導讀： 微結構和納米結構對于基礎研究和應用量子技術變得越來越重要。該結構的突出應用實例是微腔和量子點，重要的應用實例包括單個或糾纏的光子源、量子計算機的量子位和各種傳感器。

微結構和納米結構對于基礎研究和應用量子技術變得越來越重要。該結構的突出應用實例是微腔和量子點，重要的應用實例包括單個或糾纏的光子源、量子計算機的量子位和各種傳感器。這些結構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、量子點的量子電動力學（QED），或者甚至在空腔中具有單量子點的腔QED 研究。

許多應用需要具有合適的可調諧連續(xù)波（CW）激光器的共振光學激發(fā)。通過以正確的波長光學泵浦微腔，甚至可以產生微觀的相干頻率梳和短的光脈沖——這是一項非常有前景的應用，有望對光電子學產生重大影響。

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，是在相對較大的微米級結構中觀察量子效應的一種可能性。圖 1展示了一種隔離的、直徑約 30μm的環(huán)形玻璃微腔，結合了宏觀機械振蕩器和環(huán)形高 Q 光學腔。光經(jīng)由倏逝場耦合到空腔中，通過全內反射從環(huán)形壁反射，通過輻射壓力在結構上傳遞小的力。

通過這種方式，耦合的光可以影響結構的振動特性，反之亦然。該特性使得微腔成為量子研究中激動人心的研究對象。例如，研究人員觀察到光和機械振蕩之間的參數(shù)耦合，并且還使用基于光學機械耦合的傳感器，對這種微腔進行主動反饋冷卻。

由于其小尺寸，微腔的自由光譜范圍相對較大，微小的尺寸偏差將導致腔諧振出現(xiàn)大的光譜偏移。因此，寬范圍的無跳?？烧{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章的機械振蕩。

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

該結果進一步拓展到用于非侵入性腫瘤活檢測定，以及為溶液中的光學質譜儀提供依據(jù)。對于這種應用，不僅需要寬范圍的無跳模調諧，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

微諧振器也越來越多地被用于產生光學頻率梳。由于導引光場的小模式體積和高達 1010 的高 Q 因子，這些諧振器的強度變得非常高，使得非線性效應變得非常強烈。微諧振器可以通過非線性四波混頻將 CW 激發(fā)光轉換成其他頻率分量，從而產生頻率梳。

所得到的頻率梳的性質，在很大程度上取決于泵浦激光波長，因為CW 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，因為所得到的頻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。每個階段對應于在微諧振器中循環(huán)的孤子數(shù)量的連續(xù)減少。通過反饋至激光器，可以在其中一個階段穩(wěn)定微型梳，從而允許穩(wěn)定的孤子操作。圖 3所示為由可調諧二極管激光器泵浦氮化硅（SiN ；見圖 4）制成的這種微腔的光學單孤子光譜。

基于晶體的微諧振器特別有前途，因為它們具有最高的 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諧的，而傳統(tǒng)的可調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)可調諧二極管激光器現(xiàn)在具有超低噪聲電流驅動器和激光諧振器，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。通過高帶寬主動頻率穩(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微型頻率梳的影響。

表征微諧振器中的色散，對于設計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的穩(wěn)定梳無跳?？烧{激光器。

量子點

半導體量子點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。這些量子點也顯示出其他的類單原子特性，如較強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)，可用于實現(xiàn)量子位，并且由于半導體加工已被很好地理解，半導體量子點是可擴展量子計算機尤為有希望的候選者。與實際原子不同，半導體量子點可以以固態(tài)的方式生長，像光子晶體腔和波導等其他結構可以在其周圍構建（見圖 5）。

量子點狀態(tài)的共振光學激發(fā)，對于相干狀態(tài)的操縱和檢測而言尤為重要。然而，由于本征隨機生長過程，所有量子點的尺寸略有不同，因此具有不同的光學共振頻率。為了發(fā)現(xiàn)和共振激發(fā)單個量子點的光學躍遷，寬范圍、無跳模的可調諧窄帶激光器是理想的工具。

對于耦合的量子點尤其如此。在通往可擴展量子位陣列的路途中，耦合量子點最近引起了相當大的興趣。耦合量子點上的電子傳輸測量已經(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中測量和計算了耦合激子的光譜。

一種方法是在彼此之上生長自組裝的耦合量子點。這種量子點分子中的量子點相互耦合，可以通過電子 -空穴交換相互作用和電子 - 電子交換耦合來支配。通過其柵極電壓改變量子點電荷狀態(tài)，然后在這兩個機制之間切換并改變 / 控制耦合強度。

這樣的可變耦合強度使得這種雙量子點對于量子比特和量子計算應用是有趣的。然而，它們的光學諧振可以相差幾十納米（約 10THz），以再次共振激發(fā)兩個量子點，需要寬范圍可調諧的無跳模激光器，來容易地從一個量子點改變到另一個量子點。

光子納米結構中的量子點

單光子級量子光學實驗的一個重要方面，是有力地增強和控制光與物質間的相互作用，使得發(fā)射的單光子優(yōu)先耦合到明確定義的光學模式中。通過將量子點集成到諸如波導或光子晶體結構（例如空腔）的其他半導體結構中，甚至腔 QED 實驗也是可能的，而不需要捕獲原子。

光子納米結構提供了一種調節(jié)光與物質間相互作用的手段。它們使得一系列實驗成為可能，例如自發(fā)發(fā)射控制、改進的蘭姆位移和增強的偶極 -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，通過將量子點集成到光子晶體波導中，丹麥哥本哈根 Niels BohrInstitute 的研究人員能夠證實單光子水平的非線性光學元件——單個光子被量子點反射，而多光子將通過（見圖6）。光子間的這種非線性相互作用，使得經(jīng)典和量子信息技術的邏輯運算成為可能，為可擴展的基于波導的光子學量子計算架構鋪平了道路。

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

可調諧二極管激光器的最新進展，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，可能會對未來的技術發(fā)展產生相當大的影響，例如當微頻率梳置于手機或汽車中時，它們的衛(wèi)星通信由量子加密保護，通過光子晶體中的量子點來實現(xiàn)。