1. 单光子源器件工程导论

单光子源，是指能够在确定时刻、确定空间模式中发射“至多一个光子”的量子光源。它与激光最本质的区别在于光子数统计：理想激光的每个脉冲内光子数服从泊松分布，存在同时发射两个及以上光子的概率；而理想单光子源每个激发周期只贡献一个光子，二阶关联函数在零延迟处满足 g⁽²⁾(0)=0。量子点作为半导体纳米晶体，其能级呈分立“原子式”结构，电子—空穴复合后进入真空态，天然具备“一次只放一个光子”的物理基础，因此成为固态单光子源最重要的候选体系之一。

核心性能指标：四个数字决定器件成败

评价一个量子点单光子源，工程上通常围绕四项指标展开，它们彼此制约，构成器件设计的核心矛盾。

• 纯度（单光子性）：用脉冲激发下的 g⁽²⁾(0) 衡量，理想值为 0。实测中 g⁽²⁾(0)<0.1 已属高质量，<0.01 接近理想。纯度不足往往来自背景光、多激子发射或邻近量子点串扰。
• 不可分辨性：用 Hong-Ou-Mandel 干涉可见度 V 衡量，理想值 1。它反映两个先后发射的光子是否“全同”。量子点中电荷噪声、声子耦合和谱扩散会使 V 下降，典型低温共振荧光下可达 0.9 以上，非共振激发下常降至 0.5～0.8。
• 效率：包括量子效率（内部辐射复合占比）和收集效率（光子被引导进光纤的比例）。单光子源要实用，通常要求端到端效率 >10%，先进器件可达 50% 以上。
• 寿命：指激发态辐射寿命 τ，典型值 0.5～2 ns。寿命越短，器件可支持的重复频率越高；但寿命过短也会带来谱线展宽，需与不可分辨性折中。

这四项指标并非独立：提高激发功率可提升效率，却可能引入多激子而恶化纯度；缩短寿命可提高速率，却可能牺牲不可分辨性。器件工程的任务，正是在这些约束下寻找最优工作点。

器件工程的任务与挑战

从物理现象到可用器件，中间隔着一条完整的工程链路。首先是材料生长：用分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）在 GaAs 衬底上自组装生长 InAs 量子点，通过控制沉积量、生长温度和退火条件，把量子点面密度调控在 10⁹～10¹¹ cm⁻²，并使其发光波长落在 900～1300 nm 的近红外窗口。面密度过高会导致量子点之间串扰，过低则难以定位单个目标。

其次是结构设计：为了把光子高效引出，常在量子点上方或周围制作微柱腔、光子晶体腔或固体浸没透镜。微腔通过 Purcell 效应缩短辐射寿命、提高收集效率，但也会引入谱线匹配难题——腔模必须与量子点激子线精确对准，偏差超过线宽就会失效。工程上常用温度调谐或应变调谐来微调腔模位置。

第三是工艺制备：包括电子束曝光、干法刻蚀、电极蒸镀等。刻蚀侧壁粗糙度会引入散射损耗，电极接触电阻会影响电注入效率。对于电驱动器件，还需在 p-i-n 结构中精确控制掺杂分布，使电子和空穴高效注入到量子点区域。

最后是测试表征：用 Hanbury Brown-Twiss 装置测 g⁽²⁾(0)，用 Mach-Zehnder 或 Michelson 干涉仪测不可分辨性，用积分球或光纤耦合测效率，用时间相关单光子计数测寿命。测试环境通常需要液氦低温（4～10 K）来抑制声子展宽，这本身也是器件实用化的一大障碍。

课程知识地图

本课程共 30 章，按“物理基础—材料生长—器件设计—工艺制备—测试表征—系统集成”的主线展开。前几章建立量子点能级、激子复合、g⁽²⁾ 函数等物理基础；中间章节深入 MBE/MOCVD 生长动力学、微腔设计、Purcell 效应、电注入结构；后续章节覆盖电子束曝光、刻蚀、电极制备等工艺细节，以及 HBT 测试、HOM 干涉、效率标定等表征方法；最后讨论光纤耦合、低温封装、多路复用等系统级问题。

学习本课程后，你应当能够：读懂量子点单光子源的能带图与器件结构图；根据目标指标选择合适的外延与腔体方案；设计基本的工艺流片步骤；搭建 g⁽²⁾(0) 与 HOM 测试光路；对实测数据做出合理判读。这些能力不是孤立的知识点，而是一条从物理到器件的完整工程思维链。