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。
技术实现要素：
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。
更具体的，所述背电极层和所述电极层采用的材料为铬、金或铝。
更具体的，所述第二通光孔为圆形孔；
其中，所述圆形孔的直径范围为5微米至100微米。
更具体的，所述衬底层为带有有源发光层的半导体材料。
第二方面，本发明实施例提供一种伪单光子源的制备方法，包括：
在衬底发光层侧通过二氧化硅制备得到第一绝缘层；在所述第一绝缘层上制备带第二通光孔的金属遮光层，在所述金属遮光层上通过二氧化硅制备得到第二绝缘层；
通过湿法腐蚀法将金属遮光层孔内的二氧化硅进行腐蚀处理，得到带第一通光孔的第一绝缘层和带第三通光孔的第二绝缘层，其中，所述第一通光孔、第二通光孔和所述第三通光孔为同心圆，且所述第一通光孔和第三通光孔的直径小于第二通光孔的直径；
在所述第二绝缘层上，生成电极层，并在所述电极层上-刻蚀线栅，并在衬底发光层的背面生成背电极；
其中，所述线栅与所述第三通光孔为同心圆，且所述线栅的直径小于第三通光孔的直径。
更具体的，所述在衬底发光层侧通过二氧化硅制备得到第一绝缘层的步骤，具体包括：
通过采用pecvd工艺在所述衬底发光测生长二氧化硅得到第一绝缘层。
更具体的，所述在所述第一绝缘层上制备带第二通光孔的金属遮光层的步骤，具体包括：
采用磁控溅射镀膜工艺在所述第一绝缘层上生长金属铬得到带第二通光孔的金属遮光层。
更具体的，在所述第二绝缘层上，生成电极层的步骤，具体包括：
在所述第二绝缘层上，用磁控溅射镀膜工艺依次生长一层铬和一层金得到电极层。
更具体的，所述在衬底发光层的背面生成背电极的步骤，包括：
在衬底发光层的背面，采用电子束蒸发镀膜工艺依次生长一层钛和一层金作为背电极。
本发明实施例提供的一种伪单光子源及制备方法，通过利用半导体有源层发光，其上制备遮光层遮挡杂光，遮光效果良好，基本没有杂光，两层绝缘层分别避免外延片与遮光层、遮光层与电极导通，电极层用于供电，并作为线栅偏振器，实现光的线偏振输出，且每个同一衬底制备多个形成伪单光子源阵列，阵列中每个伪单光子源可以具备不同的线栅偏振方向，并且由独立的电极，通过选择向特定电极供电可以实现相应线偏振方向的伪点光子源输出，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，可用于量子密钥分发等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明一实施例中所描述的伪单光子源结构示意图；
图2为本发明一实施例所描述的伪单光子源俯视示意图；
图3为本发明实施例中所描述的伪单光子源的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一实施例中所描述的伪单光子源结构示意图，如图1所示，包括：依次叠置的背电极层2、衬底层1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4、金属遮光层3、第二绝缘层5和电极层6；且第一绝缘层4上设置有第一通光孔，金属遮光层3设置有第二通光孔8；第二绝缘层5设置有第三通光孔9，电极层6设置有线栅7；
第一绝缘层4用于防止金属遮光层3和衬底1表面接触导通；第二绝缘层5用于防止金属遮光层3和电极层6接触导通。
本发明实施例中所描述的第一通光孔、第二通光孔、第三通光孔和所述线栅为同心圆，即单光子可以通过该通光孔进行输出，且第二通光孔的直径应该大于第一通光孔和第三通光孔，即保证金属遮光层依然包裹在两个绝缘层之间，且线栅的尺寸应该小于第一通光孔和第三通光孔的直径。
图2为本发明一实施例所描述的伪单光子源俯视示意图，如图2所示，包括：在电极11的中心为发光位置，金属遮光层12的大小和形状可以根据需求具体调整，金属遮光层所留第二通光孔15，两个绝缘层所留通光孔14和线栅13的尺寸依次减小，使绝缘层完全包裹遮光层。
具体的，本发明实施例中所描述的伪单光子源的物理机制是半导体有源层发光，采用含pn结或量子阱有源层层的半导体发光衬底层制备。
本发明实施例通过采用电激励发光，利用半导体发光二极管发光，其上制备遮光层遮挡杂光，通过在电极层和背电极两侧加载电压使光子从电极层上金属线栅以线偏振单光子波包输出，该结构可以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，可用于量子密钥分发等领域。
在上述实施例的基础上，所述衬底层上制备有一个或多个伪单光子源阵列。
具体的，本发明实施例中所描述的多个为光子源阵列可以具备不同的线栅偏振方向，并且每个伪单光子源阵列都具有独立的电极层，即伪单光子源可以在同一衬底制备多个伪单光子源阵列，通过选择向特定电极供电可以实现相应线偏振方向的伪点光子源输出。
本发明实施例的结构可以实现在芯片上的集成，形成不同偏振单光子的独立输出，通过选择向特定电极供电可以实现相应线偏振方向的伪点光子源输出，其可以用于量子密钥分发领域。
在上述实施例的基础上，所述背电极层和所述电极层采用的材料为铬、金或铝。
具体的，本发明实施例中所描述的背电极层和电极层均采用导电性较好的金属，包括金，铝，钛，也可以是合金制作的导电性较好的金属。
在上述实施例的基础上，所述第二通光孔为圆形孔；
其中，所述圆形孔的直径范围为5微米至100微米。
在上述实施例的基础上，所述衬底层为带有有源层的半导体-材料。
具体的，本发明实施例中所描述的衬底层材料可以是指带有有源层的砷化镓，磷化铟以及同材料体系的半导体化合物晶体。
在本发明另一实施例中，该伪单光子源的实现方式是，在衬底层靠近发光层的一侧上制备二氧化硅绝缘层；在绝缘层上制备带孔结构的遮光层；在遮光层上再制备二氧化硅绝缘层；采用湿法腐蚀方法将遮光层孔内中心部分的二氧化硅腐蚀掉，使衬底暴露出，同时保证遮光层依然包裹在二氧化硅中；在遮光层上制备电极层使电极层覆盖二氧化硅湿法腐蚀的孔并与衬底接触；在电极层与衬底接触的部分制备金属线栅结构；在衬底的另一侧制备背电极。
图3为本发明实施例中所描述的伪单光子源的制备方法流程图，如图3所示，包括：
s1，在衬底层发光侧通过二氧化硅制备得到第一绝缘层；在所述第一绝缘层上制备带第二通光孔的金属遮光层，在所述金属遮光层上通过二氧化硅制备得到第二绝缘层；
s2，通过湿法腐蚀法将金属遮光层孔内的二氧化硅进行腐蚀处理，得到带第一通光孔的第一绝缘层和带第三通光孔的第二绝缘层，其中，所述第一通光孔、第二通光孔和所述第三通光孔为同心圆，且所述第一通光孔和第三通光孔的直径小于第二通光孔的直径；
s3，在所述第二绝缘层上，生成电极层，并在所述电极层上刻蚀线栅，并在衬底发光层的背面生成背电极；
其中，所述线栅与所述第三通光孔为同心圆，且所述线栅的直径小于第三通光孔的直径。
具体的，本发明实施例中采用带有有源层的砷化镓外延片作为衬底层，通过采用pecvd工艺在所述衬底发光测生长二氧化硅得到第一绝缘层，采用磁控溅射镀膜工艺在所述第一绝缘层上生长金属铬得到带第二通光孔的金属遮光层，该第二通光孔的直径可以为48微米，在金属遮光层上再生长一层二氧化硅绝缘层，工艺与前一绝缘层相同，得到第二绝缘层，其具体工艺与前一绝缘层相同，得到两层绝缘层后，采用湿法腐蚀在两层绝缘层中心腐蚀出透光孔，得到第三透光孔和第一透光孔，其与遮光层的第二透光孔为同心圆，且第三透光孔和第一透光孔的直径可以为44微米；在第二绝缘层上，用磁控溅射镀膜工艺依次生长一层铬和一层金得到电极层，并在所述电极层上利用fib刻蚀线栅，并在衬底发光层的背面生成背电极；其中，所述线栅与所述第三通光孔为同心圆，且所述线栅的直径小于第三通光孔的直径，例如线栅的形状可以为15微米直径的圆形，然后在衬底发光层的背面，采用电子束蒸发镀膜工艺依次生长一层钛和一层金作为背电极。
本发明实施例具有较高的发光效率，遮光效果良好，基本没有杂光影响，输出光具有线偏振特性，若集成为光源阵列，由于各个光源的控制是相互独立的，因此具有较高的不同线偏振方向单光子波包产生速率，适合在量子密钥分发中的应用。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种伪单光子源，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述伪单光子源，其特征在于，所述衬底层上有一个或多个伪单光子源阵列。
3.根据权利要求1所述伪单光子源，其特征在于，所述背电极层和所述电极层采用的材料为铬、金或铝。
4.根据权利要求1所述伪单光子源，其特征在于，所述第二通光孔为圆形孔；
其中，所述圆形孔的直径范围为5微米至100微米。
5.根据权利要求1所述伪单光子源，其特征在于，所述衬底层为带有有源发光层的半导体材料。
6.一种伪单光子源的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底层发光侧通过二氧化硅制备得到第一绝缘层；在所述第一绝缘层上制备带第二通光孔的金属遮光层，在所述金属遮光层上通过二氧化硅制备得到第二绝缘层；
通过湿法腐蚀法将金属遮光层孔内的二氧化硅进行腐蚀处理，得到带第一通光孔的第一绝缘层和带第三通光孔的第二绝缘层，其中，所述第一通光孔、第二通光孔和所述第三通光孔为同心圆，且所述第一通光孔和第三通光孔的直径小于第二通光孔的直径；
在所述第二绝缘层上，生成电极层，并在所述电极层上刻蚀线栅，并在衬底发光层的背面生成背电极；
其中，所述线栅与所述第三通光孔为同心圆，且所述线栅的直径小于第三通光孔的直径。
7.根据权利要求6所述伪单光子源的制备方法，其特征在于，所述在衬底层发光侧通过二氧化硅制备得到第一绝缘层的步骤，具体包括：
通过采用pecvd工艺在所述衬底发光测生长二氧化硅得到第一绝缘层。
8.根据权利要求6所述伪单光子源的制备方法，其特征在于，所述在所述第一绝缘层上制备带第二通光孔的金属遮光层的步骤，具体包括：
采用磁控溅射镀膜工艺在所述第一绝缘层上生长金属铬得到带第二通光孔的金属遮光层。
9.根据权利要求6所述伪单光子源的制备方法，其特征在于，在所述第二绝缘层上，生成电极层的步骤，具体包括：
在所述第二绝缘层上，用磁控溅射镀膜工艺依次生长一层铬和一层金得到电极层。
10.根据权利要求6所述伪单光子源的制备方法，其特征在于，所述在衬底发光层的背面生成背电极的步骤，包括：
在衬底发光层的背面，采用电子束蒸发镀膜工艺依次生长一层钛和一层金作为背电极。
技术总结