КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ

Полезная модель относится к генераторам одиночных фотонов.
Уровень техники
Одиночные фотоны являются основополагающими элементами квантовых информационных технологий, таких как квантовая криптография, квантовое хранение информации и оптических или квантовых вычислений. Ключевыми направлениями развития компьютерной отрасли сегодня являются существенное увеличение рабочей частоты процессора и воплощение на практике механизмов высокопроизводительных параллельных вычислений. Прогресс в этой области может быть осуществлен благодаря использованию оптических технологий и квантовых вычислительных алгоритмов. Практическая реализация этих подходов требует стабильных и эффективных источников одиночных фотонов и наноструктур для контроля квантовой динамики фотонов.
В дальнейшем в описании используются следующие термины и сокращения.
NV-центры в решетке алмаза являются наиболее предпочтительными источниками одиночных фотонов в силу высокой стабильности самого алмаза и способности генерации NV - центров при нормальных температурах, но у них имеются свои недостатки. А именно, интенсивность излучения NV-центров достаточно мала, и это затрудняет их использование как однофотонных источников излучения, необходимых для будущих вычислительных машин. Одним из решений этой проблемы является использование гиперболического метаматериала оптического диапазона. Технология изготовления источника одиночных фотонов основывается на использовании стандартных технологических процессов и материалов, используемых при изготовлении микроэлектронных «чипов».
Гиперболический метаматериал (ГММ) представляет собой наноструктурированную систему состоящую из чередующихся металлических и диэлектрических слоев толщиной несколько нанометров. Количество таких пар слоев может варьироваться от единиц до нескольких десятков. Характерной особенностью ГММ является высокая плотность фотонных состояний, описываемая гиперболическим законом дисперсии. ГММ позволяет ускорять процессы, как поглощения излучения наноалмазами, так и испускания ими одиночных фотонов.
Плазмонный резонатор - это электромагнитный, либо оптический резонатор, который использует свойства коллективных колебаний электронов (плазмонов), для создания локального усиления электромагнитного поля.
Архитектура твердых линз - это конструкция типа - «излучатель - твердое тело», при этом твердое тело является линзой, для созданного излучения.
Архитектура нанопроволок - это архитектура, в которой нанопроволока из материала, чаще всего обладающего плазмонными свойствами, приведена во взаимодействие с квантовым излучателем. При этом происходит усиление излучательной способности излучателя.
Плазмонный материал - материал, у которого наблюдается коллективное поведение электронов. Эти коллективные колебания под воздействием внешнего оптического поля, могут быть существенно резонансными, и могут сильно влиять на оптические свойства материала. Примерами плазмонных материалов являются серебро, золото, нитрид титана, платина, алюминий.
Метаповерхность - в настоящем описании понимается частный случай метаматериала, в котором используется малое число слоев (вплоть до 1).
В работе Tsung-li Liu, Plasmonic Cavities for Enhanced Spontaneous Emission, PhD Thesis 2013 продемонстрировано, что повышение числа излучаемых фотонов может быть достигнуто соединением квантовых излучателей и плазмонных резонаторов и созданием монолитной архитектуры типа твердых линз и нанопроволок. Тем не менее, существует необходимость в увеличении потока фотонов в широком спектральном диапазоне, обеспечив при этом небольшие габариты устройства для генерации фотонов.
Источники одиночных фотонов, использующие квантовые излучатели, требуют определенных механизмов сопряжения частицы с оптической системой накачки частицы и оптической системой сбора одиночных фотонов. В качестве таких оптических систем могут выступать объективы, линзы, оптические волноводы. Квантовый излучатель, согласованный с оптическим волноводом, представляет наиболее удобную с практической точки зрения реализацию однофотонного источника для подключения к внешним устройствам, используемым для передачи данных или квантовых вычислений.
В качестве квантовых излучателей, стабильно работающих при комнатной температуре, широко используются центры окраски в алмазе, такие как азотный и кремниевый центры окраски. Задача увеличения выхода одиночных фотонов решается увеличением эффективности сбора фотонов с одной стороны и уменьшением времени жизни возбужденного состояния с другой.
В работе Ramachandrarao Yalla, Earn Le Kien, M. Morinaga, and K. Hakuta, Efficient channeling of fluorescence photons from single quantum dots into guided modes of optical nanofiber, 2012 показано, что сбор одиночных фотонов с квантового излучателя может улучшаться при расположении излучателя на внешней поверхности волновода.
Устройство, описываемое в патенте US 20110174995 А1, предполагает использование в качестве источника одиночных фотонов квантовый излучатель (в том числе NV-центр), размещенный на торце оптического волокна. Накачка излучателя проводится в данном изобретении при помощи внешнего объектива. Изобретение направлено прежде всего на локализацию квантового излучателя и сбор одиночных фотонов.
В патенте США US8842949 В2, опубликованном 23 сентября 2014 г., рассматривается источник одиночных фотонов, состоящий из квантового излучателя в резонаторе, сконструированном на выходах двух оптических волноводов, один из которых используется для накачки, второй - для вывода излучения одиночных фотонов.
Заявка на патент США US 20090034737 А1 описывает источник одиночных фотонов на центре окраске в алмазе с использованием преобразователя длины волны для создания узкополосного генератора одиночных фотонов.
Недостатком описанных решений является ограничение по количеству генерируемых фотонов.
В заявке на патент США US 20130056704 А1, которая выбирается в качестве прототипа, опубликованной 7 марта 2013 г., рассматривается устройство для создания потока фотонов с использованием метаматериала для увеличения выхода одиночных фотонов из квантового излучателя. Квантовый излучатель находится на поверхности подложки из метаматериала. Недостатком устройства является относительно большие габариты генератора одиночных фотонов.
Техническая задача
Технической задачей является создание портативного устройства для генерации одиночных фотонов. Технический результат заключается в снижении габаритов устройства, а также в генерации большого количества одиночных фотонов.
Решение
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для генерации одиночных фотонов, включающее волновод, алмазную структуру, содержащую центр окраски и сопряженную с системой накачки, отличающееся тем, что на участке внешней поверхности волновода нанесен слой метаматериала, обладающего гиперболической дисперсией, и алмазная структура расположена над слоем метаматериала.
Устройство может быть выполнено таким образом, что алмазная структура представляет собой алмазную пленку или алмазные наночастицы размерами до 200 нм,
а волновод представляет собой нить оптического волокна. Причем, нить оптического волокна может иметь перетяжку в месте нанесения метаматериала менее 2 мкм.
Метаматериал может представлять собой, по крайней мере, 1 слой металла и 1 слой диэлектрика или, по крайней мере, 1 слой металла.
Центр окраски в кристалле наноалмаза может быть создан за счет примеси азота или кремния и расстояние между центром окраски и поверхностью метаматериала должно составлять менее 1000 нм.
Метаматериал может быть изготовлен из нитрида титана и нитрида алюминий скандия. При этом выходное излучение фотонов находится в широком спектральном диапазоне 600-800 нм.
Устройство может быть использовано в квантовых компьютерах и должно функционировать при температурах не выше 450°C.
Для более тонкого контроля за оптическим полем метаматериал может иметь оптическую анизотропию и содержать слои из плазмонных и диэлектрических материалов, причем, по крайней мере, один из слоев тоньше 100 нм. При этом слой плазмонного материала содержит, по крайней мере, один слой серебра, или слой проводящего прозрачного оксида, например, оксида алюминия - сапфир, - или нитрида переходного металла. Плазмонный материал может быть изготовлен из нитрида алюминий скандия и нитрида титана, а слой диэлектрического материала может представлять собой пленку окиси алюминия.
Перечень фигур
На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства. Используются следующие обозначения:
1 - излучение накачки,
2 квантовый излучатель,
3 нить оптического волокна,
4 метаматериал,
5 сигнал одиночных фотонов.
При этом излучение накачки может осуществляться как объективом, фокусированием линзой, другим волокном, либо через это же волокно, также возможно использование наноантенн (метаматериалов) для фокусировки излучения накачки вблизи квантового излучателя.
На фиг. 2 изображен вариант схемы с излучателем на боковой поверхности, при этом 1 - излучение накачки, 2 - квантовый излучатель, 5 - сигнал одиночных фотонов, 4 - метаматериал, 3 - нить оптического волокна.
На фиг. 3 изображен вариант базовой схемы с вытянутым волокном без разрыва, с перетяжкой. Введены следующие обозначения: 1 - излучение накачки, 3 - нить оптического волокна, 4 - метаматериал, 6 - область возбуждения, 5 - сигнал одиночных фотонов, 2 - квантовый излучатель, 7 - угол поворота волокна, альфа., этот угол влияет на оптимальную работу устройства, в частности при маленьких углах накачивающее излучение будет больше проходить через перетяжку и создавать паразитную засветку. В случае большого угла оно не будет проходить.
Раскрытие решения
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для генерации одиночных фотонов, изображенное на фиг. 1-2. Устройство включает в себя волновод (поз. 3 - например, вытянутое волокно), алмазную структуру, содержащую центр окраски (поз. 2 - квантовый излучатель), метаматериал (поз. 4), который обладает гиперболической дисперсией и нанесен на участке внешней поверхности волновода (фиг. 1-3). При этом алмазная структура с центром окраски расположена над метаматериалом и сопряжена с системой накачки. Например, она может быть накачана внешним излучением (поз. 1) или электрической накачкой (т.е. к p-i-n полупроводниковому контакту, выполненному из алмаза, прикладывается внешнее напряжение). В результате работы устройства появляется поток одиночных фотонов (поз. 5 - сигнал одиночных фотонов).
Расположение алмазной структуры над слоем метаматериала используется для увеличения числа одиночных фотонов. Нанесение слоя метаматериала на внешнюю поверхность волновода используется для фокусировки излучения в моду фотонного волновода. Волновод в виде нити оптического волокна или нановолокна, покрытый метаматериалом или метаповерхностью, обеспечивает более эффективный ввод излучения в моду волновода за счет захвата излучения метаматериалом и дальнейшего перехода плазмонной моды в моду волновода. Это решает такую проблему, как низкая собирательная способность для таких способов сбора излучения, как сбор излучения при помощи объектива, сбор излучения оптическим волокном при нахождении квантового излучателя на торце волновода. Наконец, при нанесении метаматериала на внешнюю поверхность волновода решается основная техническая задача уменьшения габаритов устройства за счет размещения источника генерации фотонов (алмазная структура с метаматериалом) непосредственно на поверхности волновода. Отметим, что у выбранного прототипа источник генерации фотонов был расположен на отдельной
подложке, которую необходимо было присоединять к волноводу (см. US 20130056704, фиг. 1), а в предлагаемом решении они совмещены (см. фиг. 1-3 настоящего решения).
Центр окраски (он же квантовый излучатель) в кристалле наноалмаза может быть создан за счет примеси азота или кремния и расстояние между центром окраски и поверхностью метаматериала должно составлять менее 1000 нм.
Устройство может быть выполнено таким образом, что алмазная структура представляет собой алмазную пленку или алмазные наночастицы размерами до 200 нм, а волновод представлять собой нить оптического волокна. Причем, нить оптического волокна может иметь в месте нанесения метаматериала перетяжку менее 2 мкм (фиг. 1-3), которая определяет количество энергии излучения квантового излучателя, которое попадет в волновод, т.е. долю фотонов, попадающих в волновод к общему числу испущенных квантовым излучателем фотонов.
Метаматериал может представлять собой, по крайней мере, 1 слой металла и 1 слой диэлектрика или, по крайней мере, 1 слой металла. При этом выходное излучение фотонов находится в широком спектральном диапазоне 600-800 нм. Широкий диапазон излучения обусловлен диэлектрическими свойствами материалов, из которых состоит метаматериал. В приведенном примере используют метаматериал, состоящий из нитрида титана и нитрида алюминий скандия. Большую полосу усиления создать оказывается трудно. Необходимо искать новые материалы.
Устройство может функционировать в широком температурном диапазоне. Верхняя граница определяется температурой разрушения алмаза и составляет 450°C. Нижнюю границу можно принять равной температуре абсолютного нуля, т.е. - 273°C.
Метаматериал может иметь оптическую анизотропию и содержать слои из плазмонных и диэлектрических материалов, причем, по крайней мере, один из слоев тоньше 100 нм. При этом слой плазмонного материала содержит, по крайней мере, один слой серебра, или слой проводящего прозрачного оксида, например, оксида алюминия - сапфир, - или нитрида переходного металла. За счет этого получается слоистая структура гиперболическую дисперсию метаматериала. Были экспериментально реализованы примеры с нитридом алюминий скандия, нитридом титана (ссылка на статью http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/Ipor.201400185/full). Плазмонный материал может быть изготовлен из нитрида алюминий скандия и нитрида титана, а слой диэлектрического материала может представлять собой пленку окиси алюминия.