适合批量生产的单光子源和制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及单光子源和单光子源的制造方法。
【背景技术】
[0002]为光谱学的应用和特别为可靠地传输量子加密的密钥需要光子源，它在规定的时间点向电信号上提供单个的光子。发光二极管(LED)能够良好地小型化，使得它们能够非常快地开关和为发射非常短的光脉冲被电气激励。然而它们在每单位时间发射如此多的光子，使得在技术上最小可能的脉冲持续时间内虽然仅发射很少的光子，然而始终还是显著大于一个。每一光脉冲发射的光子越多，光谱学的精度或者密钥传输的绝对的安全性就越多地受到限制。
[0003]在一些活性的固体中发生量子效应，该量子效应引起，在给定的时间点进行电的或者光的激励的情况下总是仅发生一种辐射的跃迀，其中释放光子。这意味着，可以定义时间区间，其中每次仅发射一个光子从而完美地满足提出的要求。这种跃迀例如可以是电子和空穴在一种半导体内的重新结合，该重新结合每次一在发射光子后就能够被重新激励。然而该量子效应的前提是，活性的固体具有纳米尺度的大小。它的缺点是为激励的目的以电的方式接触这样的活性的固体变得非常困难。通过光学激励的迂回使得需要单独的激励单元，其为激励而把电信号变换为光。关于每次为电激励发射精确一个光子的单光子源的有利的批量生产不考虑这两种途径。
【发明内容】
[0004]因此本发明的任务在于，提供适合批量生产的为电激励发射精确一个光子的单光子源。
[0005]根据本发明该任务通过根据主权利要求的单光子源以及通过根据并列权利要求的制造方法解决。另外有利的设计方案分别从参照它们的从属权利要求中产生。
[0006]在本发明的框架内开发一种单光子源。它包括至少一个活性的固体，该活性的固体在用其光子各具有激励能量的光激励的情况下在预先给定的时间段内发射较小发射能量的单个的光子。该时间段的持续时间依赖于具体的应用，特别依赖于数据传输时希望的数据率(传输速度)。其例如可以从lps和100ms之间的范围内选择。如果要传输近似超高速的数据，则可以使用当前在实验室尺度中可借助毫微微秒激光器产生的数量级为lps的光脉冲作为用于发射的激励脉冲，当活性的固体在该微微秒内发射精确一个光子时这是有意义的。在当前以光学方式数据传输的情况下在商业的尺度中使用的光脉冲以Ins的数量级持续。在量子加密的情况下再次重要的是，可靠地传输仅数百到数千位长的密钥。这里可能有意义的是，活性的固体在Ι-lOOms的持续时间的相对长的激励的情况下也发射仅一个单个的光子。
[0007]根据本发明活性的固体在用于具有激励能量的光子的被电气操作的原始光源的表面或者边界面上设置，使得它能够被透过该表面或者边界面激励。该原始光源特别可以是持续光源和/或在给定的时间点每单位时间发射多个光子。持续光源作为原始光源例如适合栗-探针试验或者适合时间标准的定义；那时以时钟速率周期地发射单个的光子，根据它确定，活性的固体的发射的状态具有什么样的寿命。但是例如为数据传输原始光源也可以调制其强度和特别脉冲式产生。
[0008]已经知道，以这种方式能够使电气的原始光源的小型化性和简单的可操作性有利地与活性的固体的能力结合，在短的时间段内发射精确一个光子。
[0009]在这种情况下特别充分利用的是，本发明的设备仅对活性的固体的机械的操纵提出很小的要求从而可以使用比根据迄今的现有技术显著小的活性的固体。在那些在活性的固体中发生发射光子的跃迀(例如重新结合)的位置，活性的固体可以不吸收任何另外的激励能，因为相应的状态不是自由的。这些状态的数目现在通过活性的固体的大小向上限制。活性的固体越小，通过周期的边界条件规定的能级之间的间隔越大。在极端的情况下在整个活性的固体内仅存在唯一的可通过原始光源激励的能级，使得在任何时间点都不能同时发射多个光子。如果原始光源自身每单位时间发射许多光子，则这不再是缺点，只要仅活性的固体足够小即可。
[0010]因为来自原始光源的光子具有和从活性的固体发射的单个光子不同的波长(能量)，所以它能够通过依赖于波长的滤波隐没，以致它不进入为单个光子的继续的处理级中。为此例如可以使用波长滤波器、涂层或者空腔。在最简单的情况下下面已经足够，即在活性的固体附近设置玻璃纤维，在它的光导线芯中仅耦合从活性的固体发射的光子，然而不耦合来自原始光源的、具有不与该线芯的尺寸匹配的波长的光子。
[0011]在本发明的一种特别有利的设计方案中光源在至少两个不同掺杂的半导体之间具有至少一个发射光的结。特别所述光源可以有利地是发光二极管(LED)。这种结构能够以被证明是有利的方式以小型化的形式批量生产。同样活性的固体自身也可以批量生产。
[0012]在本发明的另一个特别有利的设计方案中在所述光源的表面或者边界面上设置至少一个活性的固体，它离开最近的活性的固体至少10 μm，优选至少50 μm。那时单个的光子能够从精确一个活性的固体耦合到玻璃纤维的光导的线芯内，不会发生另一个活性的固体同时把它的单个的光子耦合到相同的玻璃纤维中。以这种方式例如能够通过玻璃纤维可靠地传输量子加密的密钥。
[0013]在本发明的另一个特别有利的设计方案中光源的表面或者边界面被局部修改用于收纳活性的固体。例如可以在该表面或者边界面内引入地形特征，例如突起或者凹陷。但是在该表面或者边界面例如也可以设置另一个层作为掩膜，它在它那一方面包含地形特征。该局部的修改以在表面或者边界面上的个别的位置为特征。如果使一个或者多个活性的固体以适宜的方式接触所述表面或者边界面，则它们自身能够正好在这样的特征位置处积聚。相反如果表面未以任何方式修改并且供给许多活性的固体，例如作为胶体溶液中的纳米粒子，则在光源的表面或者边界面上由多个活性的固体构成积聚。在穿透表面或者边界面的光学激励的情况下在这样的积聚的位置发射和存在的活性的固体同样多的光子。
[0014]有利的是所述局部的修改如此设计，使得它有利于积聚与所述表面或者边界面接触的活性的固体。这例如是那时的情况，即当在活性的固体与局部的修改接触的情况下释放比该活性的固体与表面或者边界面上的未局部修改的区域接触的情况下更大的结合能时。理想的是仅在那时完全释放结合能，即当活性的固体接触局部的修改时，然而在它接触表面或者边界面上的其他区域时不释放。
[0015]另选或者也与之结合，局部的修改有利地如此设计，即使得它为活性的固体构成势场中的最小值。如果局部的修改例如是表面或者边界面内的凹陷以及活性的固体从上面引向表面或者边界面，则活性的固体能够落入这样的凹陷内并且在那时在地球的重力场中位于局部的最低势位。它由此至少暂时固定并且例如在其余未落入凹陷内的活性的固体被去掉之后能够最终粘牢。
[0016]在本发明的另一个特别有利的设计方案中所述局部的修改如此设计，使得它定义空间的区域，从该区域原始光源发射光。那时许多活性的固体能够在狭窄的空间内互相并排设置，不会发生这样的活性的固体的激励通过散射光也导致另外的活性的固体的不希望的激励。
[0017]有利的是所述活性的固体如此具有至少一个优选方向，使得从原始光源从该优选方向入射的光子具有比从另外的方向入射的光子更大的概率激励发射单个的光子。在理想的情况下几乎仅原始光源从该优选方向入射到活性的固体内的光转变为单个的光子。那时大量本发明的单光子源在狭窄的空间内一个接一个操作，而它们不会互相影响。
[0018]有利的是所述活性的固体是具有量子限制的低维的半传导的系统或者是具有颜色中心的纳米宝石。颜色中心是缺陷位置，它使得能够实现发射的跃迀，特别实现发射的重新结合。这样的缺陷位置例如可以是格栅空位，特别是硅或镍格栅的空位。
[0019]在本发明的范围内还涉及从发射具有激励能的光子的光源制造单光子源的方法。该方法特别适合制造本发明的单光子源。因此为单光子源给出的公开明确地也为该方法适宜，并且反之亦然。
[0020]在所述方法中首先在一个或者多个位置局部修改发射光的光源的表面或者边界面。接着使一个或者多个活性的固体与所述表面或者边界面接触