Источник одиночных фотонов Российский патент 2024 года по МПК H01L33/06 

Изобретение относится к области оптических систем связи, а именно, к однофотонным источникам оптического излучения и может быть использовано для создания высокозащищенных систем передачи информации на основе принципа квантовой криптографии и реализации протокола квантового распределения ключа через свободное пространство и оптоволоконные сети, а также в метрологи для одновременного тестирования нескольких детекторов одиночных фотонов.

Известен однофотонный источник излучения, (патент RU 2746870, дата регистрации 21.04.2021), содержащий канал оптической накачки с источником возбуждающего излучения, канал люминесценции с элементом генерации одиночных фотонов на основе нанокристалла алмаза, системой увеличения с кратностью М и системой сканирования, приемный канал и дихроичное зеркало, обеспечивающее возможность направления возбуждающего излучения в канал люминесценции, а генерируемых фотонов - в приемный канал, отличающийся тем, что указанный элемент генерации выполнен в виде монокристалла алмаза с ростовыми центрами люминесценции концентрации N, а в канале оптической накачки и приемном канале установлены конфокальные модули с точечными диафрагмами. Недостатком такого источника является сложность изготовления и юстировки структуры, содержащей нанокристаллы с центрами вакансий, создание и контроль таких структур требует специальных технологий, кроме это данное устройство не предполагает многоканальный вариант работы и увеличение частоты работы источника одиночных фотонов, возможно только с помощью увеличения частоты следования импульсов накачки, а также ограничено сверху временем высвечивания центра люминесценции.

Известна модель источника одиночных фотонов, излучающего непосредственно в оптический волновод (патент № WO2006/135789, дата публикации 21.12.2006). Источник представляет собой полупроводниковую нанопроволоку, помещенную в полость, которая вытравлена в материале подложки. Форма полости предусматривает углубления для последующего соединения с волноводом. Недостатком данной модели является сложность позиционирования квантового излучателя относительно волновода. Также, данный источник трудно масштабировать, чтобы реализовать несколько каналов.

Известно устройство для излучения одиночных фотонов на основе локальной деформации двумерного материала (патент № WO 2018/015738, МПК H01L 33/06, дата приоритета 18.07.2016, дата публикации 25.01.2018). Устройство представляет собой низкоразмерную (нуль- или одномерную) структуру, состоящую из слоя двумерного материала, помещенного на остроконечный выступ, сформированный на поверхности твердой подложки. Однако существенным недостатком данной реализации источника одиночных фотонов является отсутствие точного контроля пространственного профиля и магнитуды локальной деформации двумерного материала и, как следствие, отсутствие контроля над оптическими свойствами формируемых источников одиночных фотонов, кроме этого, в данной модели не реализуем многоканальный режим работы, когда по разным каналам отправляются фотоны с одинаковыми характеристиками.

Известна конструкция однофотонного источника с электрической накачкой [L. Wang, Y. Ying, Z. Guowei, X. Jianxing, N. Haiqiao, N. Zhichuan, патент CN 103532010, дата приоритета 25.10.2013] на основе структуры, полученной на подложке GaAs и состоящей из буферного слоя GaAs, распределенных верхнего и нижнего брэгговских зеркал GaAs/ AlxGa1-xAs и массива квантовых точек (КТ) InAs в активной области. Недостатком предложенной конструкции однофотонного излучателя является сложность изготовления и трудность контроля состояния источника, снижение быстродействия за счет высокого сопротивления брэгговских зеркал. Аналогичным недостатком обладает и источник одиночных фотонов с инжекционной накачкой, описанный в патенте US 2007295977 (дата приоритета 04.03.2005). В данной конструкции все части структуры являются легированными и электрические контакты формируются к обратной стороне легированной подложки GaAs и к верхней части структуры. Для сбора излучения формируется меза-структура, содержащая, по крайней мере, одну КТ.

Известна конструкция источника однофотонного излучения с диодной накачкой на основе полупроводниковых КТ [L. Wang, Z. Wang, J. Qin, Y. Li, патент CN 106299066 А, дата приоритета 31.08.2016] включает в себя подложку GaAs, на которой формируется брэгговское зеркало путем чередования слоев GaAs/Al0.95Ga0.05As. Затем следует активная область, состоящая из КТ InAs, смачивающего слоя In0.4Ga0.6As и закрывающих слоев In0.8-xAl0.2GaxAs и In0.71-xAl0.29GaxAs. Массив КТ создается по технологии импринт. Сверху активной области структуры формируется брэгговское зеркало GaAs/Al0.95Ga0.05As. На поверхность осаждается слой SiO2 , в котором формируется микрорезонаторная структура. В данной конструкции источника однофотонного излучения используются внутрирезонаторные электрические контакты, что позволяет уменьшить оптические потери, связанные с поглощением на свободных носителях [Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, С.А. Блохин, В.М. Устинов, патент RU 2611555]. Однако в качестве недостатков данной конструкции необходимо отметить сложную и дорогостоящую технологию формирования разреженного массива КТ, а также сложную конструкцию микрорезонаторной структуры, которая формируется внутри осажденного сверху слоя диэлектрика.

Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототип) является реализация источника квазиодиночных фотонов, которые применяется в большинстве существующих систем криптографии, где используют ослабленный до однофотонного состояния лазерный импульс. Например такой, как описан в патенте «Учебная установка для выполнения экспериментов по квантовой оптике для целей изучения протоколов квантовой криптографии» (патент РФ 2722133 С2, 26.05.2020) выбранная в качестве прототипа. Источник одиночных фотонов представляет собой импульсно периодический лазер, формирующий импульсы длительностью не более 2 нс с частотой 5 МГц, которые ослабляются набором нескольких дискретных и одного переменного аттенюаторов до однофотонного состояния. Недостатком аналога является наличие лишь одного канала и необходимость использования нескольких типов аттенюаторов для одного канала.

Технической задачей данного изобретения является увеличение числа каналов, в которых одновременно осуществляется генерация идентичных потоков фотонов с заданным средним числом фотонов в одном импульсе, а также возможности многократной увеличить частоту следования однофотонных импульсов по сравнению с исходным лазерным источником при максимальной простоте и надежности конструкции источника, что позволяет его эксплуатировать в самых жестких условиях, а также добавляет дополнительные функциональные возможности, в частности одновременно проводить тестирование нескольких детекторов одиночных фотонов, что позволяет осуществлять калибровку по эталонному детектору, подключенному к одному каналу устройства.

Технический результат достигается за счет того, что лазерный импульс после переменного аттенюатора направляется через центральную сердцевину многосердцевинного волокна (МСВ), после чего уже сильно ослабленный (коэффициент затухания 80 дБ и более) поток фотонов с боковых сердцевин выравнивается по интенсивности с помощью переменных аттенюаторов до уровня соответствующему в среднем одному фотону на импульс или меньше, при необходимости вместо нескольких каналов иметь источник с более высокой частотой однофотонных импульсов каналы подключаются к суммирующему устройству через специально рассчитанные линии задержки.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2 и фиг.3. На фиг. 1 схематично показан пример поперечного сечения многосердцевинного волокна, содержащего 7 сердцевин, где номера обозначают номер сердцевины, на данном рисунке цифрой 1 обозначена центральная сердцевина, а номерами 2-7 – боковые сердцевины. На фиг.2 показана общая схема многоканального источника одиночных фотонов, состоящего из: 8 -источника световых импульсов; 9 – аттенюатор настройки числа фотонов на выходе многоканального источника одиночных фотонов (за счет ослабления входного светового импульса заводимого в центральную сердцевину); 11 – 16 выходы переменных аттенюаторов, подключаемых к боковым сердцевинам для выравнивания потоков фотонов на выходе многоканального источника одиночных фотонов (являются выходными каналами источника одиночных фотонов); 10 – выходной разъем центральной сердцевины. На фиг.3 показан пример устройства сумматора для увеличения частоты следования однофотонных импульсов при суммировании каналов источника одиночных фотонов в один выходной канал, где показаны: 17-22 линии задержки для подключения к боковым сердцевинам; 23 - сам сумматор, объединяющий каналы в одно волокно; 24 –оптический разъем для подключения.

Устройство работает следующим образом: при попадании светового импульса от источника (8) после аттенюатора (9) в центральную сердцевину (1) фотоны за счет перекрёстных помех проникают в боковые сердцевины (2-7) очень небольшое число фотонов, поскольку основной поток фотонов остается в центральной сердцевине, на выходе из соответствующих боковых сердцевин поток фотонов выравнивается за счет переменных аттенюаторов (11-16) это достигается тем, что ослабление первого аттенюатора на центральной сердцевине выставляется на «0», а мощность источника делается максимальной, тогда с помощью чувствительного приемника выставляется значение ослабления на аттенюаторах (11-16) так, чтобы мощность на выходе была одинаковая (поскольку ослабление в МСВ линейно пока мощность источника излучения не превышает 10 мВт), потом мощность импульсно-периодического источника излучения (8) выставляется в штатный режим, а нужное число фотонов на выходе достигается регулировкой затухания в аттенюаторе (9), в зависимости от мощности импульсно-периодического источника излучения эта величина лежит в диапазоне 5-20 дБ. Коэффициент ослабления для получения однофотонного режима рассчитывается стандартным образом на основе данных о средней мощности импульсно-периодического источника Р, длины волны излучения, λ, и частоты следования импульсов, f. В результате, если МСВ совместно с подстрочными аттенюаторами дает общее ослабление на уровне А [дБ], величина ослабления для аттенюатора (9) определится по следующей формуле: А1=10*log(P*λ/(f*h*c))-A. В том же случае, когда потребуется увеличить частоту следования одиночных фотонов то, как показано на фиг.3, выходные каналы многоканального источника подключаются к сумматору через линии задержки волокна с показателем преломления сердцевины, n, длина которых выставляется под частоту, применяемого импульсно-периодического источника излучения, например, если частота следования световых импульсов, подаваемых на центральную сердцевину составляет f, и длительность светового импульса, Т_p<<1/(f*N), то длина линии задержки, L_i, подсоединяемой к боковой сердцевине с номером i (i≤N) определяется по следующей формуле: L_i=(i-1)*c/(f*n*N), где i - номер боковой сердцевины, к которой подключается линия задержки длиной L_i; c - скорость света; f - частота следования импульсов светового источника; n - показатель преломления сердцевины волокна, из которого изготавливается линия задержки; N - число боковых сердцевин в многосердцевинном волокне, состоящем из N+1 сердцевин. При этом световой импульс, проходящий через центральную сердцевину, может быть использован для получения еще нескольких квазиоднофотонных источников, если его подключить к аналогичной конструкции.

Таким образом, изобретение позволяет значительно расширить функциональность источника одиночных фотонов, как для применения в метрологии для одновременного тестирования нескольких детекторов одиночных фотонов, так и в устройствах квантовой связи для увеличения частоты передачи и кодирования одиночных фотонов, кроме того устройство имеет модульную конструкцию, что позволяет одновременно за счет подключения однотипных модулей кратно увеличивать число каналов от одного лазерного источника, и частоту генерации однофотонных состояний.

Изобретение относится к области оптических систем связи, а именно к однофотонным источникам оптического излучения и может быть использовано для создания высокозащищенных систем передачи информации на основе принципа квантовой криптографии. Источник одиночных фотонов, включающий отрезок многосердцевинного волокна с разделанными концами сердцевин с одной стороны, к которым подключены переменные аттенюаторы, кроме одной центральной сердцевины, имеющей дополнительный оптический выход с противоположного конца, к которому подключен импульсно-периодический лазерный источник фотонов через переменный аттенюатор. Технический результат - повышение эффективности источника одиночных фотонов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Источник одиночных фотонов, включающий отрезок многосердцевинного волокна с разделанными концами сердцевин с одной стороны, к которым подключены переменные аттенюаторы, кроме одной центральной сердцевины, имеющей дополнительный оптический выход с противоположного конца, к которому подключен импульсно-периодический лазерный источник фотонов через переменный аттенюатор.

2. Источник одиночных фотонов по п. 1, отличающийся тем, что центральная сердцевина многосердцевинного волокна на выходе из устройства используется для контроля и синхронизации.

3. Источник одиночных фотонов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве импульсно-периодического источника света используется светодиод.

4. Источник одиночных фотонов по п. 1, отличающийся тем, что центральная сердцевина используется для подключения аналогичной конструкции, включающей отрезок многосердцевинного волокна, что увеличивает число каналов источника одиночных фотонов.