一种适用于超高真空和低温环境的单光子源装置

本发明涉及量子光学，具体涉及一种适用于超高真空和低温环境的单光子源装置。

背景技术：

1、在量子光源和光传感器领域，低维材料的色心研究引起了广泛关注。低维材料色心是一种位于原子层或纳米尺度的缺陷结构，可以发射、探测和操控单个光子或自旋缺陷。低维材料色心具有一些独特的优势，包括自发辐射强度高、光学稳定性好、量子态的长寿命等，这些特性使其成为了潜在的候选，用以实现高效、精确、可控的单光子源和光传感器。这种设计理念基于对色心微观结构和能级的深入理解，使其具备了许多优秀的性质。

2、在传统光学技术中，色心的探测和操控通常通过直接照射和观察来实现，然而，传统方法面临着定位困难、效率低下以及对特定波长单光子的选择性困难等问题，限制了其应用范围和效果。然而，尽管低维材料色心在理论上被广泛研究，但在实际应用中仍面临许多挑战，特定波长单光子筛选和检测是实现高质量量子光源和高灵敏度光传感器的关键因素。然而，现有技术往往未能提供针对特定波长单光子的精确筛选和分离能力，限制了单光子光源的纯度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种能够对特定波长的单光子进行筛选输出的且特别适用于超高真空和低温环境的单光子源装置。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种适用于超高真空和低温环境的单光子源装置，包括衬底以及依次设置于所述衬底上的缓冲层、波导介质层、具有正温度系数的热敏材料层、布拉格光栅层以及低维材料色心层；所述波导介质层中设置有光波导结构和光纤-波导耦合结构，所述光纤-波导耦合结构位于所述光波导结构的第一端并与输出光纤连接；所述热敏材料层连接有温度控制电路。

4、优选地，所述波导介质层中设置有电光调制器，所述电光调制器位于所述光波导结构上且临近于所述光波导结构的第一端。

5、优选地，所述缓冲层的材料为碳化硅或氮化镓，所述缓冲层的厚度为1μm～100μm。

6、优选地，所述波导介质层的材料为二氧化硅、硅、锗、铌酸锂、蓝宝石或透明陶瓷材料。

7、优选地，所述波导介质层的厚度为20nm～1.5μm。

8、优选地，所述热敏材料层为硅热敏材料层、碳热敏材料层或铝热敏材料层。

9、优选地，所述热敏材料层的厚度为1μm～100μm。

10、优选地，所述布拉格光栅层的材料为硅、二氧化硅或石英玻璃。

11、优选地，所述低维材料色心层为二维h-bn色心材料层。

12、优选地，所述波导介质层中设置有并行排列的多个所述光波导结构，每一所述光波导结构通过一个所述光纤-波导耦合结构与一个所述输出光纤连接。

13、本发明实施例提供的适用于超高真空和低温环境的单光子源装置，包括依次设置于衬底上的缓冲层、波导介质层、具有正温度系数的热敏材料层、布拉格光栅层以及低维材料色心层，由布拉格光栅层对低维材料色心层被激发产生的单光子进行筛选分离，获得特定波长的单光子后经由波导介质层传导输出，其中，通过对热敏材料层的温度控制，调整布拉格光栅层周期参数，实现了对不同波长单光子的选择性分离。

14、进一步地，本发明实施例提供的单光子源装置，将用于产生单光子的低维材料色心层、用于筛选分离单光子的布拉格光栅层和用于传导输出单光子的波导介质层全部集成于同一衬底上，整个装置器件固态化小型化，摆脱了现有的单光子源装置中对宏观分分立光学元件的依赖，特别适用于超高真空与低温等极端使用环境。

技术特征：

1.一种适用于超高真空和低温环境的单光子源装置，其特征在于，包括衬底以及依次设置于所述衬底上的缓冲层、波导介质层、具有正温度系数的热敏材料层、布拉格光栅层以及低维材料色心层；所述波导介质层中设置有光波导结构和光纤-波导耦合结构，所述光纤-波导耦合结构位于所述光波导结构的第一端并与输出光纤连接；所述热敏材料层连接有温度控制电路。

2.根据权利要求1所述的单光子源装置，其特征在于，所述波导介质层中设置有电光调制器，所述电光调制器位于所述光波导结构上且临近于所述光波导结构的第一端。

3.根据权利要求1所述的单光子源装置，其特征在于，所述缓冲层的材料为碳化硅或氮化镓，所述缓冲层的厚度为1μm～100μm。

4.根据权利要求1所述的单光子源装置，其特征在于，所述波导介质层的材料为二氧化硅、硅、锗、铌酸锂、蓝宝石或透明陶瓷材料。

5.根据权利要求4所述的单光子源装置，其特征在于，所述波导介质层的厚度为20nm～1.5μm。

6.根据权利要求1所述的单光子源装置，其特征在于，所述热敏材料层为硅热敏材料层、碳热敏材料层或铝热敏材料层。

7.根据权利要求6所述的单光子源装置，其特征在于，所述热敏材料层的厚度为1μm～100μm。

8.根据权利要求1所述的单光子源装置，其特征在于，所述布拉格光栅层的材料为硅、二氧化硅或石英玻璃。

9.根据权利要求1所述的单光子源装置，其特征在于，所述低维材料色心层为二维h-bn色心材料层。

10.根据权利要求1-9任一项所述的单光子源装置，其特征在于，所述波导介质层中设置有并行排列的多个所述光波导结构，每一所述光波导结构通过一个所述光纤-波导耦合结构与一个所述输出光纤连接。

技术总结
本发明公开了一种适用于超高真空和低温环境的单光子源装置，包括衬底以及依次设置于所述衬底上的缓冲层、波导介质层、具有正温度系数的热敏材料层、布拉格光栅层以及低维材料色心层；所述波导介质层中设置有光波导结构和光纤‑波导耦合结构，所述光纤‑波导耦合结构位于所述光波导结构的第一端并与输出光纤连接；所述热敏材料层连接有温度控制电路。本发明由布拉格光栅层对低维材料色心层被激发产生的单光子进行筛选分离，获得特定波长的单光子后经由波导介质层传导输出，通过调整布拉格光栅层周期参数，实现了对不同波长单光子的选择性分离。该单光子源装置集成度高，整个装置器件固态化小型化，特别适用于超高真空与低温等极端使用环境。

技术研发人员：王晓冉,徐耿钊,刘争晖,张春玉,张珽
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19