RU2848145C1 - Single photon source - Google Patents
Single photon sourceInfo
- Publication number
- RU2848145C1 RU2848145C1 RU2025101107A RU2025101107A RU2848145C1 RU 2848145 C1 RU2848145 C1 RU 2848145C1 RU 2025101107 A RU2025101107 A RU 2025101107A RU 2025101107 A RU2025101107 A RU 2025101107A RU 2848145 C1 RU2848145 C1 RU 2848145C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- source
- photon
- cavity
- carbon nanotube
- quartz
- Prior art date
Links
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИAREA OF TECHNOLOGY
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 ключей через свободное пространство и оптоволоконные сети, а также в метрологии для тестирования детекторов одиночных фотонов.The invention relates to the field of optical communication systems, namely to single-photon sources of optical radiation, and can be used to create highly secure information transmission systems based on the principle of quantum cryptography and the implementation of a quantum key distribution protocol through free space and fiber-optic networks, as well as in metrology for testing single-photon detectors.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИPRIOR ART
Патент РФ на изобретение № RU 2722133 «Учебная установка для выполнения экспериментов по квантовой оптике для целей изучения протоколов квантовой криптографии», из которого известен источник квазиоодиночных фотонов, применяемый в большинстве существующих систем криптографии, где используют ослабленный до однофотонного состояния лазерный импульс. Основной недостаток этого источника в том, что он не является истинным источником одиночных фотонов, число фотонов в импульсе подчиняется пуассоновской статистике и возможно лишь с помощью аттенюаторов контролировать среднее число фотонов в импульсе.Russian Federation Patent for Invention No. RU 2722133, "Educational Setup for Performing Experiments in Quantum Optics for the Purpose of Studying Quantum Cryptography Protocols," describes a quasi-single-photon source used in most existing cryptographic systems, which utilize a laser pulse attenuated to a single-photon state. The main drawback of this source is that it is not a true single-photon source; the number of photons in a pulse obeys Poisson statistics, and the average number of photons in a pulse can only be controlled using attenuators.
Патент РФ на изобретение № RU 2746870 «Однофотонный источник излучения» Источник содержит 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 этого данное устройство имеет не оптимальный спектр для передачи информации в волоконно-оптических сетях и атмосфере.Russian Federation Patent for Invention No. RU 2746870 "Single-Photon Radiation Source" The source comprises an optical pumping channel with an excitation radiation source, a luminescence channel with a single-photon generation element based on a diamond nanocrystal, a magnification system with a multiplicity of M and a scanning system, a receiving channel and a dichroic mirror providing the ability to direct the excitation radiation into the luminescence channel, and the generated photons into the receiving channel, characterized in that the said generation element is realized in the form of a diamond single crystal with luminescence growth centers of concentration N, and confocal modules with pinholes are installed in the optical pumping channel and the receiving channel. A disadvantage of such a source is the complexity of manufacturing and aligning the structure containing nanocrystals with vacancy centers. The creation and control of such structures requires specialized technologies. In addition, this device does not have an optimal spectrum for information transmission in fiber-optic networks and in the atmosphere.
Международная заявка на изобретение № WO 2018/015738 «МАСШТАБИРУЕМОЕ КВАНТОВОЕ УСТРОЙСТВО» 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.International Patent Application No. WO 2018/015738, "SCALABLE QUANTUM DEVICE," is a low-dimensional (zero- or one-dimensional) structure consisting of a layer of two-dimensional material placed on a pointed protrusion formed on the surface of a solid substrate. However, a significant drawback of this implementation of a single-photon source is the lack of precise control over the spatial profile and magnitude of local deformation of the two-dimensional material and, consequently, the lack of control over the optical properties of the resulting single-photon sources.
Патент на изобретение Китай № CN 103532010 «Эмиттер одиночных фотонов и способ его изготовления, основанный на структуре контрастной решетки с высоким показателем преломления» Конструкция источника на основе структуры, полученной на подложке GaAs и состоящей из буферного слоя GaAs, распределенных верхнего и нижнего брэгговских зеркал GaAs/AlxGal-xAs и массива квантовых точек (КТ) InAs в активной области. Недостатком предложенной конструкции однофотонного излучателя является сложность изготовления и трудность контроля состояния источника.Chinese Patent for Invention No. CN 103532010 "Single-Photon Emitter and Manufacturing Method Based on a High-Refractive Index Contrast Grating Structure." The source design is based on a structure fabricated on a GaAs substrate and consisting of a GaAs buffer layer, distributed upper and lower GaAs/AlxGal-xAs Bragg mirrors, and an array of InAs quantum dots (QDs) in the active region. A disadvantage of the proposed single-photon emitter design is the complexity of fabrication and the difficulty of monitoring the source's state.
Патент на изобретение США 2007295977 «ОПТИЧЕСКОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ». 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. Недостатком предложенной конструкции однофотонного излучателя является сложность изготовления и трудность контроля состояния источника.US Patent 2007295977, "OPTICAL SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR FABRICATION THEREOF." In this design, all parts of the structure are doped, and electrical contacts are formed on the backside of the doped GaAs substrate and on the top of the structure. A mesa structure containing at least one QD is formed to collect the radiation. A disadvantage of the proposed single-photon emitter design is the complexity of fabrication and the difficulty of monitoring the source.
Патент на изобретение Китай № 106299066 «Источник одиночных фотонов на основе квантовых точек и способ его изготовления» Конструкция источника однофотонного излучения с диодной накачкой на основе полупроводниковых КТ, которая включает в себя подложку GaAs, на которой формируется брэгговское зеркало путем чередования слоев GaAs/A10.95Ga0.05As. 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. 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 Патент на изобретение РФ № 2611555 «Полупроводниковый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами», который включает в себя полуизолирующую подложку из GaAs, буферный слойиз GaAs, нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО), контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, композиционную решетку n-типа, нелегированный оптический резонатор. Оптический резонатор содержит активную область на основе квантовых ям, композиционную решетку p-типа, контактный слой p-типа, фазокорректирующий контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа и верхний диэлектрический РБО. Композиционная решетка содержит, по меньшей мере, одну оксидную токовую апертуру. 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.Chinese Patent for Invention No. 106299066 "Single-photon source based on quantum dots and the method of its fabrication" The design of a diode-pumped single-photon radiation source based on semiconductor QDs, which includes a GaAs substrate on which a Bragg mirror is formed by alternating GaAs/ Al0.95Ga0.05As layers. This is followed by an active region consisting of InAs QDs, an In0.4Ga0.6As wetting layer and In0.8 - xAl0.2GaxAs and In0.71- xAl0.29GaxAs capping layers . A SiO2 layer is deposited on the surface, in which a microresonator structure is formed . This single-photon radiation source design utilizes intracavity electrical contacts, which reduces optical losses associated with free-carrier absorption. Russian Federation Patent No. 2611555, "Vertical-Cavity Semiconductor Laser with Intracavity Contacts," includes a semi-insulating GaAs substrate, a GaAs buffer layer, a lower undoped distributed Bragg reflector (DBR), an n-type contact layer, an n-type electrical contact, an n-type composite grating, and an undoped optical resonator. The optical resonator comprises an active region based on quantum wells, a p-type composite grating, a p-type contact layer, a p-type phase-correcting contact layer, a p-type electrical contact, and an upper dielectric DBR. The composite grating comprises at least one oxide current aperture. However, the disadvantages of this design include the complex and expensive technology for forming a sparse array of QDs, as well as the complex design of the microresonator structure, which is formed inside the dielectric layer deposited on top.
Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототип) является модель источника одиночных фотонов, излучающего непосредственно в оптический волновод. Международная заявка на изобретение № WO 2006/135789 «ОДИНОЧНЫЙ ИСТОЧНИК ФОТОНОВ С ВОЛОКОННОЙ СВЯЗЬЮ». Источник представляет собой полупроводниковую нанопроволоку, помещенную в полость, которая вытравлена в материале подложки. Форма полости предусматривает углубления для последующего соединения с волноводом.The closest model in technical essence and achievable technical result (prototype) is a single-photon source emitting directly into an optical waveguide. International Patent Application No. WO 2006/135789, "FIBER-COUPLED SINGLE PHOTON SOURCE," describes the source as a semiconductor nanowire placed in a cavity etched into the substrate material. The cavity is shaped to accommodate recesses for subsequent connection to the waveguide.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯESSENCE OF THE INVENTION
Технической задачей данного изобретения является создание источника одиночных фотонов в области прозрачности кварцевых световодов и атмосферы Земли, способного работать при температурах выше 210 K, и имеющего достаточно простую и надежную конструкцию.The technical objective of this invention is to create a source of single photons in the transparency region of quartz light guides and the Earth's atmosphere, capable of operating at temperatures above 210 K, and having a fairly simple and reliable design.
Технический результат достигается за счет того, что внутрь углеродной нанотрубки помещаются атом йода и молекула кислорода, а сама углеродная нанотрубка помещается в микро-полость, кварцевом волокне в области сердцевины, при этом с обеих сторон полости сформированы брэгговские решетки, формирующие резонатор. В резонаторе одно зеркало является полностью отражающим на длине волны 1.315 мкм, а второе полупрозрачным, с коэффициентом обратного отражения более 5%. Полость может быть заполнена фреоном для обеспечения более высокой эффективности источника одиночных фотонов. Источник фотонов работает следующим образом: при импульсном облучении углеродной нанотрубки УФ-излучением, УФ-излучение поглощается стенками углеродной нанотрубки и передает возбуждение молекуле кислорода при взаимодействии. А молекула кислорода, которая после столкновения со стенками нанотрубки, возбужденной УФ-излучением, оказывается в возбужденном состоянии, образует синглетный кислород 1ΔgO2, который резонансно передает свое возбуждение, атому йода, возбуждая его в состояние 52I*1/2. С атома йода, в состоянии 52I*1/2 которого затем происходит излучение фотона с длиной волны λ=1,315 мкм при переходе 52I*1/2→52I3/2.The technical result is achieved by placing an iodine atom and an oxygen molecule inside a carbon nanotube. The carbon nanotube itself is placed in a microcavity in the quartz fiber core. Bragg gratings are formed on both sides of the cavity, forming a resonator. In the resonator, one mirror is fully reflective at a wavelength of 1.315 µm, while the other is translucent, with a retroreflectivity of over 5%. The cavity can be filled with freon to increase the efficiency of the single-photon source. The photon source operates as follows: when the carbon nanotube is pulsed with UV radiation, the UV radiation is absorbed by the walls of the carbon nanotube and transfers excitation to the oxygen molecule upon interaction. And the oxygen molecule, which after a collision with the walls of the nanotube excited by UV radiation, finds itself in an excited state, forms singlet oxygen 1 Δ g O 2 , which resonantly transfers its excitation to the iodine atom, exciting it to the state 5 2 I* 1/2 . From the iodine atom, in the state 5 2 I* 1/2 of which then occurs the emission of a photon with a wavelength of λ = 1.315 μm during the transition 5 2 I* 1/2 → 5 2 I 3/2 .
Как вариант реализации изобретения заявляется источник одиночных фотонов, содержащий импульсно-периодический УФ-источник возбуждения и молекулу фуллерена, в которой находятся атом йода и молекула кислорода, расположенную в полости кварцевого световода, при этом молекула фуллерена находится между брэгговскими решетками, образующими резонатор в кварцевом световоде. При этом полость может быть заполнена фреоном.An embodiment of the invention is a single-photon source comprising a pulse-periodic UV excitation source and a fullerene molecule containing an iodine atom and an oxygen molecule, located in a cavity of a quartz fiber. The fullerene molecule is positioned between Bragg gratings forming a resonator in the quartz fiber. The cavity can be filled with freon.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
Сущность изобретения поясняется фиг. 1. На фиг. 1 схематично показан пример поперечного сечения одномодового кварцевого волокна, в котором 1 - углеродная нанотрубка помещается в микрополость - 2, осуществленной в кварцевом волокне - 3 в области сердцевины - 4, при этом с обеих сторон полости сформированы брэгговские решетки - 5 и 6, формирующие резонатор, где одно зеркало является полностью отражающим на длине волны 1.315 мкм (6), а второе полупрозрачным (5), с коэффициентом обратного отражения более 5%; 7 - импульсный источник УФ-излучения, с помощью которого осуществляется возбуждение источника одиночных фотонов.The essence of the invention is explained in Fig. 1. Fig. 1 schematically shows an example of a cross-section of a single-mode quartz fiber, in which 1 - a carbon nanotube is placed in a microcavity - 2, realized in a quartz fiber - 3 in the region of the core - 4, while Bragg gratings - 5 and 6 are formed on both sides of the cavity, forming a resonator, where one mirror is completely reflective at a wavelength of 1.315 μm (6), and the second is semi-transparent (5), with a retroreflection coefficient of more than 5%; 7 - a pulsed UV radiation source, with the help of which excitation of a source of single photons is carried out.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Устройство работает следующим образом: при попадании УФ-импульса от источника (7) на углеродную нанотрубку, содержащую молекулы кислорода и атом йода, происходит поглощение излучения стенками углеродной нанотрубки и резонансное возбуждение молекулы кислорода, которая после столкновения со стенками нанотрубки, возбужденной УФ-излучением, оказывается в возбужденном состоянии, образуя синглетный кислород 1ΔgO2, который резонансно передает свое возбуждение, атому йода, возбуждая его в состояние 52I*1/2, с которого затем происходит излучение фотона с длиной волны λ=1,315 мкм при переходе 52I*1/2→52I*3/2 (Гренишин А.С. и др. // Оптика и спектроскопия. - 2010. - Т. 108. - №. 1. - С. 148-155.). Возбужденный атом йода, находясь в резонаторе, образованном брэгговскими решетками (5) и (6), вследствие эффекта Пёрселла будет преимущественно испускать фотон с длиной волны 1.315 мкм в сердцевину (4) кварцевого световода (3). Частота следования импульсов будет определяться временем передачи возбуждения от стенок к кислороду, а потом к атому йода, что зависит от температуры, которой можно управлять, а также частоты следования импульсов УФ-источника.The device operates as follows: when a UV pulse from the source (7) hits a carbon nanotube containing oxygen molecules and an iodine atom, the radiation is absorbed by the walls of the carbon nanotube and the oxygen molecule is resonantly excited. After a collision with the walls of the nanotube excited by UV radiation, the oxygen molecule finds itself in an excited state, forming singlet oxygen 1 Δ g O 2 , which resonantly transfers its excitation to the iodine atom, exciting it to the state 5 2 I* 1/2 , from which a photon with a wavelength of λ = 1.315 μm is then emitted during the transition 5 2 I* 1/2 → 5 2 I* 3/2 (Grenishin A.S. et al. // Optics and Spectroscopy. - 2010. - Vol. 108. - No. 1. - Pp. 148-155.). An excited iodine atom, located in a resonator formed by Bragg gratings (5) and (6), will, due to the Purcell effect, preferentially emit a photon with a wavelength of 1.315 µm into the core (4) of a quartz fiber (3). The pulse repetition rate will be determined by the excitation transfer time from the walls to the oxygen, and then to the iodine atom, which depends on the temperature, which can be controlled, and the pulse repetition rate of the UV source.
Таким образом, изобретение позволяет создать источник одиночных фотонов в важном для телекоммуникационных приложений спектральном диапазоне, а именно на длине волны 1.315 мкм, на этой длине кварцевые волокна и атмосфера Земли имеют низкое поглощение и этот диапазон оптимален для передачи информации одиночными фотонами.Thus, the invention makes it possible to create a source of single photons in a spectral range that is important for telecommunications applications, namely at a wavelength of 1.315 µm. At this wavelength, quartz fibers and the Earth's atmosphere have low absorption, and this range is optimal for transmitting information using single photons.
Использование описанного в изобретение источника одиночных фотонов позволяет существенно снизить издержки и при тех же экономических затратах многократно повысить функциональные возможности систем квантовых коммуникаций, квантовой сенсорики и метрологии.The use of the single-photon source described in the invention allows for a significant reduction in costs and, with the same economic outlay, a manifold increase in the functional capabilities of quantum communications, quantum sensorics, and metrology systems.
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2848145C1 true RU2848145C1 (en) | 2025-10-16 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8525149B2 (en) * | 2009-11-06 | 2013-09-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Photon source for producing entangled photons |
| RU161214U1 (en) * | 2015-02-10 | 2016-04-10 | Общество с Ограниченной Ответственностью "Фотонные Нано-Мета Технологии" | COMPACT DEVICE FOR SINGLE PHOTON GENERATION |
| WO2018162894A1 (en) * | 2017-03-07 | 2018-09-13 | Lancaster University Business Enterprises Limited | Single photon source |
| RU189453U1 (en) * | 2019-03-13 | 2019-05-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Single-photon radiation source based on an LED emitting heterostructure with epitaxial semiconductor QDs in an InAs / AlGaAs system manufactured by the MPE method |
| RU2818862C1 (en) * | 2023-06-08 | 2024-05-06 | Ордена трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) | Single photon source |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8525149B2 (en) * | 2009-11-06 | 2013-09-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Photon source for producing entangled photons |
| RU161214U1 (en) * | 2015-02-10 | 2016-04-10 | Общество с Ограниченной Ответственностью "Фотонные Нано-Мета Технологии" | COMPACT DEVICE FOR SINGLE PHOTON GENERATION |
| WO2018162894A1 (en) * | 2017-03-07 | 2018-09-13 | Lancaster University Business Enterprises Limited | Single photon source |
| RU189453U1 (en) * | 2019-03-13 | 2019-05-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Single-photon radiation source based on an LED emitting heterostructure with epitaxial semiconductor QDs in an InAs / AlGaAs system manufactured by the MPE method |
| RU2818862C1 (en) * | 2023-06-08 | 2024-05-06 | Ордена трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) | Single photon source |
| RU2830645C1 (en) * | 2023-11-28 | 2024-11-25 | Николай Дмитриевич Жуков | Single photon nanocell source and identical photon source |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Baba et al. | Light localizations in photonic crystal line defect waveguides | |
| US6975664B1 (en) | Article comprising a two-dimensional photonic crystal coupler and method of making the same | |
| Notomi et al. | Structural tuning of guiding modes of line-defect waveguides of silicon-on-insulator photonic crystal slabs | |
| US7627018B1 (en) | Polarization control using diffraction gratings in VCSEL waveguide grating couplers | |
| EP2020711B1 (en) | Method for manufacturing surface-emitting laser | |
| US6711200B1 (en) | Tuneable photonic crystal lasers and a method of fabricating the same | |
| Ripin et al. | One-dimensional photonic bandgap microcavities for strong optical confinement in GaAs and GaAs/AlxOy semiconductor waveguides | |
| US6515305B2 (en) | Vertical cavity surface emitting laser with single mode confinement | |
| US20140098833A1 (en) | Hybrid vertical cavity laser for photonic integrated circuit | |
| US11152760B2 (en) | Light emitter device based on a photonic crystal with pillar- or wall-shaped semiconductor elements, and methods for the operation and production thereof | |
| Notomi | Strong light confinement with periodicity | |
| JP2004501514A (en) | Single photon light source with selective distribution frequency emission source | |
| Park et al. | Design and fabrication of optically pumped hybrid silicon-AlGaInAs evanescent lasers | |
| Andrew et al. | Quantum-well laser with integrated passive waveguide fabricated by neutral impurity disordering | |
| RU2848145C1 (en) | Single photon source | |
| Jaiswal et al. | Design of a nanoscale silicon laser | |
| Viktorovitch et al. | Double photonic crystal vertical-cavity surface-emitting lasers | |
| EP1729383A1 (en) | Single photon source | |
| Viktorovitch et al. | Surface addressable photonic crystal membrane resonators: generic enablers for 3D harnessing of light | |
| CN117317802A (en) | Multi-wavelength semiconductor laser and laser generation method | |
| Pezeshki et al. | Wavelength sensitive tapered coupler with anti-resonant waveguides | |
| RU2818862C1 (en) | Single photon source | |
| Ries et al. | Photopumped laser operation of a planar disorder‐and native‐oxide‐defined AlAs–GaAs photonic lattice | |
| JP2006173562A (en) | Surface emitting laser element for optical communication wavelength using antimony material, image generation apparatus and information relay apparatus | |
| Chase II | High Contrast Grating VCSELs: Properties and Implementation on Indium Phosphide-based VCSELs |