[发明专利]一种伪单光子源及制备方法

说明书

本发明实施例提供一种伪单光子源及制备方法，包括：依次叠置的背电极层、衬底层和伪单光子源阵列；伪单光子源阵列包括依次叠置的第一绝缘层、金属遮光层、第二绝缘层和电极层；其中，第一绝缘层设置有第一通光孔，金属遮光层设置有第二通光孔，第二绝缘层设置有第三通光孔，电极层设置有线栅；第一通光孔、第二通光孔、第三通光孔和线栅为同心圆，且第二通光孔、第三通光孔和线栅的尺寸依次减小。利用半导体有源层发光，其上制备遮光层遮挡杂光，实现光的线偏振输出。该结构可实现在芯片上的集成，形成不同偏振方向的伪单光子源阵列，通过控制阵列中各光源的输入电流，可以实现各种线偏振单光子的独立输出。

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种伪单光子源及制备方法。

背景技术

量子密钥分发是利用海森堡不确定性原理和量子态不可克隆原理等量子特性，使通信双方产生并共享一个随机的且不可被窃听的密钥，从而保证通信安全性的一种方法。在实现量子密钥分发的过程中，通常利用光子作为量子态的载体。在量子密钥分发相关理论的发展中，最经典的通信协议是1984年Bennett和Brassard提出的BB84协议，其利用的量子态为光子的偏振态，通信双方分别产生和接收一个光子序列，光子随机处于四种偏振态(水平偏振“H”，垂直偏振“V”，正45°度线偏振“+”，负45°度线偏振“-”)中的一种，光子被检测时只能用“HV”或“+-”两种测量基中的一种，测量基与被测光子不吻合时便不能获知光子准确的偏振方向，且一旦被检测，光子的偏振态便无法被复制。于是，通信双方可以通过在传统信道中共享测量基序列的方式获得密钥，而窃听者则无法获知。

为了实现BB84协议，通信发送端需要一个线偏振输出的单光子源。目前，量子密钥分发主要应用于长距离通信中，利用光纤作为信道实现了城域量子密钥分发网络的搭建，利用自由空间作为信道实现了与量子卫星的通信。在这些应用实例中所使用的单光子源体积大、成本高，不适合应用到便携设备中，限制了量子密钥分发技术在便携设备通信上的应用。发展应用于便携设备的量子密钥分发系统对单光子源的尺寸和集成度提出了新的要求。

在理想状态下，单光子源需要满足一些严格的条件，如能够按照需求在任意时刻发射单个光子、不存在无光子或多光子的情况、发射的光子具有独立性和不可分辨性、具有较高的重复速率等，但在实际设计实现过程中，通常难以做到。目前最常用的单光子源是利用激光衰减法，将特定偏振状态的激光脉冲衰减到单光子水平，从而获得伪单光子源。这种方法能量损失大，重复速率较低，且容易存在多光子情况，但实现较简单，适合采用诱骗态协议的量子密钥分发应用。为尽量减少多光子情况，通常控制单个脉冲所含平均光子数在0.1左右。目前，通过应用微小光学元件和光学芯片集成，此类基于激光衰减法的伪单光子源尺寸已可以降低到几厘米量级，但仍不能满足便携设备对微型化伪单光子源的尺寸要求。另一方面，半导体发光二极管发射低相干性的光，衰减后单光子波包光子数统计满足热统计分布。已有理论表明输出热统计分布单光子波包的伪单光子源同样可以应用于采用诱骗态协议的量子密钥分发。

但如何实现微型化的伪单光子源已经是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种伪单光子源及制备方法，用以解决上述背景技术中提出的技术问题，或至少部分解决上述背景技术中提出的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供一种伪单光子源，包括：依次叠置的背电极层、衬底层和伪单光子源阵列；

所述伪单光子源阵列包括依次叠置的第一绝缘层、金属遮光层、第二绝缘层和电极层；

其中，所述第一绝缘层设置有第一通光孔，所述金属遮光层设置有第二通光孔，所述第二绝缘层设置有第三通光孔，所述电极层设置有线栅；

所述第一通光孔、第二通光孔、第三通光孔和所述线栅为同心圆，且所述第二通光孔、第三通光孔和所述线栅的尺寸依次减小。

更具体的，所述衬底层上有一个或多个伪单光子源阵列。