一种单光子隔离器的制作方法

本申请涉及光隔离器技术领域，尤其涉及一种单光子隔离器。

背景技术：

光隔离器作为一种对光的方向进行限制，使光只能单方向传输的光学器件，在光通信和光学精密测量系统中具有重要的作用。

目前常用的光隔离器主要利用法拉第旋光效应，通过在磁光介质中施加强磁场改变其中传输的光的偏振来实现，需要提供强磁场的装置，其尺寸大，不利于芯片集成。另外，也可以利用波导或者微腔的非线性光学效应，来实现对光的隔离。波导或者微腔的非线性效应需要很强的光强来激发，对于单个光子来说，由于其光强不足以激发波导或者微腔的非线性效应，因此，这种光隔离器，仅能实现对光束的隔离，而且不能作为单光子隔离器，对单个光子的传输方向进行限定。

为实现对单个光子的传输方向进行限定，常利用冷原子与波导的相互作用，使单光子从波导的正向端口入射时能够正常传输，从波导的反向端口入射时被隔离。实际应用中，需要预先使用激光装置对铷原子进行冷却形成冷原子。然而在单光子隔离器中加入用于对铷原子进行冷却的激光装置，将会使单光子隔离器的复杂度大大增加。

技术实现要素：

为了解决单光子隔离器复杂度较高的问题，本申请通过以下实施例公开一种单光子隔离器。

本申请公开的一种单光子隔离器，包括：直线波导、环形微腔以及量子点；

所述直线波导以及所述环形微腔设置在光子晶体层中，所述环形微腔位于所述直线波导的一侧；

所述直线波导用于当单光子从所述直线波导的正向端口入射时，将所述单光子引入所述环形微腔内，使所述单光子在所述环形微腔内以逆时针回音壁方式进行传播时，在所述环形微腔内的特定位置处形成右旋圆偏振光；还用于当所述单光子从直线波导的反向端口入射时，将所述单光子引入所述环形微腔内，使所述单光子在所述环形微腔内以顺时针回音壁方式进行传播时，在所述特定位置处形成左旋圆偏振光；

所述量子点设置在所述环形微腔内，位于所述特定位置处；

所述量子点的跃迁频率与所述环形微腔的共振频率一致，用于当所述单光子从所述正向端口入射时，与所述右旋圆偏振光发生耦合，且当所述单光子从所述反向端口入射时，不与所述左旋圆偏振光发生耦合。

可选的，所述光子晶体层为砷化镓晶体层，所述光子晶体层的厚度为0.22微米；

所述光子晶体层设置有周期性排列的空气孔柱，每一个所述空气孔柱的半径为0.16微米，高为0.22微米；

所述空气孔柱在x方向上的排列周期为0.44微米，在y方向上的排列周期为0.762微米。

可选的，所述直线波导的宽度为0.442微米；

所述环形微腔的外半径为0.801微米，内半径为0.4微米；

所述直线波导的中心轴与所述环形微腔外圆之间的最近距离为0.5408微米。

可选的，所述环形微腔的共振频率与所述量子点的跃迁频率皆为2π×244.5thz。

可选的，所述量子点为砷化铟量子点；

所述量子点为只与所述右旋圆偏振光发生耦合的二能级系统。

可选的，所述正向端口位于所述直线波导的左端，所述反向端口位于所述直线波导的右端。

本申请实施例公开了一种单光子隔离器，包括直线波导、环形微腔以及量子点，其中，量子点的跃迁频率与环形微腔的共振频率一致。当单光子从直线波导的正向端口入射时，被引入环形微腔内，在环形微腔内以逆时针回音壁方式进行传播，并形成右旋圆偏振光，与量子点发生耦合之后，从直线波导的反向端口射出。当单光子从直线波导的反向端口入射时，被引入环形微腔内，在环形微腔内以顺时针回音壁方式进行传播，并形成左旋圆偏振光，与量子点不会发生耦合，进而被隔离，不会从直线波导的正向端口射出。本申请实施例公开的单光子隔离器，通过量子点与光子之间的相互作用，实现对单光子传输方向的限定，无需使用冷原子，因而无需在单光子隔离器中加入用于对铷原子进行冷却的激光装置，有效降低了单光子隔离器的复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种单光子隔离器的原理结构示意图；

图2为本申请实施例公开的一种单光子隔离器的原理结构俯视图；

图3为本申请实施例公开的一种单光子隔离器的单光子透过率的示意图。

具体实施方式

为了解决单光子隔离器复杂度较高的问题，本申请通过以下实施例公开一种单光子隔离器。

参见图1所示，本申请实施例公开的一种单光子隔离器，包括：直线波导、环形微腔以及量子点。

所述直线波导以及所述环形微腔设置在光子晶体层中，所述环形微腔位于所述直线波导的一侧。

在一种实现方式中，所述光子晶体层为砷化镓(gaas)光子晶体层，所述光子晶体层的厚度为0.22微米。所述光子晶体层上设置有周期性排列的空气孔柱，每一个所述空气孔柱的半径为0.16微米，高为0.22微米。空气孔柱在x方向上的排列周期为0.44微米，即在x方向上相邻两个空气孔柱的圆心距离为0.44微米。空气孔柱在y方向上的排列周期为0.762微米，即在y方向上相邻两个空气孔柱的圆心距离为0.762微米。

通过在砷化镓光子晶体层中引入直线缺陷形成直线波导，引入环形线缺陷形成环形微腔。其中，所述直线波导的宽度为0.442微米，长度与光子晶体层等长。所述环形微腔的外半径为0.801微米，内半径为0.4微米。所述直线波导的中心轴与所述环形微腔外圆之间的最近距离为0.5408微米。

参见图2所示，在一种实现方式中，将所述直线波导的左端(a端)设为正向端口，将所述直线波导的右端(b端)设为反向端口，这种情况下，单光子在直线波导中从左往右传播时为正方向传播，从右往左传播时为反方向传播。

当单光子从所述直线波导的正向端口入射时，所述直线波导用于将所述单光子引入所述环形微腔内，使所述单光子在所述环形微腔内以逆时针回音壁(ccw)方式进行传播；当所述单光子从直线波导的反向端口入射时，所述直线波导用于将所述单光子引入所述环形微腔内，使所述单光子在所述环形微腔内以顺时针回音壁(cw)方式进行传播。

单光子在环形微腔传播时，将受到很强的横向限制，这种情况下，在环形微腔内就会形成手性的圆偏振光场分布。通过观察圆偏振光强差c，便可监测环形微腔内圆偏振光场分布，其中，当c＝0时，光场为线偏振光，当c>0时，c为右旋圆偏振光场强，当c<0时，c为左旋圆偏振光场强。通过监测环形微腔内圆偏振光场分布可以发现，当单光子从直线波导的正向端口入射，耦合到环形微腔内时，在腔内特定位置处形成的是右旋圆偏振光；当单光子从直线波导的反向端口入射，耦合到环形微腔内时，在腔内同样的位置处形成的是左旋圆偏振光。

本申请实施例中，将所述量子点设置在所述环形微腔内的特定位置处。当光的传播方向相反时，由于在此处形成的圆偏振光方向相反，因而量子点与此处光场的耦合强度不同。其中，所述量子点为砷化铟量子点。

通常情况下，量子点既能与右旋圆偏振光耦合，又能够与左旋圆偏振光耦合。为了使量子点仅能与正向传播时的右旋圆偏振光发生耦合，本申请实施例中，采用光学斯塔克效应(opticalstarkeffect)预先对量子点进行初始化。

由于圆偏振的激光作用于量子点，能够使跃迁能级发生平移，平移量可以由加载的圆偏振光的频率和强度控制。所以，通过对量子点加载适当强度的频率为ωs的右旋圆偏振光，对量子点进行初始化，使得能级平移2δose之后的量子点跃迁频率与环形微腔的共振频率一致，这时环形微腔内的右旋圆偏振光能够和量子点发生耦合，而左旋圆偏振光的跃迁频率与微腔的共振频率相差很大的失谐而不发生耦合。由此，本申请实施例中公开的初始化后的量子点为只与右旋圆偏振光的腔场耦合的二能级系统。

当光从一个端口入射进入直线波导时，通过在另一个端口监测光的透过率，能够得到光的透射谱。透射谱中存在很多凹陷，凹陷对应波长的光满足环形微腔的共振条件，使得光从波导耦合进腔内再向腔外空间衰减至零，所以透过率较小。当满足临界耦合时，透过率为零。通过观察透射谱，可发现共振点对应波长的光，其波长为1.227μm，满足临界耦合。因此，本申请实施例中，将环形微腔的共振波长设置为1.227微米，对应的，环形微腔的共振频率为2π×244.5thz。量子点初始化后的跃迁频率与所述环形微腔的共振频率一致，即量子点初始化后的跃迁频率为2π×244.5thz。

当所述单光子从所述正向端口入射时，所述量子点与所述右旋圆偏振光发生耦合，使单光子正常传输，并从所述反向端口射出。当所述单光子从所述反向端口入射时，所述量子点不与所述左旋圆偏振光发生耦合，使所述单光子被隔离，不会从正向端口射出。

本申请实施例公开了一种单光子隔离器，包括直线波导、环形微腔以及量子点，其中，量子点的跃迁频率与环形微腔的共振频率一致。当单光子从直线波导的正向端口入射时，被引入环形微腔内，在环形微腔内以逆时针回音壁方式进行传播，并形成右旋圆偏振光，与量子点发生耦合之后，从直线波导的反向端口射出。当单光子从直线波导的反向端口入射时，被引入环形微腔内，在环形微腔内以顺时针回音壁方式进行传播，并形成左旋圆偏振光，与量子点不会发生耦合，进而被隔离，不会从直线波导的正向端口射出。本申请实施例公开的单光子隔离器，通过量子点与光子之间的相互作用，实现对单光子传输方向的限定，无需使用冷原子，因而无需在单光子隔离器中加入用于对铷原子进行冷却的激光装置，有效降低了单光子隔离器的复杂度。

根据以上实施例公开的单光子隔离器，使用基于时域有限差分法的电磁仿真软件，进行数值仿真之后，得到正负两个传播方向的单光子的透过率，如图3所示，实线所代表的曲线表示正向传播的单光子的透过率，虚线所代表的曲线表示反向传播的单光子的透过率。从图中可以看出，在单光子的入射频率与环形微腔的共振频率一致时，即在共振处δ＝0处，正向传播的单光子的透过率趋近于1，反向传播的单光子的透过率趋近于0，也就是说，单光子正向能够传输，反向不能传输，因此，本申请实施例公开的单光子隔离器能够实现单光子隔离效果。并且，从图3中可得出，单光子隔离器的隔离工作带宽约为1.4κi≈2π×34.2ghz，相较于现有技术中工作带宽很窄(通常只有几十兆赫兹(mhz))的单光子隔离器，本申请实施例公开的单光子隔离器具有很宽的工作带宽的优点。

另外，上述公开的单光子隔离器不需要外加磁场，只用光场控制就可以实现单光子隔离。综上，本申请实施例公开的单光子隔离器具有结构简单、利于芯片集成，能够实现全光无磁场的光隔离，并具有很宽的工作带宽的优点。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。