Однофотонный источник излучения

Изобретение относится к области оптических систем связи, а именно, к истинно 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 (КРК, QKD) через существующие оптоволоконные сети. Однофотонный источник излучения содержит канал оптической накачки, канал люминесценции, приемный канал и дихроичное зеркало. В канале оптической накачки расположен источник возбуждающего излучения. В канале люминесценции расположены элемент генерации одиночных фотонов на основе алмаза, система увеличения с кратностью М и система сканирования. Дихроичное зеркало обеспечивает возможность направления возбуждающего излучения в канал люминесценции, а генерируемых фотонов - в приемный канал. Элемент генерации выполнен в виде монокристалла алмаза с ростовыми центрами люминесценции концентрации N. В канале оптической накачки и приемном канале установлены конфокальные модули с точечными диафрагмами, радиус R которых составляет Технический результат-обеспечение возможности расширить номенклатуру алмазного материала, на базе которого может быть выполнен элемент генерации, и, как следствие, упростить изготовление однофотонного источника излучения. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области оптических систем связи, а именно, к истинно 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 (КРК, QKD) через существующие оптоволоконные сети.

Из уровне техники известен однофотонный источник излучения, содержащий канал оптической накачки с источником возбуждающего излучения, канал люминесценции с элементом генерации одиночных фотонов на основе 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 (см. патент US 2011174995, кл. G21K 5/00, опубл. 21.07.2011). Использование элемента генерации на основе алмаза позволяет получать истинно одиночные фотоны, так как в этом случае они испускаются одиночным центром люминесценции (в отличие от источников квази-одиночных фотонов, основанных на ослаблении лазерного излучения, в которых неизбежно могут появляться двух-, трех- и более фотонные импульсы, что значительно повышает уязвимость к прослушиванию). При этом основным недостатком известного устройства является необходимость использования в качестве элемента генерации высокочистых наноалмазов с единственным центром люминесценции. Манипуляция с такими элементами размером 10-100 нм требует особого оборудования, что значительно усложняет изготовление, контроль характеристик и позиционирование соответствующего компонента. Кроме того, известный источник требует трудоемкой юстировки.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в расширении номенклатуры алмазного материала, на базе которого может быть выполнен элемент генерации, и, как следствие, упрощении изготовления однофотонного источника излучения. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в однофотонном источнике излучения, содержащем канал оптической накачки с источником возбуждающего излучения, канал люминесценции с элементом генерации одиночных фотонов на основе 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, 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, радиус R которых составляет В указанном монокристалле могут быть выполнены дополнительные центры люминесценции методом радиационного повреждения с последующим отжигом. Указанный элемент генерации предпочтительно выполнен на базе азот-вакансионных, кремний-вакансионных или германий-вакансионных центров люминесценции. Система сканирования предпочтительно выполнена в виде гальваносканера. В приемном канале предпочтительно установлен светоделитель, направляющий часть излучения на контрольный фотоприемник, а часть - в линию вывода однофотонного излучения. Канал люминесценции предпочтительно выполнен с возможностью установки камеры и фоновой подсветки. Источник возбуждающего излучения может быть выполнен в виде лазера.

На чертеже представлена оптическая схема предлагаемого однофотонного источника излучения.

Предлагаемый однофотонный источник излучения состоит из канала оптической накачки, канала люминесценции и приемного канала.

В канале оптической накачки расположен источник возбуждающего излучения в виде коллимированного диодного лазера 1 и конфокальный модуль 2, состоящий из двух собирающих линз и точечной диафрагмы 3. Излучение из канала накачки направляется в канал люминесценции через дихроичное зеркало 4, которое разделяет световые потоки, пропуская и отражая свет в зависимости от длины волны.

В канале люминесценции расположены система сканирования в виде гальваносканера 5, система увеличения в виде объектива 6 и элемент генерации 7 одиночных фотонов на основе алмаза. Использование гальваносканера 5 вместо подвижного столика с образцом (как в прототипе) позволяет значительно ускорить и повысить точность позиционирования возбуждающего пучка, а также ресурс работы устройства.

Для выполнения первичной грубой юстировки в канале люминесценции также устанавливают фоновую подсветку, образованную источником света 8. Положение элемента генерации 7 контролируют с помощью CMOS-камеры 9, изображение в которую направляется с помощью светоделителя 10. Такая конструкция позволяет повысить скорость наведения оптической системы на одиночные центры в элементе генерации 7 (на монокристалле алмаза для этого предпочтительно вытравливают координатную сетку, позволяющую идентифицировать положение одиночного центра). После заводской юстировки элементы 8-10 могут быть демонтированы.

Генерируемые фотоны из канала люминесценции через дихроичное зеркало 4 направляются в приемный канал, в котором установлены длинноволновый сфетофильтр 11 и конфокальный модуль 12 с точечной диафрагмой 13 для исключения влияния фонового излучения, в частности, люминесцентного излучения всех центров люминесценции в алмазе, кроме одного целевого. Для контроля стабильности потока одиночных фотонов в приемном канале располагают светоделитель 14, направляющий часть излучения на контрольный фотоприемник в виде фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 15. Остальное излучение, минуя светоделитель 14, направляется в линию 16 вывода однофотонного излучения.

Элемент генерации 7 выполнен в виде макроскопического монокристалла алмаза, работа с такими крупными объектами вполне обыденна и не сложнее работы с общепринятыми элементами электронной компонентной базы, такими как резисторы SMD. В указанном монокристалле алмаза содержатся ростовые центры люминесценции, а также могут быть созданы дополнительные центры люминесценции, в частности, в заранее определенных местах. В алмазном материале может существовать целый ряд центров окраски, но наиболее ярко люминесцирующими из них являются NV (азот-вакансионный), SiV (кремний-вакансионный) и GeV (германий-вакансионный). Более высокая яркость люминесценции одиночного центра окраски позволяет достичь более высокой скорости квантовой передачи информации (битрейта)

Наиболее широко изучен NV-центр, поскольку азот является наиболее широко распространенной и неизбежной примесью - он легко встраивается в кристаллическую решетку алмаза как в ходе природного, так и в ходе искусственного роста. Из-за присутствия азота в атмосфере избавиться от азотных примесных центров в алмазе - невыполнимая задача. На практике во всех алмазах, содержащих азот, содержатся также и NV-центры. Есть два метода роста макроскопических искусственных монокристаллов алмаза: метод осаждения из газовой фазы (CVD) и метод температурного градиента при высоком давлении и высокой температуре (НРНТ). В самых чистых НРНТ кристаллах присутствует не менее 10¹⁰1/см³ ростовых NV-центров, а в CVD - еще больше. Указанная концентрация соответствует расстоянию около 4 мкм между ростовыми центрами, а более высокая концентрация - еще меньшему расстоянию вплоть до полной невозможности их оптического разделения.

На практике ростовые центры люминесценции обычно не используют, потому что их расположение непредсказуемо как латерально, так и по глубине. Дополнительные одиночные центры люминесценции создают искусственно методом радиационного повреждения, имплантируя ионы в алмаз или через малые (1 мкм или меньше) отверстия в масках, или без масок, но со сверхмалой дозой не более 10⁹ см^-2, с последующим отжигом в вакууме. В результате получаются одиночные центры или небольшие скопления (кластеры) центров (процесс вероятностный), находящихся на расстоянии порядка сотен нанометров друг от друга, причем при имплантации через отверстия в масках координаты таких центров совпадают с координатами отверстий в масках с точностью до 1 мкм.

Для работы с таким материалом элемента генерации 7 устройство предлагаемого источника излучения должно обеспечивать возможность возбуждения люминесценции в одиночных центрах люминесценции, не допуская при этом накачки соседних. В общем случае расстояние Н между соседними центрами люминесценции составляет

где N - концентрация центров люминесценции.

Таким образом, пучок возбуждающего излучения, а также область сбора генерируемых фотонов необходимо сжать до размеров на элементе генерации 7 порядка 300 нм. Это обеспечивается вводом конфокальных модулей 2 и 12 и размещением в них точечных диафрагм 3 и 13, для объектива 8 кратностью М=100 с радиусом R диафрагм 3, 13 порядка 30 мкм. В общем случае для обеспечения возможности работы системы радиус R должен составлять

где М - кратность системы увеличения.

Предлагаемый однофотонный источник излучения работает следующим образом.

Свет от лазера 1 с длиной волны 532 нм, последовательно прошедший через конфокальный модуль 2, дихроичное зеркало 4, гальваносканер 5 и объектив 6, направляют на элемент генерации 7. Для предварительной визуальной настройки на область, содержащую одиночный NV-центр, используют фоновую подсветку 8 и камеру 9, для более точной - гальваносканер 5 с обратной связью через ФЭУ 15 (элементы 5 и 15 используют в ходе всей эксплуатации устройства для компенсации температурной и иной расфокусировки). После фокусировки на одиночном NV-центре в элементе генерации 7, люминесцентное излучение в виде истинно одиночных фотонов с длиной волны 637 нм собирают объективом 6, после чего через гальваносканер 5 возвращают к дихроичному зеркалу 4. Дихроичное зеркало 4 с длиной волны отсечки 605 нм пропускает более коротковолновое излучение накачки и отражает более длинноволновое люминесцентное излучение в приемный канал. В приемном канале целевое излучение дополнительно очищают от остаточного излучения накачки, частично отраженного от дихроичного зеркала 4 из-за его неидеальности, длинноволновым фильтром 11 и от люминесценции всех центров люминесценции, кроме целевого конфокальным модулем 12. Целевое истинно однофотонное излучение направляют в линию вывода 16. На линии вывода 16 может быть установлено устройство понижения частоты (на чертежах не показано). Работая на основе трехволнового смешения в нелинейной среде с излучением вторичной накачки длиной волны 1064 нм, такое устройство преобразует исходное однофотонное люминесцентное излучение в сигнал на длине волны порядка 1588 нм, который может быть транспортирован по существующим оптоволоконным сетям.

Предлагаемое устройство, благодаря вышеуказанным особенностям конструкции, позволяет работать с кристаллами алмаза размером от единиц нанометров (наноалмазы) до крупных монокристаллов, размер которых ограничен только технологией их изготовления. В зависимости от конкретного подбора оптических элементов и диафрагм могут быть использованы алмазы с концентрацией ростовых NV-центров ~3,7⋅10¹³ 1/см³ (0,2 ppm, что характерно для недорогих CVD пленок) и ниже. Кроме того, прибор позволяет работать с целым набором оптически-активных центров в алмазе (NV, SiV, GeV): путем простой замены нескольких типовых спектрально-селективных элементов схемы (дихроичного зеркала и длинноволнового фильтра) и возбуждающего лазера, прибор может быть перестроен на работу с другими центрами, люминесцирующими в области более длинных волн (например, GeV). Таким образом, изобретение позволяет значительно расширить номенклатуру алмазного материала, на базе которого может быть выполнен элемент генерации, и, как следствие, упростить изготовление однофотонного источника излучения.

Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования высокоточных измерительных технологий в области фотоники (ckp.vniiofi.ru), созданного на базе ФГУП «ВНИИОФИ» и поддержанного Минобрнауки России в рамках выполнения соглашения №05.595.21.0005 (уникальный идентификатор RFMEFI59519X0005).

1. Однофотонный источник излучения, содержащий канал оптической накачки с источником возбуждающего излучения, канал люминесценции с элементом генерации одиночных фотонов на основе 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, радиус R которых составляет

2. Однофотонный источник излучения по п. 1, отличающийся тем, что в указанном монокристалле сформированы дополнительные центры люминесценции методом радиационного повреждения с последующим отжигом.

3. Однофотонный источник излучения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанный элемент генерации выполнен на базе азот-вакансионных, кремний-вакансионных или германий-вакансионных центров люминесценции.

4. Однофотонный источник излучения по п. 1, отличающийся тем, что система сканирования выполнена в виде гальваносканера.

5. Однофотонный источник излучения по п. 1, отличающийся тем, что в приемном канале установлен светоделитель, направляющий часть излучения на контрольный фотоприемник, а часть - в линию вывода однофотонного излучения.

6. Однофотонный источник излучения по п. 1, отличающийся тем, что канал люминесценции выполнен с возможностью установки камеры и фоновой подсветки.

7. Однофотонный источник излучения по п. 1, отличающийся тем, что источник возбуждающего излучения выполнен в виде лазера.