一种基于脉冲激光的可控单光子系统及其制备方法

技术领域

本发明涉及个数可控单光子源技术领域，具体涉及一种基于脉冲激光的可控单光子系统及其制备方法。

背景技术

单光子源可以稳定地发出单个光子流，是对应于单个二能级体系电子穴对的辐射跃迁、体现辐射光反聚束效应的过程。理想中的单光子源就是在一定的时间间隔下有且仅有一个光子的规则光子流。

随着半导体量子点相关研究的深入、制作技术与工艺的提升，很大程度地提高了半导体量子点单光子源的品质，但是目前的单光子源器件并没有达到理想中一次仅发射一个光子，并且是随时按需要发射一定数目的光子的要求。光学仪器的定标采用激光衰减法将激光功率衰减至单光子级时，由于系统传递链路各环节的误差导致其精度受限，而能够按需产生单光子的单光子源可以在一段时间内产生数目确定的单光子，以此来设计能对光学仪器精确定标的光源，对在光学定标领域减小误差、实现数据的精确测量具有十分重要的科学意义。

因此有必要设计一种能够产生个数可控单光子的单光子源系统。

发明内容

针对上述现有技术存在的单光子源产生的单光子数目不可控的问题，本发明提出一种基于脉冲激光的可控单光子系统及其制备方法，以期基于可调脉冲激光激发半导体量子点产生数目可控的单光子，从而能实现个数的可控单光子源制备，为光学器件绝对定标提供参考与技术手段。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于脉冲激光的可控单光子系统的特点包括：脉冲激光部分、单光子产生部分；

所述脉冲激光部分包括：PC端上位机、FPGA电路板、电流驱动器、激光二极管；

所述单光子产生部分包括：窄线滤光片、第一光纤准直器、波分复用器、低温液氮罐、InAs/GaAs自组织半导体量子点样品、长通滤光片、窄带滤光片、第二光纤准直器；

其中，由所述窄线滤光片、第一光纤准直器组成泵浦光滤光准直模块；由所述波分复用器、低温液氮罐、InAs/GaAs自组织半导体量子点样品组成单光子产生模块，由所述长通滤光片、窄带滤光片、第二光纤准直器组成单光子滤光准直模块；

所述PC端上位机通过串口通信发送命令给FPGA电路板，使得所述FPGA电路板产生频率为ω

所述电流驱动器在触发源的作用下发出频率为ω

所述泵浦光滤光准直模块对激光二极管产生的脉冲激光进行滤光准直，并耦合进单模光纤，经所述单模光纤的聚焦后，再进入所述单光子产生模块中波分复用器的输入端；

所述波分复用器利用经滤光准直的脉冲激光来激发处于低温液氮罐中的InAs/GaAs自组织半导体量子点样品并产生单光子信号输出；

所述单光子信号经过单光子滤光准直模块滤除非单光子信号后，得到纯净的单量子荧光信号。

本发明所述的一种基于脉冲激光的可控单光子系统的特点也在于，利用式(1)得到单量子荧光信号的辐射寿命τ

式(1)中，I

当所述激光二极管产生的脉冲激光的单个脉冲脉宽d

d

d

式(2)中，δ表示脉冲脉宽与辐射寿命的比例，且δ∈(0.01，0.1)；

式(3)中，β表示脉冲间隔与辐射寿命的比例，且β∈(10，1000)。

本发明一种基于脉冲激光的可控单光子制备方法的特点在于，是应用于由脉冲激光部分和单光子产生部分所构成的可控单光子系统中，其中，所述脉冲激光部分包括：PC端上位机、FPGA电路板、电流驱动器、激光二极管；

所述单光子产生部分包括：窄线滤光片、第一光纤准直器、波分复用器、低温液氮罐、InAs/GaAs自组织半导体量子点样品、长通滤光片、窄带滤光片、第二光纤准直器；所述可控单光子制备方法按照如下步骤进行：

步骤1、所述PC端上位机设置所需脉冲频率Data_f与个数Data_n并转换成符合串口通讯的进制数Data_f1与Data_n1；

步骤2、所述PC端上位机将转换后的进制数Data_f1与Data_n1经串口写入通讯单元后，传输给FPGA电路板的串口接收通讯单元；

步骤3、所述FPGA电路板根据所接收到的Data_f2与Data_n2，指定脉冲频率与个数，从而产生频率为ω

步骤4、电流驱动器将频率为ω

步骤5、所述激光二极管在频率为ω

步骤6、所述脉冲激光进入单光子产生部分，并依次经窄线滤光片、第一光纤准直器滤光准直并聚焦进单模光纤，所述单模光纤经法兰适配器连接至波分复用器的输入端，从而将经滤光准直的脉冲激光传输至波分复用器中；

所述进入波分复用器的脉冲激光对处在低温液氮环境下的InAs/GaAs自组织半导体量子点样品进行泵浦激发，从而产生数目为n的单量子荧光信号；

步骤7、所述单量子荧光信号经波分复用器的出口端依次经过长通滤光片的背景光滤除、窄带滤光片的单光子谱线滤出、第二光纤准直器的准直后，得到n个纯净单量子荧光信号，其中，n＝n

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用可控频率与个数的脉冲激光激发自组织半导体量子点产生个数确定的单光子的方法，利用上位机控制FPGA电路板发出时序脉冲作为电流驱动器的外部触发源，使其驱动激光二极管产生脉冲宽度小于单光子辐射寿命至少一个数量级，脉冲间隔大于单光子辐射寿命至少一个数量级的脉冲激光作为泵浦光源，脉冲激光的脉冲频率与个数通过上位机设置参数进行控制，进而得到数目与脉冲激光脉冲个数相同的单光子，克服了实现按需产生个数确定单光子的单光子源制备系统难题，为光学仪器定标设计精确光源提供了技术手段。

2、本发明采用非共振激发方式激发自组织半导体量子点，与共振激发方式相比，单光子滤除杂光部分光路简单，成本较小。

附图说明

图1为本发明制备系统的整体结构图；

图2为本发明实现脉冲调制的单元结构图；

图3为本发明脉冲对应单光子核心图；

图中标号：1、PC端上位机，2、FPGA电路板，3、电流驱动器，4、激光二极管，5、窄线滤光片，6a、第一光纤准直器，7、波分复用器，8、低温液氮罐，9、InAs/GaAs自组织半导体量子点样品，10、长通滤光片，11、窄带滤光片，6b、第二光纤准直器。

具体实施方式

本实施例中，参见图1，一种基于脉冲激光的可控单光子系统，包括：脉冲激光部分、单光子产生部分；

脉冲激光部分包括：PC端上位机1、FPGA电路板2、电流驱动器3、激光二极管4；

单光子产生部分包括：窄线滤光片5、第一光纤准直器6a、波分复用器7、低温液氮罐8、InAs/GaAs自组织半导体量子点样品9、长通滤光片10、窄带滤光片11、第二光纤准直器6b；

其中，由窄线滤光片5、第一光纤准直器6a组成泵浦光滤光准直模块；由波分复用器7、低温液氮罐8、InAs/GaAs自组织半导体量子点样品9组成单光子产生模块，由长通滤光片10、窄带滤光片11、第二光纤准直器6b组成单光子滤光准直模块；

PC端上位机1通过串口通信发送命令给FPGA电路板2，使得FPGA电路板2产生频率为ω

电流驱动器3在触发源的作用下发出频率为ω

泵浦光滤光准直模块对激光二极管4产生的脉冲激光进行滤光准直，并耦合进单模光纤，经单模光纤的聚焦后，再进入单光子产生模块中波分复用器7的输入端；其中，泵浦光滤光准直模块中窄线滤光片5滤除激光管泵浦脉冲激光波长之外的光信号，第一光纤准直器6a对泵浦脉冲激光进行准直，转化为平行荧光耦合进单模光纤；

波分复用器7利用经滤光准直的脉冲激光来激发处于低温液氮罐8中的InAs/GaAs自组织半导体量子点样品9并产生单光子信号输出；

单光子信号经过单光子滤光准直模块滤除非单光子信号后，得到纯净的单量子荧光信号；其中，单光子滤光准直模块中长通滤光片10将单光子信号中存在的背景光进行滤除、窄带滤光片11滤出920nm单光子谱线、第二光纤准直器6b将单光子信号准直为平行荧光。

本实施例中，荧光强度正比于衰减的激发态分子数，根据TCSPC技术用式(1)来拟合描述量子点样品激发产生单量子荧光信号强度的衰减，得到单量子荧光的辐射寿命τ

式(1)中，I

本实施例中，当激光二极管(4)产生的脉冲激光的单个脉冲脉宽d

d

d

式(2)中，δ表示脉冲脉宽与辐射寿命的比例，且δ∈(0.01，0.1)；

式(3)中，β表示脉冲间隔与辐射寿命的比例，且β∈(10，1000)。

本实施例中，一种基于脉冲激光的可控单光子制备方法是应用于由脉冲激光部分和单光子产生部分所构成的可控单光子系统，其中，脉冲激光部分包括：PC端上位机1、FPGA电路板2、电流驱动器3、激光二极管4；

单光子产生部分包括：窄线滤光片5、第一光纤准直器6a、波分复用器7、低温液氮罐8、InAs/GaAs自组织半导体量子点样品9、长通滤光片10、窄带滤光片11、第二光纤准直器6b；该可控单光子制备方法按照如下步骤进行：

步骤1、PC端上位机1设置所需脉冲频率Data_f与个数Data_n并转换成符合串口通讯的进制数Data_f1与Data_n1；

步骤2、PC端上位机1将转换后的进制数Data_f1与Data_n1经串口写入通讯单元后，传输给FPGA电路板2的串口接收通讯单元；

步骤3、FPGA电路板2根据所接收到的Data_f2与Data_n2指定脉冲频率与个数，从而使得信号产生单元产生频率为ω

步骤4、电流驱动器3将频率为ω

步骤5、激光二极管4在频率为ω

步骤6、脉冲激光进入单光子产生部分，并依次经窄线滤光片5、第一光纤准直器6a滤光准直并聚焦进单模光纤，单模光纤经法兰适配器连接至波分复用器7的输入端，从而将经滤光准直的脉冲激光传输至波分复用器7中；

进入波分复用器7的脉冲激光对处在低温液氮环境下的InAs/GaAs自组织半导体量子点样品9进行泵浦激发，从而产生数目为n的单量子荧光信号；其中，波分复用器7公共端与单光子源产生装置中自组织半导体量子点上耦合的光纤相连，并且光纤与光纤之间的连接均通过法兰适配器进行相连。

步骤7、单量子荧光信号经波分复用器7的出口端依次经过长通滤光片10的背景光滤除、窄带滤光片11的单光子谱线滤出、第二光纤准直器6b的准直后，得到n个纯净单量子荧光信号，其中，n＝n

本实施例中，参见图3，一种基于脉冲激光的个数可控单光子系统制备方法核心方法原理在于，半导体量子点在受到脉冲间隔远大于单光子信号辐射寿命τ

综上所述，本发明通过PC端上位机1控制FPGA电路板2产生外部TTL时序电信号来触发电流驱动器3，进而使得激光二极管4产生符合理论要求的光脉冲信号对InAs/GaAs自组织半导体量子点样品9进行激发产生个数可控的单光子系统制备方法，达到按需发射所需数目单光子的要求，有效推进了光学仪器的定标领域的进一步发展。