控提供了有力手段。近年来，超构表面已逐步拓展至量子光学领域，为量子态调控开辟了新的技术路径。然而，超构表面本身对光与物质相互作用的增强能力有限，难以像高品质微腔那样提供强Purcell增强效应，因此在实现高亮度、高不可区分性单光子产生方面仍存在明显制约。

要实现同时具备高不可区分性单光子产生能力和光子态多维调控能力的集成器件，关键挑战在于，前者依赖于增强光与物质相互作用的窄带腔共振，而后者则需要用于操控光子态的宽带超构表面，这两种需求在器件设计上存在内在矛盾。如何在同一集成平台上兼顾微腔量子点耦合器件和超构表面的各自优势，既利用高品质因子微腔增强单光子性能，又借助超构表面实现量子态的多维调控，从而发展高性能与高功能的新型集成量子光源，已成为当前集成光量子信息领域面临的重要科学问题与技术挑战。

研究团队创新性地提出了量子点微腔与超透镜单片集成的器件方案，突破了片上量子光源长期以来难以兼顾单光子全优特性（纯度、亮度和不可区分性）和辐射光子态多维按需调控的关键瓶颈。具体地，研究人员在同一块 III-V 族半导体芯片的正反两面，分别构建了量子点-微柱腔单光子源和超构透镜。量子点在微柱腔中耦合并向芯片背面辐射单光子，光子经过约350 μm 厚的GaAs衬底传播后，到达器件底部的超构透镜，并在其作用下实现了辐射准直、出射方向、偏振态和轨道角动量（OAM）等维度的调控（图1a）。这一结构设计的关键在于，微柱腔输出端约2 μm直径的光场模式在传播至背面时可自然扩展至约103 μm，从而与超构透镜实现充分作用，保证高质量的光子态调控效果。该方案在近场层面有效解耦了量子点发射增强与波前调控两个过程，使单光子的高性能产生与多维光子态调控能够分别独立优化，在不牺牲腔增强性能的前提下实现功能集成。

图1：量子点微柱腔-超构透镜单片集成器件的工作原理。(a) 量子点微柱腔-超构透镜单片集成器件示意图。 (b) 芯片正面量子点微柱腔示意图。 (c) 量子点微柱腔单光子源的Purcell 因子和提取效率的数值模拟。(d) 芯片背面超构透镜的单元结构示意图。 (e) 不同尺寸超构单元的透过率和相位仿真结果。(f) 微柱腔向器件底部发射光子的横向光场数值模拟。(g) 微柱腔辐射光场的发散角。 (h)微柱腔辐射光场在GaAs衬底中传播的光场数值模拟

在量子点微柱腔的衬底背面集成超构透镜后，原本由微柱腔辐射、具有一定发散角的单光子可被有效准直。实验结果表明，经背面超构透镜调控后，单光子的远场辐射发散角从 28.30° 显著压缩至 1.44°，展现出优异的准直出射特性（图2c,d,e）。在此基础上，研究团队对准直后的单光子源的性能进行了系统表征。在共振激发条件下，测得量子点与腔模共振和失谐时的寿命分别为205.5 ps和675.6 ps，对应微柱腔对量子点自发辐射速率的 Purcell增强因子约为 3.3（图2f）。进一步地，通过Hanbury-Brown-Twiss(HBT)和Hong-Ou-Mandel(HOM)实验，测得该单光子源的二阶关联函数g⁽²⁾(0)为0.070(1)（图2h），双光子干涉可见度V_HOM为0.736(2)（图2i）。此外，结合 π 脉冲下单光子计数与系统效率标定，推算得到器件的单光子提取效率为35.7%。上述结果表明，量子点微柱腔与超构透镜集成器件不仅能够实现高质量的准直单光子出射，同时还保持了高亮度 (35.7%)、高纯度 (g⁽²⁾ (0) = 0.070(1)) 和高不可区分性 (V_HOM = 0.736(2))等单光子性能。

图2：超构透镜准直单光子源的表征。(a) 集成超构透镜准直单光子源的示意图。(b) 量子点与腔模式共振及失谐状态下的荧光光谱。(c) 集成超构透镜准直的单光子发射远场图像。(d) 无准直超构透镜的微柱腔单光子发射远场图像。(e) 有无集成准直超构透镜的单光子发射远场发散角对比。(f) 量子点在与微柱腔模式共振和失谐时的光子寿命，对应约 3.3 倍的自发辐射速率增强。(g) 共振荧光强度随脉冲激发激光功率的变化关系。 (h, i) π脉冲激发下单光子的HBT和HOM实验结果

图3：利用量子点微柱腔-超构透镜集成器件产生多维度调控的单光子态。(a,b) 辐射发散角、出射方向、偏振态以及OAM等多个自由度的独立协同调控单光子态演示的模拟与实验测量结果。(c,d) 实验制备得单光子偏振-OAM纠缠态的量子态层析结果

研究团队还进一步展示了该器件在拓扑单光子态产生方面的独特能力。通过对单光子的偏振分量和相位分布进行协同设计，器件可在出射光场中构造具有拓扑偏振纹理的单光子斯格明子。实验中，研究人员首先实现了斯格明子数为 1 的拓扑单光子态，根据实验测得的斯托克斯参数重构结果，提取出的斯格明子数为 0.99，与理论值高度一致（图4b）。研究团队还利用同一平台成功制备了斯格明子数从 2 到 5 的多种拓扑单光子态，体现出该器件在复杂拓扑光场构造方面的高度灵活性。更进一步，研究团队系统研究了单光子斯格明子在大气湍流中的传播稳定性（图4c,d,e）。通过空间光调制器模拟构造的大气湍流实验，研究人员发现，尽管湍流会引起局域偏振纹理和斯格明子边界的形变，但借助拓扑边界识别方法，单光子斯格明子的斯格明子数在不同扰动强度下仍能保持稳定。与具有相同拓扑荷的 OAM 单光子相比，携带斯格明子纹理的单光子在湍流环境中表现出更强的稳健性，展现出拓扑结构在抗扰动传播中的独特优势。这一结果表明，拓扑单光子斯格明子有望成为发展高抗噪声量子通信、高容量量子存储和稳健量子信息传输的重要新型量子资源。

图4：利用量子点微柱腔-超构透镜集成器件产生具有拓扑稳定性的单光子斯格明子。(a) 微腔-超构透镜集成器件产生单光子斯格明子的示意图。(b) 器件生成单光子态中斯格明子数等于 1 的归一化斯托克斯矢量分布。(c) 单光子斯格明子在湍流环境中拓扑保护特性的理论模型。 尽管斯托克斯矢量场及其边界存在畸变，但仍可通过边界识别准确恢复矢量场的斯格明子数。(d) 单光子斯格明子在穿过不同强度的大气湍流后，实验测得的斯托克斯矢量场及相应的斯格明子数。(e) 携带斯格明子纹理（s=1）和 OAM（l=1）的单光子在穿过大气湍流后，斯格明子数和 OAM 模式纯度随湍流强度 D、r₀的演化关系

本研究成功构建了基于量子点微柱腔与超构透镜单片集成的单光子发射器件，在同一芯片上实现了高性能单光子产生与多维量子光场调控的有机结合。该平台一方面继承了微柱腔量子点体系在单光子源亮度、纯度和不可区分性方面的优异性能，另一方面通过背面超构透镜赋予单光子在发散角、方向、偏振和 OAM 等多个维度上的灵活可控能力，并进一步支持偏振-OAM 纠缠态和单光子斯格明子等高维量子态的片上产生。通过系统的光学表征，研究团队展示了该器件在现有超构表面集成平台量子光源中的综合最优性能，作为一种全固态、多功能、可扩展的集成架构，该工作为量子光学与超构光学的深度融合开辟了新的研究路径，也为高信息容量、高抗噪能力和高安全性的未来量子网络提供了新的核心光源平台。

Ma, J., Liu, D., Liu, S. et al. High-performance sources of multidimensionally engineered quantum light based on monolithic microcavity-metalens interfaces. eLight 6, 16 (2026). 

https://doi.org/10.1186/s43593-026-00130-3