專(zhuān)利名稱(chēng)：光子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明廣泛涉及光子源并且特別地且并不排他地涉及適合量子密鑰分布的光子源。
背景技術(shù)：
對(duì)于許多應(yīng)用，諸如量子密鑰分布而言，需要光子源提供單光子或者糾纏的多光子。例如金剛石的色心可以用于單光子發(fā)射。這種色心典型地包括至少一個(gè)光學(xué)激活雜質(zhì)原子，諸如氮原子，其位置臨近于金剛石矩陣的空穴。這種氮-空穴(N-V)中心受到光學(xué)或電子激勵(lì)源激發(fā)并且典型地布置成發(fā)射波長(zhǎng)位于637nm附近的單光子。然而，單光子被各向同性地發(fā)射，這使得難以收集和引導(dǎo)發(fā)射出的光子。通常精確對(duì)準(zhǔn)單色心的物鏡被用于收集發(fā)射出的光子，但是在光學(xué)界面上發(fā)生的光學(xué)損失較為顯著，而且這種收集技術(shù)一般比較麻煩而且不結(jié)實(shí)。另外，光學(xué)透鏡難于利用集成技術(shù)結(jié)合，也使得裝置的冷卻和加熱更加困難。
為了實(shí)施需要單光子的量子密鑰分布以及其他應(yīng)用，需要單光子發(fā)生方面的技術(shù)進(jìn)步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在其第一方面提供一種光子源，包括光學(xué)波導(dǎo)，和包括至少一種色心的材料，該或者每個(gè)色心為發(fā)射光子而布置，所述材料已經(jīng)生長(zhǎng)，使得該材料被結(jié)合在所述光學(xué)波導(dǎo)上，并且在使用中至少一些從該或者每個(gè)色心發(fā)射出來(lái)的光子在所述光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)受到引導(dǎo)。
本發(fā)明在其第二方面提供一種光子源，包括光學(xué)波導(dǎo)，其包含具有至少一種色心的材料，該或者每個(gè)色心為發(fā)射光子而布置，該材料被包含在內(nèi)，使得在使用中至少一些從該或者每個(gè)色心發(fā)射出來(lái)的光子在所述光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)受到引導(dǎo)。
由于該材料結(jié)合在波導(dǎo)上和/或該材料包含在光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)，所以該或者每個(gè)色心耦合在波導(dǎo)上。因此，根據(jù)本發(fā)明的第一和第二方面的實(shí)施例的光子源具有的優(yōu)勢(shì)在于，不需要另外的光學(xué)組件來(lái)將發(fā)射出的單光子向波導(dǎo)導(dǎo)引。
該光子源相對(duì)結(jié)實(shí)并且較小，可以整體成形并且典型地相對(duì)容易冷卻和加熱。另外，該或者每個(gè)色心與波導(dǎo)的密切關(guān)聯(lián)對(duì)于光子源的效率是有利的，因?yàn)樯耐ǔＪ歉飨蛲怨庾拥陌l(fā)射器。該或者每個(gè)色心與波導(dǎo)的耦合也可以改善光子源的穩(wěn)定性和耐久性。
本說(shuō)明書(shū)全文中，術(shù)語(yǔ)“色心”是從其內(nèi)可以發(fā)射光子的任何光學(xué)激活的原子、分子或空穴中心，包括為經(jīng)由發(fā)射單光子或多光子從激發(fā)態(tài)衰減而布置的原子、分子或空穴中心。例如，色心可以布置成發(fā)射波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)和/或外的單光子或多光子。
在本發(fā)明的第一和第二方面的一個(gè)實(shí)施例中，該或者每個(gè)色心布置成發(fā)射單光子。
術(shù)語(yǔ)“發(fā)射單光子”用于一次僅發(fā)射一個(gè)光子的發(fā)射。例如，如果該或者每個(gè)色心布置成發(fā)射單光子，該或者每個(gè)色心可以在使用中發(fā)射一列單光子或者單個(gè)(單獨(dú))光子脈沖。
在本發(fā)明的第一和第二方面的特別實(shí)施例中，該光子源是單光子源，因此是不會(huì)同時(shí)發(fā)射兩個(gè)或多個(gè)光子的光子源。例如，該光子源可以包括一個(gè)色心來(lái)發(fā)射單光子。該光子源可以包括多于一個(gè)的色心，但是在這種情況下，該光子源典型地布置成在給定時(shí)間內(nèi)僅有一個(gè)色心被激發(fā)并且發(fā)射光子。
在本發(fā)明的第一和第二方面的其他特別實(shí)施例中，該光子源布置成發(fā)射糾纏的光子。在這種情況下，該光子源典型地包括至少兩個(gè)色心，其布置成一起發(fā)射至少兩個(gè)糾纏光子。該光子源典型地包括至少一對(duì)色心，其布置成發(fā)射一對(duì)糾纏光子。在本實(shí)施例的變形中，該光子源可以包括一個(gè)或多個(gè)色心，每個(gè)色心本身布置成發(fā)射糾纏光子。
在本發(fā)明的第一和第二方面，該材料典型的具有金剛石的結(jié)構(gòu)，并且典型的是金剛石材料諸如合成金剛石單或多晶材料。
在本發(fā)明的第一和第二方面，波導(dǎo)典型地具有芯部區(qū)域，并且該材料典型地在波導(dǎo)的芯部區(qū)域的一部分上生長(zhǎng)。
在根據(jù)本發(fā)明的第一或者第二方面的光子源中，該材料可以間接結(jié)合在波導(dǎo)上。例如，可以在該材料和光學(xué)波導(dǎo)之間設(shè)置一層其他材料。然而，該材料典型地是直接結(jié)合在波導(dǎo)上的。
在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的光子源中，該材料可以嵌入在光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)。該材料也可以是波導(dǎo)的一部分。例如，該材料可以包括芯部部分或者整個(gè)芯部可以由該材料構(gòu)成。在一個(gè)特別的實(shí)施例中，波導(dǎo)包括由該材料諸如金剛石構(gòu)成的芯部，并且該或者每個(gè)色心形成在波導(dǎo)的芯部。例如，金剛石芯部可以首先形成，然后該或者每個(gè)色心可以產(chǎn)生在該金剛石芯部?jī)?nèi)(例如，通過(guò)植入)。
至少波導(dǎo)的長(zhǎng)度的一部分可以由金剛石構(gòu)成，并且在一個(gè)特別的實(shí)施例中，整個(gè)波導(dǎo)由金剛石構(gòu)成。
在根據(jù)本發(fā)明的第一或者第二方面的光子源中，該或者每個(gè)色心典型地包括在金剛石材料中的雜質(zhì)或者多個(gè)雜質(zhì)。例如，該或者每個(gè)雜質(zhì)可以是臨近空穴的氮原子，這樣氮-空穴(N-V)色心就形成了。該或者每個(gè)雜質(zhì)也可以為與鎳有關(guān)的色心，通常稱(chēng)作“NE8”色心。例如，這樣的色心對(duì)可以布置成發(fā)射糾纏光子對(duì)。
在本發(fā)明的第一和第二方面，波導(dǎo)可以設(shè)置成引導(dǎo)光子的任何形式。例如，波導(dǎo)可以為光纖?？商娲?，波導(dǎo)可以為平面波導(dǎo)。在任何一種情況下，波導(dǎo)可以包括芯部區(qū)域，該區(qū)域典型地被芯部包圍區(qū)域所包圍，該芯部包圍區(qū)域的折射率低于芯部區(qū)域。
可替代的或附加的，波導(dǎo)可以包括許多光約束元件，諸如中空管部。光約束元件可以關(guān)于芯部區(qū)域布置，使得光可以在芯部區(qū)域內(nèi)受到引導(dǎo)。芯部區(qū)域可以為實(shí)心的，并且光約束元件可以具有其折射率低于芯部區(qū)域的芯部包圍區(qū)域的平均折射率。
光約束元件也可以布置成使得光子晶體波導(dǎo)在芯部包圍區(qū)域形成光子帶隙。在這種情況下，芯部區(qū)域可以是中空的，或者可以包括局部破壞光子帶隙的缺陷或雜質(zhì)，由此使得光子在芯部區(qū)域受到引導(dǎo)。
在本發(fā)明的第一和第二方面的特別實(shí)施例中，該材料定位在波導(dǎo)內(nèi)的腔內(nèi)，典型地位于波導(dǎo)的芯部區(qū)域或其附近。該腔典型地是光學(xué)腔，并且可以局部中空，或者可以至少局部充滿(mǎn)與芯部區(qū)域折射率不同的材料。在這種情況下，該或者每個(gè)色心發(fā)射的光子可以較少各向同性，并且光子可以?xún)?yōu)選地發(fā)射入增強(qiáng)腔模式。因此，該光學(xué)腔可以提高光子源的效率。
本發(fā)明在其第三方面提供一種制造該光子源的方法，包括提供光學(xué)波導(dǎo)，和這樣地在光學(xué)波導(dǎo)上或者與其相關(guān)聯(lián)生長(zhǎng)材料，使得至少一個(gè)色心形成在該材料上。
該材料典型這樣地生長(zhǎng)，使得該材料與光學(xué)波導(dǎo)連接，并且在使用中使得從該或者每個(gè)色心發(fā)射出的光子中的至少一些光子在光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)受到引導(dǎo)。該材料典型地生長(zhǎng)，使得該材料介質(zhì)直接結(jié)合在波導(dǎo)上。可替代地，該材料可以如此生長(zhǎng)，使得該材料間接地結(jié)合在光學(xué)波導(dǎo)上，并且一層定位在光學(xué)波導(dǎo)和該材料之間。
光子源典型地為單光子源或者可以可替代地為糾纏光子對(duì)諸如糾纏光子對(duì)的源。
光學(xué)波導(dǎo)可以為任何形式的光學(xué)波導(dǎo)，包括任何形式的平面波導(dǎo)和光纖。例如，光學(xué)波導(dǎo)可以包括芯部區(qū)域，后者被芯部包圍區(qū)域所包圍，該芯部包圍區(qū)域的折射率低于芯部區(qū)域。
可替代的或者附加的，光學(xué)波導(dǎo)可以包括許多光約束元件，諸如中空管部。光約束元件可以圍繞芯部區(qū)域布置。光約束元件也可以布置成使得光子晶體波導(dǎo)形成具有在芯部包圍區(qū)域內(nèi)的光子帶隙。
該方法可以包括附加的步驟，即在光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)形成至少一個(gè)凹部。例如，波導(dǎo)可以被伸長(zhǎng)并且具有芯部以及芯部包圍區(qū)域，并且至少一個(gè)凹部可以形成在波導(dǎo)的端面上的芯部區(qū)域內(nèi)。典型地用優(yōu)選的蝕刻芯部區(qū)域材料的蝕刻工藝在芯部區(qū)域蝕刻形成該或者每個(gè)凹部。
該材料可以包括具有該或者每個(gè)色心的金剛石晶體。生長(zhǎng)該材料的步驟典型地涉及化學(xué)氣相沉積(CVD)。生長(zhǎng)步驟也可以包括在該或者每個(gè)凹部生長(zhǎng)該材料，例如在與該或者每個(gè)凹部相關(guān)聯(lián)的邊緣上生長(zhǎng)。本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，依據(jù)生長(zhǎng)條件，可以在與該或者每個(gè)凹部相關(guān)聯(lián)的邊緣有利地生長(zhǎng)該材料。該或者每個(gè)邊緣典型地位于芯部區(qū)域或其附近，因此該或者每個(gè)凹部具有的優(yōu)勢(shì)在于金剛石晶體在芯部區(qū)域或其附近優(yōu)勢(shì)地生長(zhǎng)。
如果材料在波導(dǎo)的端面上生長(zhǎng)，該方法可以包括將該端面與其他波導(dǎo)的端面接合(熔合或其他方式)的步驟。在特別的實(shí)施例中，該材料在端面上生長(zhǎng)在該或者每個(gè)凹部?jī)?nèi)，并且該方法包括將該端面與其他波導(dǎo)的端面熔合的步驟，使得該或者每個(gè)凹部被閉合形成腔，該腔內(nèi)嵌有具有該或者每個(gè)色心的材料。在這種情況下，該材料典型地包括一個(gè)色心。
在色心形成后，該色心可以用適當(dāng)?shù)募?lì)源諸如適當(dāng)?shù)募す廨椛浠螂娮佣せ?。該方法也可以包括分析步驟，如果僅有一個(gè)色心存在于該光子源，通過(guò)分析從該或者每個(gè)色心發(fā)射的光子來(lái)實(shí)施。
本發(fā)明在其第四方面提供一種制造包括光學(xué)波導(dǎo)的光子源的方法，該方法包括步驟制造包含材料的光學(xué)波導(dǎo)，該材料內(nèi)形成發(fā)射光子的至少一個(gè)色心，和以這樣一種方式在該材料內(nèi)形成該或者每個(gè)色心，使得在使用中發(fā)射出的光子中的至少一些光子在光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)受到引導(dǎo)。
該材料可以嵌入光學(xué)波導(dǎo)的其他部分內(nèi)。
光學(xué)波導(dǎo)可以具有芯部，并且該材料形成該芯部的一部分。該芯部也可以由該材料構(gòu)成。
本發(fā)明在其第五方面提供一種根據(jù)上述限定的方法制造的光子源。
本發(fā)明在其第六方面提供一種量子密鑰分布系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的光子源。
因?yàn)樵摬牧辖Y(jié)合在和/或包含在該波導(dǎo)內(nèi)，并且該或者每個(gè)色心耦合在該波導(dǎo)上，所以包括上述限定的光子源的該量子密鑰分布系統(tǒng)可以具有改善的實(shí)用性和效率。
本發(fā)明通過(guò)以下本發(fā)明的特別實(shí)施例的說(shuō)明將得到更全面的理解。本說(shuō)明參照附圖提供。


圖1(a)和(b)示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光子源的示意性剖視圖；圖2(a)和(b)示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的光子源的掃描電子顯微照片；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另外的實(shí)施例的光子源的制造過(guò)程的視圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另外一種實(shí)施例的光子源處于制造過(guò)程中的示意圖；具體實(shí)施方式
首先參照?qǐng)D1(a)，說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的特別實(shí)施例的光子源10。光子源10包括光學(xué)波導(dǎo)12，其具有芯部14和覆層16。在這個(gè)實(shí)施例中，覆層16包括一種折射率小于芯部14的材料。金剛石晶體18嵌入在芯部14內(nèi)。金剛石晶體18包括色心，后者在使用中發(fā)射單光子。在這個(gè)實(shí)施例中，色心包括位于金剛石晶體的晶格內(nèi)的空穴和相鄰的取代了另一個(gè)碳原子的氮原子，由此形成氮-空穴(NV)中心。例如波長(zhǎng)為514nm或532nm的激光輻射用于激發(fā)該色心，則激發(fā)態(tài)的衰減導(dǎo)致發(fā)射單光子。
應(yīng)當(dāng)理解的是，可替代地，該光子源10可以包括任何其他適合的色心。在這個(gè)實(shí)施例的變形中，色心也可以布置成發(fā)射糾纏光子。另外，該光子源10可以包括布置成發(fā)射糾纏光子的多個(gè)色心。
在這個(gè)實(shí)施例中，金剛石晶體嵌入在波導(dǎo)12的芯部14內(nèi)。圖1(b)示出了這個(gè)實(shí)施例的變形。所示的光子源20包括在端面22上生長(zhǎng)的晶體18。在兩種示例中，色心與波導(dǎo)耦合，不需要另外的光學(xué)組件將發(fā)射出的單光子導(dǎo)向進(jìn)入波導(dǎo)。另外，色心與波導(dǎo)之間的密切關(guān)聯(lián)可以導(dǎo)致較大比例的光子在波導(dǎo)內(nèi)受到引導(dǎo)，因此提高了光子源的效率。
在這個(gè)實(shí)施例中，芯部14由摻雜了鍺的硅構(gòu)成，覆層16由硅構(gòu)成。應(yīng)當(dāng)理解的是，波導(dǎo)12在這個(gè)實(shí)施例中可以變化，呈現(xiàn)任何適當(dāng)?shù)男问?。光纖和平面波導(dǎo)兩者都可以使用。例如，在可替代的實(shí)施例中，波導(dǎo)可以包括許多光約束元件，諸如中空的并且圍繞芯部區(qū)域布置的管部。這些光約束元件也可以如此布置，使得光子晶體波導(dǎo)在芯部-外圍區(qū)域形成有光子帶隙。
圖2(a)示出掃描電子顯微鏡顯微照片。該顯微照片示出了光纖30的端面，帶有色心的金剛石晶體在該端面上生長(zhǎng)。圖2(b)用更大的放大倍數(shù)示出了位于纖維端面上的金剛石晶體31的掃描電子顯微照片。圖2(b)中可見(jiàn)的同心環(huán)是由圍繞芯部區(qū)域的摻雜的下陷覆層區(qū)域的蝕刻造成的。圖2(b)中心的單晶體位于芯部區(qū)域。
圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光子源的制造過(guò)程。在該制造過(guò)程中，金剛石晶體具有在光學(xué)波導(dǎo)(光纖或者平面波導(dǎo))的端面上生長(zhǎng)的色心。帶有金剛石晶體的端面然后與裸波導(dǎo)的端面熔和，這樣將帶有各個(gè)色心的各個(gè)金剛石晶體嵌入各個(gè)熔合的纖維芯部。514nm或532nm的泵浦激光源耦合進(jìn)入該纖維，輻射激發(fā)(N-V)色心，導(dǎo)致從該色心發(fā)射波長(zhǎng)處于637nm附近的光子。
可以以與傳播方向成90度利用泵浦源入射該色心的附近而實(shí)現(xiàn)激發(fā)。這樣具有附加的優(yōu)勢(shì)，即防止了泵浦波長(zhǎng)沿該波導(dǎo)傳輸下去。如果泵浦波長(zhǎng)需要從波導(dǎo)內(nèi)去除，可以在該裝置內(nèi)或該裝置外采用布雷格光柵。
應(yīng)當(dāng)理解的是，在可替代的實(shí)施例中，色心可以電激發(fā)。例如，電極可以施加在波導(dǎo)的兩個(gè)相對(duì)側(cè)部，交變電壓可以施加在電極上，電壓具有選定的頻率，使得色心可以被激發(fā)。光子源也可以具有輸出，該輸出是電子控制的柵極。
如果波導(dǎo)是光纖，起初該光纖被剝開(kāi)并且劈開(kāi)，形成高質(zhì)量的端面。劈開(kāi)纖維束組裝并固緊在鉭(或者其他適合的非反應(yīng)材料)管內(nèi)，并且可以用包含乙醇懸浮體的金剛石粉末超聲刻劃。這些過(guò)程作用為產(chǎn)生金剛石核位置或種子，它們促使金剛石生長(zhǎng)(步驟33(a)和(b))。纖維(或平面波導(dǎo))然后被清潔并且安裝在樣品保持架上，以使金剛石在化學(xué)氣相沉積(CVD)反應(yīng)器中生長(zhǎng)。(CVD反應(yīng)器未示出)在這個(gè)實(shí)施例中，1.5kW的微波CVD反應(yīng)器(由AsTex制造)用來(lái)在纖維端面上長(zhǎng)成金剛石晶胞(步驟34)。
在樣品加載在反應(yīng)器室內(nèi)以后，該室排空形成真空壓力(例如10-3Torr，如果需要的話(huà)可以更低)。該樣本利用感應(yīng)加熱器來(lái)加熱。在這個(gè)實(shí)施例中，該室充滿(mǎn)氫、甲醇和氮?dú)?，比例為例?9％的氫、0.7％的甲醇和0.3％的氮。該室壓力升高(例如30Torr)，然后氣體以這種恒定的比例和壓力流動(dòng)。微波導(dǎo)入反應(yīng)器室內(nèi)，并且激發(fā)氣體形成等離子體。然后金剛石在定位于等離子體下方或者略微處于等離子體內(nèi)的基座上生長(zhǎng)。
金剛石晶體在波導(dǎo)端面上生長(zhǎng)以后，金剛石晶體通過(guò)將各個(gè)端面與裸波導(dǎo)的端面拼接從而形成基本上無(wú)縫的光學(xué)波導(dǎo)芯線，帶有嵌入該波導(dǎo)芯部的金剛石晶體(步驟36)。波導(dǎo)拼接也可以利用折射率匹配的粘合劑或指拼接裝置實(shí)現(xiàn)。
形成的光子源在脈沖激光源上操作，諸如脈沖532nm激光(步驟38，激光未示出)。在該纖維的輸出部，泵浦頻率經(jīng)過(guò)減光器或者光柵過(guò)濾。激光脈沖，一旦沿著該纖維傳播，由于金剛石位于該纖維的芯部，所以不再需要進(jìn)一步相對(duì)于該金剛石對(duì)準(zhǔn)。這種入射空間過(guò)濾確保僅激發(fā)位于芯部的色心。為了確認(rèn)單光子發(fā)射，可以如A.Beveratos，at al，Phys.Rev.Lett.89，187901(2002)和R.Brouri et al Opt.Lett.25，1294(2000)所論述的那樣實(shí)施抗聚束實(shí)驗(yàn)。
對(duì)于如圖1所示和如上所述的實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解的是，在可替代的實(shí)施例中，光子源可以如此制造，即，使得其布置成發(fā)射糾纏光子。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施例的處于制造過(guò)程中的光子源。圖4示出光學(xué)波導(dǎo)40(光纖或者平面波導(dǎo))，該波導(dǎo)具有芯部42和覆層44。凹部46從端面48處蝕刻進(jìn)入芯部42。例如，該凹部可以以濕式蝕刻工藝蝕刻。在這種實(shí)施例中，采用蝕刻工藝優(yōu)選地蝕刻芯部材料，從而形成芯部42內(nèi)的凹部46。在這個(gè)示例中，芯部42由摻雜了鍺的硅構(gòu)成，覆層44由硅構(gòu)成。48％的氟化氫酸溶液用于優(yōu)選地從端面48蝕刻芯部。由于已知芯部和覆層材料的蝕刻相對(duì)速度，所以可以控制凹部46的深度。
然后金剛石晶體49在凹部46生長(zhǎng)。發(fā)明人已經(jīng)觀察到在CVD生長(zhǎng)過(guò)程中金剛石材料的核主要出現(xiàn)在邊緣，諸如凹部46的邊緣。因此，芯部?jī)?nèi)的凹部具有的優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)端面48暴露在化學(xué)氣相沉積的化學(xué)蒸汽中時(shí)，金剛石晶體在芯部46的位置或者其附近生長(zhǎng)。然后端面48熔合到另一個(gè)光纖52的端面50上，使得該凹部形成封閉的腔，金剛石晶體49位于其中?？梢酝ㄟ^(guò)在包圍該金剛石晶體的腔的每個(gè)端部增加反射鏡的方式形成有效的光學(xué)腔。例如，該反射鏡可以包括位于該腔的任何一個(gè)端部的布雷格光柵。
如上所指出，色心發(fā)射的光子典型地是各向同性的。然而，當(dāng)色心嵌入波導(dǎo)內(nèi)時(shí)，周?chē)慕橘|(zhì)不是各向同性的。如果光學(xué)信號(hào)沿著光纖的芯部傳播在橫過(guò)該纖維的傳播上是有利的，則從該色心發(fā)射出的光子的傳播也是這樣。這意味著，在波導(dǎo)的方向上自發(fā)傳播更強(qiáng)(這種增強(qiáng)是由于珀塞爾效應(yīng))。在這個(gè)實(shí)施例中，在芯部方向上的自發(fā)光子發(fā)射由于色心位于由凹部46和反射鏡形成的光學(xué)腔內(nèi)而進(jìn)一步增強(qiáng)。在這個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)腔被延長(zhǎng)并且主要為中空的，因此增加了沿著芯部的“空白空間”的有效強(qiáng)度，因此增加了沿芯部方向的自發(fā)發(fā)射。這種腔增強(qiáng)對(duì)于傳輸有限的脈沖或者相干光子脈沖而言是特別具有優(yōu)勢(shì)的。
在本發(fā)明的一個(gè)特別實(shí)施例中，如上所述的任何光子源都形成量子密鑰分布系統(tǒng)的一部分。關(guān)于量子密鑰分布系統(tǒng)的操作的一般細(xì)節(jié)，可以參考A.Beveratos，at al，Phys.Rev.Lett.89，187901(2002)。
雖然已經(jīng)參照特別的示例說(shuō)明了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明可以以許多其他形式實(shí)施。例如，色心可以不包括氮-空穴，而是可以包括例如鎳和氮原子。對(duì)于色心的其他示例，可以參考“OpticalProperties of Diamond”，A Data Handbook，Zaitsev，A.M.2001，XVII，ISBN3-540-66582-X Springer。
另外，具有色心的材料不必為金剛石，并且不必沉積在波導(dǎo)的一部分上。如果金剛石晶體存在，則晶體可以以納米晶體、微晶體、單晶體、多晶體的形式提供。例如，該材料可以沉積在形成在波導(dǎo)上的層上，或者可以形成在其他地方，機(jī)械耦合在波導(dǎo)上并且嵌入波導(dǎo)內(nèi)。
可替代地，該波導(dǎo)也可以包括由諸如金剛石的材料形成的芯部，其中形成該或者每個(gè)色心。另外，整個(gè)波導(dǎo)可以用金剛石形成。
另外，應(yīng)當(dāng)理解的是，具有該或者每個(gè)色心的材料也可以機(jī)械地嵌入該波導(dǎo)內(nèi)。例如，可以在波導(dǎo)上蝕刻孔，該材料可以插入該孔中，然后閉合該孔。
也應(yīng)當(dāng)理解的是，該光子源可以用于任何需要這種光子源的應(yīng)用場(chǎng)合。這不僅包括量子密鑰分布，也包括包含量子光學(xué)在內(nèi)的其他光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)合以及研究領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)合。
另外，應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)出版物的引用并不包括承認(rèn)這些出版物在澳大利亞或任何其他國(guó)家構(gòu)成本領(lǐng)域的公知知識(shí)。
權(quán)利要求
1.一種光子源，包括光學(xué)波導(dǎo)，和包括至少一種色心的材料，該或者每個(gè)色心為發(fā)射光子而布置，所述材料已經(jīng)生長(zhǎng)，使得該材料被結(jié)合在所述光學(xué)波導(dǎo)上，并且在使用中至少一些從該或者每個(gè)色心發(fā)射出來(lái)的光子在所述光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)受到引導(dǎo)。
2.一種光子源，包括光學(xué)波導(dǎo)，其包含具有至少一種色心的材料，該或者每個(gè)色心為發(fā)射光子而布置，該材料被包含在內(nèi)，使得在使用中至少一些從該或者每個(gè)色心發(fā)射出來(lái)的光子在所述光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)受到引導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光子源，其中該或者每個(gè)色心布置成發(fā)射單光子。
4.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子源，其中，所述光子源是單光子源。
5.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的光子源，其中，所述光子源布置成發(fā)射糾纏光子。
6.如權(quán)利要求5所述的光子源，包括至少兩個(gè)色心，它們布置成一起發(fā)射至少兩個(gè)糾纏光子。
7.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述材料具有金剛石結(jié)構(gòu)。
8.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述材料是金剛石材料。
9.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述材料在所述波導(dǎo)的芯部區(qū)域的一部分上生長(zhǎng)。
10.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述材料是金剛石晶體，并且該或者每個(gè)色心包括氮相關(guān)的色心。
11.如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述材料是金剛石晶體，并且該或者每個(gè)色心包括鎳相關(guān)的色心。
12.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述波導(dǎo)是光纖。
13.如權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述波導(dǎo)是平面波導(dǎo)。
14.如權(quán)利要求12或13所述的光子源，包括芯部區(qū)域，該芯部區(qū)域被折射率小于所述芯部區(qū)域的芯部包圍區(qū)域所包圍。
15.如權(quán)利要求12或13所述的光子源，包括許多光約束元件，圍繞所述芯部區(qū)域布置，使得光在所述芯部區(qū)域內(nèi)受到引導(dǎo)。
16.如權(quán)利要求15所述的光子源，其中所述芯部區(qū)域是實(shí)心的，并且所述光約束元件導(dǎo)致芯部包圍區(qū)域的平均折射率低于所述芯部區(qū)域的折射率。
17.如權(quán)利要求15所述的光子源，其中光約束元件布置成使得光子晶體波導(dǎo)在芯部包圍區(qū)域形成有光子帶隙。
18.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述材料定位在位于所述波導(dǎo)內(nèi)的腔中。
19.如權(quán)利要求18所述的光子源，其中所述腔定位在所述波導(dǎo)的芯部區(qū)域內(nèi)。
20.如權(quán)利要求18或19所述的光子源，其中所述腔是光學(xué)腔。
21.如權(quán)利要求2或者權(quán)利要求3-20中當(dāng)從屬于權(quán)利要求2時(shí)的任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述材料嵌入所述光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)。
22.如權(quán)利要求2或者權(quán)利要求3-20中當(dāng)從屬于權(quán)利要求2時(shí)的任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述材料形成所述波導(dǎo)的一部分。
23.如權(quán)利要求2或者權(quán)利要求3-22中當(dāng)從屬于權(quán)利要求2時(shí)的任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述波導(dǎo)具有金剛石芯部，所述金剛石芯部包括該或者每個(gè)色心。
24.如權(quán)利要求2或者權(quán)利要求3-23中當(dāng)從屬于權(quán)利要求2的任一項(xiàng)所述的光子源，其中所述波導(dǎo)長(zhǎng)度的至少一部分由金剛石構(gòu)成。
25.如權(quán)利要求24所述的光子源，其中所述整個(gè)波導(dǎo)由金剛石構(gòu)成。
26.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的光子源，其布置成光學(xué)激發(fā)該或者每個(gè)色心。
27.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的光子源，其布置成電激發(fā)該或者每個(gè)色心。
28.一種制造光子源的方法，包括提供光學(xué)波導(dǎo)，和以這樣一種方式在光學(xué)波導(dǎo)附近或者與其相關(guān)聯(lián)生長(zhǎng)材料，使得至少一個(gè)色心形成在所述材料上。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述材料以這樣一種方式生長(zhǎng)，使得該材料被結(jié)合到所述光學(xué)波導(dǎo)上，并且在使用中至少一些從該或者每個(gè)色心發(fā)射出的單個(gè)光子在光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)受到引導(dǎo)。
30.如權(quán)利要求28或29所述的方法，其中所述材料直接生長(zhǎng)在所述波導(dǎo)的一部分上，使得可以實(shí)施所述光學(xué)波導(dǎo)與所述材料的直接結(jié)合。
31.如權(quán)利要求28-30中任一項(xiàng)所述的方法，包括在所述光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)形成至少一個(gè)凹部的附加步驟。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述波導(dǎo)包括芯部和芯部包圍區(qū)域，且所述至少一個(gè)凹部形成在所述波導(dǎo)的端面上的所述芯部區(qū)域內(nèi)。
33.如權(quán)利要求31或32所述的方法，其中利用蝕刻工藝在所述芯部區(qū)域內(nèi)蝕刻所述凹部而形成所述凹部，該蝕刻工藝優(yōu)先蝕刻所述芯部區(qū)域材料。
34.如權(quán)利要求28-33中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述材料包括具有該或者每個(gè)色心的金剛石晶體。
35.如權(quán)利要求28-34中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述材料的生長(zhǎng)步驟涉及化學(xué)氣相沉積(CVD)。
36.如權(quán)利要求31或者權(quán)利要求32-35中的當(dāng)從屬于權(quán)利要求31時(shí)的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述材料的生長(zhǎng)步驟包括在與該或者每個(gè)凹部相關(guān)聯(lián)的邊緣生長(zhǎng)所述材料。
37.如權(quán)利要求31或者權(quán)利要求32-35中的當(dāng)從屬于權(quán)利要求31時(shí)的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述材料的生長(zhǎng)步驟包括在該或者每個(gè)凹部生長(zhǎng)所述材料。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中所述材料在所述波導(dǎo)的端面上生長(zhǎng)，并且所述方法包括將所述端面與另一個(gè)波導(dǎo)的端面接合的步驟。
39.如權(quán)利要求37所述的方法，其中所述材料在端面上生長(zhǎng)在該或者每個(gè)凹部?jī)?nèi)，并且所述方法包括將所述端面與其他波導(dǎo)的端面接合的步驟，使得該或者每個(gè)凹部被閉合形成腔，所述腔內(nèi)包含具有該或者每個(gè)色心的材料。
40.一種制造包括光學(xué)波導(dǎo)的光子源的方法，該方法包括步驟制造包含材料的光學(xué)波導(dǎo)，所述材料內(nèi)形成發(fā)射光子的至少一個(gè)色心，和以這樣一種方式在所述材料內(nèi)形成該或者每個(gè)色心，使得在使用中至少一些發(fā)射出的光子在所述光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)受到引導(dǎo)。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中所述光學(xué)波導(dǎo)具有芯部，并且所述材料形成所述芯部的一部分。
42.如權(quán)利要求40所述的方法，其中所述光學(xué)波導(dǎo)具有由所述材料構(gòu)成的芯部。
43.一種利用如權(quán)利要求28到42中任一項(xiàng)所述的方法制造的光子源。
44.一種量子密鑰分布系統(tǒng)，其包括如權(quán)利要求1到27中任一項(xiàng)所述的光子源。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光子源，該光子源包括光學(xué)波導(dǎo)和具有至少一個(gè)色心的材料。該或者每個(gè)色心布置成發(fā)射光子，并且所述材料如此生長(zhǎng)，使得所述材料連接在所述光學(xué)波導(dǎo)上，并且在使用中至少一些從該或者每個(gè)色心發(fā)射的光子在所述光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)受到引導(dǎo)。本發(fā)明還提供了一種具有光學(xué)波導(dǎo)的光子源，該光學(xué)波導(dǎo)包含具有至少一個(gè)色心的材料。
文檔編號(hào)G02F1/365GK1969227SQ200580013959
公開(kāi)日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月2日
發(fā)明者沙恩·T·亨廷頓, 史蒂文·普拉沃, 安德魯·D·格林特里, 詹姆斯·拉鮑 申請(qǐng)人:墨爾本大學(xué)