適合批量生產(chǎn)的單光子源和制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及單光子源和單光子源的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為光譜學(xué)的應(yīng)用和特別為可靠地傳輸量子加密的密鑰需要光子源，它在規(guī)定的時間點向電信號上提供單個的光子。發(fā)光二極管(LED)能夠良好地小型化，使得它們能夠非?？斓亻_關(guān)和為發(fā)射非常短的光脈沖被電氣激勵。然而它們在每單位時間發(fā)射如此多的光子，使得在技術(shù)上最小可能的脈沖持續(xù)時間內(nèi)雖然僅發(fā)射很少的光子，然而始終還是顯著大于一個。每一光脈沖發(fā)射的光子越多，光譜學(xué)的精度或者密鑰傳輸?shù)慕^對的安全性就越多地受到限制。
[0003]在一些活性的固體中發(fā)生量子效應(yīng)，該量子效應(yīng)引起，在給定的時間點進行電的或者光的激勵的情況下總是僅發(fā)生一種輻射的躍迀，其中釋放光子。這意味著，可以定義時間區(qū)間，其中每次僅發(fā)射一個光子從而完美地滿足提出的要求。這種躍迀例如可以是電子和空穴在一種半導(dǎo)體內(nèi)的重新結(jié)合，該重新結(jié)合每次一在發(fā)射光子后就能夠被重新激勵。然而該量子效應(yīng)的前提是，活性的固體具有納米尺度的大小。它的缺點是為激勵的目的以電的方式接觸這樣的活性的固體變得非常困難。通過光學(xué)激勵的迂回使得需要單獨的激勵單元，其為激勵而把電信號變換為光。關(guān)于每次為電激勵發(fā)射精確一個光子的單光子源的有利的批量生產(chǎn)不考慮這兩種途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此本發(fā)明的任務(wù)在于，提供適合批量生產(chǎn)的為電激勵發(fā)射精確一個光子的單光子源。
[0005]根據(jù)本發(fā)明該任務(wù)通過根據(jù)主權(quán)利要求的單光子源以及通過根據(jù)并列權(quán)利要求的制造方法解決。另外有利的設(shè)計方案分別從參照它們的從屬權(quán)利要求中產(chǎn)生。
[0006]在本發(fā)明的框架內(nèi)開發(fā)一種單光子源。它包括至少一個活性的固體，該活性的固體在用其光子各具有激勵能量的光激勵的情況下在預(yù)先給定的時間段內(nèi)發(fā)射較小發(fā)射能量的單個的光子。該時間段的持續(xù)時間依賴于具體的應(yīng)用，特別依賴于數(shù)據(jù)傳輸時希望的數(shù)據(jù)率(傳輸速度)。其例如可以從lps和100ms之間的范圍內(nèi)選擇。如果要傳輸近似超高速的數(shù)據(jù)，則可以使用當(dāng)前在實驗室尺度中可借助毫微微秒激光器產(chǎn)生的數(shù)量級為lps的光脈沖作為用于發(fā)射的激勵脈沖，當(dāng)活性的固體在該微微秒內(nèi)發(fā)射精確一個光子時這是有意義的。在當(dāng)前以光學(xué)方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下在商業(yè)的尺度中使用的光脈沖以Ins的數(shù)量級持續(xù)。在量子加密的情況下再次重要的是，可靠地傳輸僅數(shù)百到數(shù)千位長的密鑰。這里可能有意義的是，活性的固體在Ι-lOOms的持續(xù)時間的相對長的激勵的情況下也發(fā)射僅一個單個的光子。
[0007]根據(jù)本發(fā)明活性的固體在用于具有激勵能量的光子的被電氣操作的原始光源的表面或者邊界面上設(shè)置，使得它能夠被透過該表面或者邊界面激勵。該原始光源特別可以是持續(xù)光源和/或在給定的時間點每單位時間發(fā)射多個光子。持續(xù)光源作為原始光源例如適合栗-探針試驗或者適合時間標(biāo)準(zhǔn)的定義；那時以時鐘速率周期地發(fā)射單個的光子，根據(jù)它確定，活性的固體的發(fā)射的狀態(tài)具有什么樣的壽命。但是例如為數(shù)據(jù)傳輸原始光源也可以調(diào)制其強度和特別脈沖式產(chǎn)生。
[0008]已經(jīng)知道，以這種方式能夠使電氣的原始光源的小型化性和簡單的可操作性有利地與活性的固體的能力結(jié)合，在短的時間段內(nèi)發(fā)射精確一個光子。
[0009]在這種情況下特別充分利用的是，本發(fā)明的設(shè)備僅對活性的固體的機械的操縱提出很小的要求從而可以使用比根據(jù)迄今的現(xiàn)有技術(shù)顯著小的活性的固體。在那些在活性的固體中發(fā)生發(fā)射光子的躍迀(例如重新結(jié)合)的位置，活性的固體可以不吸收任何另外的激勵能，因為相應(yīng)的狀態(tài)不是自由的。這些狀態(tài)的數(shù)目現(xiàn)在通過活性的固體的大小向上限制?；钚缘墓腆w越小，通過周期的邊界條件規(guī)定的能級之間的間隔越大。在極端的情況下在整個活性的固體內(nèi)僅存在唯一的可通過原始光源激勵的能級，使得在任何時間點都不能同時發(fā)射多個光子。如果原始光源自身每單位時間發(fā)射許多光子，則這不再是缺點，只要僅活性的固體足夠小即可。
[0010]因為來自原始光源的光子具有和從活性的固體發(fā)射的單個光子不同的波長(能量)，所以它能夠通過依賴于波長的濾波隱沒，以致它不進入為單個光子的繼續(xù)的處理級中。為此例如可以使用波長濾波器、涂層或者空腔。在最簡單的情況下下面已經(jīng)足夠，即在活性的固體附近設(shè)置玻璃纖維，在它的光導(dǎo)線芯中僅耦合從活性的固體發(fā)射的光子，然而不耦合來自原始光源的、具有不與該線芯的尺寸匹配的波長的光子。
[0011]在本發(fā)明的一種特別有利的設(shè)計方案中光源在至少兩個不同摻雜的半導(dǎo)體之間具有至少一個發(fā)射光的結(jié)。特別所述光源可以有利地是發(fā)光二極管(LED)。這種結(jié)構(gòu)能夠以被證明是有利的方式以小型化的形式批量生產(chǎn)。同樣活性的固體自身也可以批量生產(chǎn)。
[0012]在本發(fā)明的另一個特別有利的設(shè)計方案中在所述光源的表面或者邊界面上設(shè)置至少一個活性的固體，它離開最近的活性的固體至少10 μm，優(yōu)選至少50 μm。那時單個的光子能夠從精確一個活性的固體耦合到玻璃纖維的光導(dǎo)的線芯內(nèi)，不會發(fā)生另一個活性的固體同時把它的單個的光子耦合到相同的玻璃纖維中。以這種方式例如能夠通過玻璃纖維可靠地傳輸量子加密的密鑰。
[0013]在本發(fā)明的另一個特別有利的設(shè)計方案中光源的表面或者邊界面被局部修改用于收納活性的固體。例如可以在該表面或者邊界面內(nèi)引入地形特征，例如突起或者凹陷。但是在該表面或者邊界面例如也可以設(shè)置另一個層作為掩膜，它在它那一方面包含地形特征。該局部的修改以在表面或者邊界面上的個別的位置為特征。如果使一個或者多個活性的固體以適宜的方式接觸所述表面或者邊界面，則它們自身能夠正好在這樣的特征位置處積聚。相反如果表面未以任何方式修改并且供給許多活性的固體，例如作為膠體溶液中的納米粒子，則在光源的表面或者邊界面上由多個活性的固體構(gòu)成積聚。在穿透表面或者邊界面的光學(xué)激勵的情況下在這樣的積聚的位置發(fā)射和存在的活性的固體同樣多的光子。
[0014]有利的是所述局部的修改如此設(shè)計，使得它有利于積聚與所述表面或者邊界面接觸的活性的固體。這例如是那時的情況，即當(dāng)在活性的固體與局部的修改接觸的情況下釋放比該活性的固體與表面或者邊界面上的未局部修改的區(qū)域接觸的情況下更大的結(jié)合能時。理想的是僅在那時完全釋放結(jié)合能，即當(dāng)活性的固體接觸局部的修改時，然而在它接觸表面或者邊界面上的其他區(qū)域時不釋放。
[0015]另選或者也與之結(jié)合，局部的修改有利地如此設(shè)計，即使得它為活性的固體構(gòu)成勢場中的最小值。如果局部的修改例如是表面或者邊界面內(nèi)的凹陷以及活性的固體從上面引向表面或者邊界面，則活性的固體能夠落入這樣的凹陷內(nèi)并且在那時在地球的重力場中位于局部的最低勢位。它由此至少暫時固定并且例如在其余未落入凹陷內(nèi)的活性的固體被去掉之后能夠最終粘牢。
[0016]在本發(fā)明的另一個特別有利的設(shè)計方案中所述局部的修改如此設(shè)計，使得它定義空間的區(qū)域，從該區(qū)域原始光源發(fā)射光。那時許多活性的固體能夠在狹窄的空間內(nèi)互相并排設(shè)置，不會發(fā)生這樣的活性的固體的激勵通過散射光也導(dǎo)致另外的活性的固體的不希望的激勵。
[0017]有利的是所述活性的固體如此具有至少一個優(yōu)選方向，使得從原始光源從該優(yōu)選方向入射的光子具有比從另外的方向入射的光子更大的概率激勵發(fā)射單個的光子。在理想的情況下幾乎僅原始光源從該優(yōu)選方向入射到活性的固體內(nèi)的光轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹€的光子。那時大量本發(fā)明的單光子源在狹窄的空間內(nèi)一個接一個操作，而它們不會互相影響。
[0018]有利的是所述活性的固體是具有量子限制的低維的半傳導(dǎo)的系統(tǒng)或者是具有顏色中心的納米寶石。顏色中心是缺陷位置，它使得能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射的躍迀，特別實現(xiàn)發(fā)射的重新結(jié)合。這樣的缺陷位置例如可以是格柵空位，特別是硅或鎳格柵的空位。
[0019]在本發(fā)明的范圍內(nèi)還涉及從發(fā)射具有激勵能的光子的光源制造單光子源的方法。該方法特別適合制造本發(fā)明的單光子源。因此為單光子源給出的公開明確地也為該方法適宜，并且反之亦然。
[0020]在所述方法中首先在一個或者多個位置局部修改發(fā)射光的光源的表面或者邊界面。接著使一個或者多個活性的固體與所述表面或者邊界面接觸