CN102185254B - 单光子源装置制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种单光子源装置及其制作方法，该装置包括：由两根光纤连接而成的一根组合光纤；封装在所述两根光纤端面之间的具有单NV色心的单晶金刚石颗粒；与所述组合光纤的一端相连的激光器；设置于所述组合光纤中的滤光片或滤光膜；其中，在所述组合光纤的一端输入激发光，在所述组合光纤的另一端接收到单NV色心的荧光。本发明实施例通过利用封装在光纤中或光纤端面的单个NV色心作为单光子源，因此，较现有技术中的单光子源装置，该单光子源装置在室温下更稳定，荧光效率更高，同时也降低了单光子源装置的成本。

Description

单光子源装置制作方法

技术领域

本发明涉及单光子源技术，尤其涉及一种单光子源装置制作方法。

背景技术

单光子源是指在同一时间仅仅发射一个光子的光源，是量子密码学、量子通信和量子计算的理想光源，如何找到一个理想、稳定的单光子源对于目前量子密码学、量子通信和量子计算的研究是一个需要迫切解决的问题。

现有技术中通常是利用量子点或者单分子来作为单光子源，但它们在室温下不稳定，而且荧光效率不高。而金刚石中的NV色心是一种固体材料，相对于量子点或者单分子的单光子源来说，NV色心不仅在室温下很稳定，而且具有很高的荧光效率，因此NV色心被认为是一种理想的单光子源。但是，用NV色心作为单光子源必须采用单个NV色心，而利用单个NV色心的前提是能够找到单个NV色心，目前寻找并确认金刚石中的单个NV色心采用的方法是共聚焦显微技术，即利用共聚焦显微系统可以寻找并定位单个NV色心，但是这种方法具有以下几点不足：

1）共聚焦显微系统需要最好的显微成像系统和纳米级的扫描系统，因此必然导致成本高昂；

2）寻找和定位单个NV色心还需要花费大量的时间和人力；

3）共聚焦显微系统不容易移植到像低温、磁场和电场等外场系统中去；

4）采用共聚焦显微技术找到的单个NV色心不能脱离共聚焦显微系统使用，从而使单个NV色心作为单光子源使用时受到极大的限制；

5）由于共聚焦显微系统的焦点会因为温度、干扰等多种外界因素而漂移，从而导致单个NV色心的定位不稳定；

6）采用共聚焦显微技术同时只能对一个NV色心进行研究，一套共聚焦显微系统只能对应一个或一组色心，一旦更换色心后就很难再找到原先的色心。

因此，若要利用单NV色心作为单光子源，就必须在克服上述困难的基础上，研制出一套全新的单光子源装置及其制备方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种单光子源装置及其制作方法，解决了现有技术中的问题，降低了单光子源装置的成本，同时，较现有技术中的单光子源装置，该单光子源装置在室温下更稳定，荧光效率更高。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

本发明实施例还公开了一种单光子源装置的制作方法，包括：

a1）固定两根光纤，所述两根光纤的端面相对，且位于同一直线上，其中，一根光纤连接激光器，传输激发光，另一根光纤连接光谱仪；

b1）将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在所述两根光纤的端面之间，待溶剂蒸发后观察所述光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，如果有，进入步骤c1），否则，进入步骤e1）；

c1）将连接光谱仪的光纤连接至时间振幅转换器，通过测试反关联函数，判断所述两根光纤端面之间的NV色心是否为单NV色心，如果是，进入步骤d1），否则，进入步骤e1）；

d1）连接所述两根光纤的端面，将具有单NV色心的金刚石颗粒封装在所述两根光纤的端面之间，得到组合光纤，并在组合光纤中设置滤光片或滤光膜，完成单光子源装置的制作；

e1）清洗掉所述两根光纤端面之间的单晶金刚石颗粒，重复步骤b1）。

优选的，步骤c1)中，将连接光谱仪的光纤连接至时间振幅转换器的具体方法为，采用一分二的光纤耦合器将连接光谱仪的光纤连接到时间振幅转换器上。

优选的，步骤d1）中，连接所述两根光纤的端面的方法为：采用光学胶或加热熔合的方法连接所述两根光纤的端面。

优选的，判断所述两根光纤端面之间的NV色心是否为单NV色心的过程具体为：

根据以下关系式判断g(τ)和Δτ的关系：

$g^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{<I\left(\mathrm{\&tau;}\right)I\left(0\right)>}{{|<I>|}^2}$

其中，I(0)和I(τ)分别是时间为0和τ时的荧光强度，I为总体的平均荧光强度，g(τ)为反关联函数，Δτ=τ-0，为两次测量荧光强度的时间间隔；

当Δτ趋近于0时，g(τ)大于0.5，则判定所述两根光纤端面之间的NV色心为多色心；当Δτ趋近于0时，g(τ)=0.5，则判定所述两根光纤端面之间的NV色心为两个色心体系；当Δτ趋近于0时，g(τ)趋近于0，则判定所述两根光纤端面之间的NV色心为单色心。

本发明实施例还公开了一种单光子源装置的制作方法，包括：

a2）通过一个光纤耦合器或循环器连接三根光纤，使三根光纤之间的光单方向传输，其中，第一根光纤连接激光器，传输激发光，第二根光纤连接光谱仪；

b2）将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在第三根光纤的端面上，待溶剂蒸发后观察所述第三根光纤的端面上是否具有单晶金刚石颗粒，如果是，进入步骤c2），否则，重复步骤b2）；

c2）观察所述光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，如果有，进入步骤d2），否则，进入步骤e2）；

d2）将第二根光纤连接至时间振幅转换器，通过测试反关联函数，判断所述第三根光纤端面上的NV色心是否为单NV色心，如果是，则将具有单NV色心的单晶金刚石颗粒封装在第三根光纤的端面上之后，断开所述第三根光纤与光纤耦合器或循环器的连接，并在第三根光纤中设置滤光片或滤光膜，将第三根光纤具有单晶金刚石颗粒的一端与激光器相连，完成单光子源装置的制作，否则，进入步骤e2）；

e2）清洗掉所述第三根光纤端面上的单晶金刚石颗粒，重复步骤b2）。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的单光子源装置，通过利用封装在光纤中或光纤端面的单个NV色心作为单光子源，因此，较现有技术中的单光子源装置，该单光子源装置在室温下更稳定，荧光效率更高。该装置在使用过程中，对单NV色心的激发和收集均是在光纤中完成的，并不需要采用共聚焦显微系统来寻找单NV色心，从而降低了寻找单NV色心的成本，即降低了单光子源装置的成本，也避免了共聚焦显微系统的各种不足，而且，本发明实施例中的单光子源被固定在光纤中或光纤端面，从而可以很方便的更换作为单光子源的单NV色心。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例一提供的单光子源装置的结构图；

图2为本发明实施例二提供的单光子源装置制作方法的流程图；

图3为本发明实施例二提供的两根光纤放置方式的示意图；

图4为NV色心的典型荧光图谱；

图5为本发明实施例三提供的单光子源装置的结构图；

图6为本发明实施例四提供的单光子源装置制作方法的流程图；

图7为本发明实施例四提供的三根光纤连接方式示意图；

图8为本发明实施例五提供的单光子源装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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，所描述的实施例仅仅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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术所述，现有技术中采用量子点或单分子来作为单光子源，但是却存在室温下不稳定，荧光效率不高的缺点，而金刚石中的单NV色心则是一种很好的单光子源，但是利用单NV色心的前提是如何寻找单NV色心。现有技术中采用共聚焦显微系统来寻找和定位单个NV色心，但是由于该系统本身的各个特点，使得这种共聚焦显微技术的应用受到限制，并由于这项技术找到的单个NV色心不能脱离共聚焦显微系统使用，从而使得单个NV色心作为单光子源使用时受到极大的限制。

光纤在光通讯和光传导方面应用非常广泛，并且光纤也可以用来进行NV色心荧光的收集和传输，于是，发明人考虑，如果能够将单个NV色心固定在光纤中，便可以方便的将单个NV色心作为单光子源使用，由于该过程中不会使用到共聚焦显微系统，从而避免了共聚焦显微系统的各种不足。

基于上述思想，本发明实施例公开了一种单光子源装置及其制造方法，具体参见以下各实施例。

实施例一

本实施例公开的单光子源装置的结构示意图如图1所示，该装置包括：

由至少两根光纤连接而成的一根组合光纤12；

封装在所述两根光纤端面之间的具有单NV色心的单晶金刚石颗粒13，该单晶金刚石颗粒13也就在组合光纤12之中了，本实施例中优选采用纳米级或微米级的单晶金刚石颗粒，即直径为几纳米到几百纳米之间的单晶金刚石颗粒；

与所述组合光纤12的一端相连的激光器11，激光器11可向组合光纤12中输入激发光，以激发单晶金刚石颗粒13中的单NV色心产生荧光；

需要说明的是，本实施例中的激光器11可通过耦合器（图中未示出）与组合光纤12连接，从而可以使激光器11发射的激发光通过耦合器可直接耦合到组合光纤12中。另外，本实施例中的激光器仅是用来作为激光源来产生激发光的，除激光器外还有其它的激光源，其它的激光源只要能够满足本实施例中单光子源装置的需求，也可以应用到本实施例中，因此，本实施例中仅以激光器为例进行说明，而激光源的选择并不能用来作为对本实施例的限制。

设置于所述组合光纤12中的滤光片或滤光膜14，滤光片或滤光膜14和激光器11分别位于单晶金刚石颗粒13的两边，而滤光片或滤光膜14只允许单NV色心荧光通过，从而可以滤除激发光，以使从组合光纤12的另一端出来的只有单NV色心的荧光。

另外，如果所述组合光纤12为SiO₂基的玻璃光纤，该单光子源装置还包括，位于所述两根光纤端面处，用于密封具有单NV色心的金刚石颗粒的光学胶，以及包裹在该组合光纤外的屏蔽层，尤其是两根光纤相对的端面附近，以避免在使用过程中该具有单NV色心的金刚石颗粒13脱落；如果所述组合光纤为聚合物光纤，该装置还包括，包裹在该组合光纤12外的屏蔽层。

具体的，以波长为600nm-800nm范围内的单NV色心荧光为例，对该装置的使用方式进行说明。由于，激发光是指波长小于NV色心荧光的波长，且能够激发NV色心产生荧光的激光，这里以波长为532nm的激光作为激发光。

该单光子源装置的使用方式为：在组合光纤12的一端输入532nm的激发光，该激发光是由激光器11通过耦合器直接耦合到组合光纤12中的，由于激发光的作用，位于单晶金刚石颗粒13中的单NV色心被激发后发出荧光，波长在600nm-800nm范围内，之后通过滤光片或滤光膜14将532nm的激发光过滤掉后，在组合光纤12的另一端接收到的就只有NV色心的荧光。由于封装在组合光纤12内的是单个NV色心，该NV色心受光激发后同一时间只能发出一个光子，是一个理想的单光子源。

本实施例的单光子源装置，通过利用封装在光纤中的单个NV色心作为单光子源，较现有技术中的单光子源装置，该单光子源装置在室温下更稳定，荧光效率更高。并且，该装置在使用过程中，对单NV色心的激发和收集均是在光纤中完成的，并不需要采用共聚焦显微系统来寻找单NV色心，从而降低了寻找单NV色心的成本，即降低了单光子源装置的成本，而且，本发明实施例中的单光子源被固定在光纤中或光纤端面，从而可以很方便的更换作为单光子源的单NV色心。

实施例二

与上一实施例相对应，本实施例公开了上一实施例所述的单光子源装置的制作方法，该方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤S11：固定两根光纤，所述两根光纤的端面相对，且位于同一直线上，其中，一根光纤连接激光器，传输激发光，另一根光纤连接光谱仪；

具体的，本发明实施例中可采用光纤固定器来固定两根光纤，尤其是两根光纤相对的端面部分，以保证封装过程中光纤的稳定。

如图3所示，为两根光纤的放置方式的示意图，本实施例中仅以1#光纤的a端面连接激光器，2#光纤的d端面连接光谱仪为例进行说明，因此1#光纤的b端面和2#光纤的c端面需能够保持平行，最好是两个端面相对，且位于同一直线上，并且，两根光纤的端面间需保持一定距离，以便于夹持后续放置的金刚石颗粒，两根光纤端面间的距离应稍大于金刚石颗粒的直径，但也不能过大，以能够吸附住后续滴加的含有单晶金刚石颗粒的悬浊液为准。另外，为了保证能够更好的夹持金刚石颗粒，1#光纤的b端面和2#光纤的c端面在进行固定之前，可以对这两个端面进行切割，以使这两个端面能够保持平行。

需要说明的是，图3中所示的1#光纤和2#光纤的长度可以根据实际需要进行选择，只要两根光纤固定后能够保证1#光纤的b端面和2#光纤的c端面附近满足上述要求即可，而并非是两根光纤的所有部分都要在同一直线上，也就是说，除1#光纤的b端面和2#光纤的c端面附近区域外的其它区域是可以弯曲为任何形态的。

本实施例中的两根光纤可以选用单模光纤，也可以选用多模光纤，具体包括SiO₂基的玻璃光纤和聚合物光纤，另外，两根光纤的直径可以相同，也可以不同，本实施例中优先采用直径相同的两根单模光纤，光纤直径优选为10μm，光纤的长度优选为2m。

步骤S12：将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在所述两根光纤的端面之间；

需要说明的是，为了便于单NV色心的封装，本实施例中采用的单个金刚石颗粒中最好不超过一个NV色心，因此，本实施例中优先采用的单晶金刚石颗粒可以为纳米级或微米级的单晶金刚石颗粒，并且人工合成的单晶金刚石颗粒和天然生产的单晶金刚石颗粒均可，即所述单晶金刚石颗粒的直径只要在几纳米至数百纳米均可使用，本实施例中仅以纳米级的单晶金刚石颗粒为例进行说明。

结合上一步骤对两根光纤端面间距离的要求和本实施例中单晶金刚石颗粒的大小可知，两根光纤端面间的距离只要稍大于纳米级或微米级的单晶金刚石颗粒的直径即可，由于本实施例中选用的是纳米级的单晶金刚石颗粒，因此，两根光纤端面间的距离需小于1μm。

所述悬浊液的制备方法具体为，先将纳米级单晶金刚石颗粒分散到去离子水中，之后在超声清洗机中进行超声清洗，从而使纳米级单晶金刚石颗粒充分分散以形成悬浊液。本实施例中形成的悬浊液的浓度优选为100mg/L，超声清洗机的功率优选为100W，进行超声清洗的时间优选为30分钟。当然，上述悬浊液的浓度等并不用来限定本发明实施例的保护范围，只要在单NV色心的封装过程中，便于将含有NV色心的单晶金刚石颗粒夹持在两根光纤端面之间即可。

该步骤中将所述悬浊液滴在所述两根光纤的端面之间后，由于毛细作用，单晶金刚石颗粒会随着悬浊液渗入到两根光纤端面之间，之后可稍微推动其中一根或两根光纤，从而可以把单晶金刚石颗粒夹持在两根光纤端面之间。

另外需要说明的是，在推动光纤的过程中，可以判断滴入的两根光纤端面之间的悬浊液中是否具有单晶金刚石颗粒，如果有，则进入下一步，如果没有，则需待溶剂蒸发后，重新在两根光纤端面之间滴入悬浊液。当然，判断滴入的两根光纤端面之间的悬浊液中是否具有单晶金刚石颗粒的过程也可以在溶剂蒸发后，通过肉眼、放大镜、显微镜等进行观察确定，具体方式可根据实际情况而定，这里不做具体限定。

步骤S13：待溶剂蒸发后观察所述光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，如果有，进入步骤S14，否则，进入步骤S17；

将单晶金刚石颗粒固定在两根光纤的端面之间后，在1#光纤的a端面上输入激发光，通过在与2#光纤相连的光谱仪上观察一定的波长范围内，是否出现NV色心的典型荧光，可以判断夹持在两根光纤的端面之间的单晶金刚石颗粒是否包含NV色心，如果光谱仪上没有观察到NV色心的典型荧光，则说明夹持在两根光纤的端面之间的单晶金刚石颗粒中不具有NV色心，则清洗掉该单晶金刚石颗粒，以避免影响后续判断过程的准确性，之后继续将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在两根光纤的端面之间，重复该步骤，如果有，则需确定该单晶金刚石颗粒是否仅包含一个NV色心。

如图4所示，为NV色心的发光图谱，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示相对发光强度，从图中可以看出，每一种NV色心只有一个波峰位置，不同的波峰位置对应不同的NV色心，图中标出了NV^-和NV⁰两种不同的NV色心类型，本实施例中仅以NV^-色心为例进行说明。本实施例中所述的NV色心典型荧光具体为波长在600nm-800nm范围内的色心荧光，优选为波长为637nm左右的零声子线的色心荧光。

因此，为了确定两根光纤的端面之间固定的单晶金刚石颗粒是否包含NV色心，需在光谱仪上观察在600nm-800nm波长范围内，特别是637nm附近是否出现如图4所示的信号，如果有，则说明两根光纤的端面之间固定的单晶金刚石颗粒包含NV色心，如果光谱仪上没有信号，则需重复将所述悬浊液滴在两根光纤的端面之间，以固定单晶金刚石颗粒的步骤。

另外，需要说明的是，所述激发光是指波长小于NV色心荧光的波长，且能够激发NV色心产生荧光的激光，由于本实施例中以NV^-色心作为研究对象，而NV^-色心的波峰处波长为637nm，因此本实施例中的激发光波长需小于637nm，优选为532nm，激发光的功率优选为100μw。

根据以上描述可知，图3中所示的2根光纤中，1#光纤需允许通过波长为532nm左右光，以便于传输激发光，2#光纤需允许通过波长为600nm-800nm范围内光，以便于传输NV色心的荧光。基于此，本发明实施例选用的2根光纤必须满足以上要求方可采用，本实施例中优选为2根直径均为10μm的单模光纤，当然，其它满足条件的光纤也可采用，本实施例不做具体限制。

步骤S14：将连接光谱仪的光纤连接至时间振幅转换器，测试反关联函数；

在上一步骤中确定固定在1#光纤的b端面以及2#光纤的c端面之间的单晶金刚石颗粒具有NV色心后，该步骤中需判定该单晶金刚石颗粒中的NV色心是否为单NV色心，结合图3，具体的，需要将2#光纤连接至时间振幅转换器（time-to-amplitude converter，简称TAC），通过测试反关联函数g(τ)，判断Δτ趋近于0时，g(τ)的数值，根据判断结果确定1#光纤的b端面以及2#光纤的c端面之间的单晶金刚石颗粒的NV色心数量。

其中，根据以下关系式判断所述g(τ)和Δτ的关系：

$g^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{<I\left(\mathrm{\&tau;}\right)I\left(0\right)>}{{|<I>|}^2}$

其中，I(0)和I(τ)分别是时间为0和τ时的荧光强度，I为总体的平均荧光强度，g(τ)为反关联函数，Δτ=τ-0，为两次测量荧光强度的时间间隔；

当Δτ趋近于0时，g(τ)大于0.5，则判定所述两根光纤端面之间的NV色心为多色心；当Δτ趋近于0时，g(τ)=0.5，则判定所述两根光纤端面之间的NV色心为两个色心体系；当Δτ趋近于0时，g(τ)趋近于0，则判定所述两根光纤端面之间的NV色心为单色心。

另外，需要说明的是，将2#光纤连接至时间振幅转换器TAC的具体方法有多种，本实施例中采用一分二的光线耦合器将2#光纤连接到时间振幅转换器上，由于时间振幅转换器本身需要两路输入，一分二的光纤耦合器的作用就是将输入的光平分为两路，但是对于单NV色心的荧光输入来说，同一时间点该单NV色心只会发出一个光子，该光子会随机的输出在某一路中。也就是说，在某一时间点发出的一个光子会随机的输出在某一路中，在下一时间点发出的光子仍然会随机输出，既有可能还在同一路输出，也可能在另一路输出，所述反关联函数就是测这两个时间间隔足够小时是否出现只有一路有输出的情况。

步骤S15：通过测试反关联函数，判断所述两根光纤的端面之间的NV色心是否为单NV色心，如果是，则进入步骤S16，否则，进入步骤S17；

通过判断Δτ与g(τ)的关系来判定NV色心类型的方式是一种测量单光子的方法，如上所述，时间振幅转换器测量得到，当Δτ趋近于0时，g(τ)也趋近于0，则说明固定在1#光纤的b端面以及2#光纤的c端面之间的单晶金刚石颗粒具有单NV色心，即完成了单NV色心的封装，否则，说明该单晶金刚石颗粒具有多个NV色心，需清洗掉该单晶金刚石颗粒后，重新进行封装。

步骤S16：连接所述两根光纤的端面，将具有单NV色心的金刚石颗粒封装在所述两根光纤的端面之间，得到组合光纤，并在组合光纤中设置滤光片或滤光膜，完成单光子源装置的制作；

在确定封装在两根光纤端面之间的单晶金刚石颗粒具有单NV色心后，可采用光学胶或加热熔合的方法连接所述两根光纤的端面，具体选用哪种方式取决于光纤的种类。

具体的，如果所采用的两根光纤为SiO₂基的玻璃光纤，则可采用光学胶连接连根光纤的端面，以将该具有单NV色心的金刚石颗粒密封，并在光纤外面裹上屏蔽层，以对该单NV色心进行保护，避免在使用过程中该具有单NV色心的金刚石颗粒脱落；如果所采用的两根光纤为聚合物光纤，则可以采用加热熔合的方法连接连根光纤的端面，将两根光纤端面熔融后，将该具有单NV色心的金刚石颗粒包裹起来，之后在该光纤外面裹上屏蔽层，以对该单NV色心进行保护。

需要说明的是，本实施例中在组合光纤中设置滤光片或滤光膜的方法可以为，如果选择滤光片，可将组合光纤先切断，在断面处放置滤光片，之后可采用光学胶或加热熔合等方法将该组合光纤连接起来，这样就可以将滤光片设置在了组合光纤中，或者在组合光纤的另一端面上放置滤光片，之后同样采用光学胶或加热熔合等方法，再将另一段光纤与组合光纤的端面连接起来；如果选择滤光膜，方法与放置滤光片类似，需在组合光纤的断面处或另一端面上镀上滤光膜，之后再采用光学胶或加热熔合等方法连接光纤；或者直接在组合光纤的另一端设置滤光片或滤光膜，之后直接利用从滤光片或滤光膜出来的荧光。当然，其它设置滤光片的方法也可以，只要能达到本发明实施例的效果即可，这些方法的前提是设置滤光片或滤光膜处的光纤端面要整齐，能够与滤光片或滤光膜良好接触。

另外，在封装结束后，还包括：用时间振幅转换器测量反关联函数，以确保具有单NV色心的金刚石颗粒被封装在了光纤中。

在确定将具有单NV色心的金刚石颗粒以及滤光片或滤光膜被封装在了光纤中之后，将该组合光纤与滤光片相对的另一端与激光器相连，或通过耦合器与激光器相连，即可制作完成上一实施例所述的单光子源装置，如滤光片或滤光膜设置在图3中的2#光纤中，则激光器即可连接在1#光纤的a端。

步骤S17：清洗掉所述两根光纤的端面之间的单晶金刚石颗粒，重复步骤S12。

该步骤主要是为了当固定在两根光纤端面之间的单晶金刚石颗粒不具有NV色心时，以及该单晶金刚石颗粒具有多个NV色心时，去除掉该单晶金刚石颗粒，以便重复利用1#和2#光纤进行上述单NV色心的封装过程。具体的，本实施例中采用超声清洗的方式去除掉两根光纤端面之间的单晶金刚石颗粒，之后重复将所述悬浊液滴在两根光纤端面之间，并固定单晶金刚石颗粒的步骤。

需要说明的是，本发明实施例中的整个单NV色心的封装过程均在超净室中完成，避免在封装过程中引入其它杂质，以保证制作的单光子源装置的质量。

本发明实施例所提供的单光子源装置制作方法，通过将单个NV色心封装在所述组合光纤中，整个封装过程中以及对该装置在使用过程中，对NV色心的激发和收集均是在光纤中完成的，并不需要采用共聚焦显微系统来寻找单NV色心，从而降低了寻找单NV色心的成本，同时也避免了共聚焦显微系统的各种不足，而且，本发明实施例中的单光子源被固定在组合光纤中，从而可以很方便的更换作为单光子源的单NV色心。

实施例三

本发明实施例公开的单光子源装置的结构示意图如图5所示，包括：

光纤23；

封装在所述光纤23一个端面的具有单NV色心的单晶金刚石颗粒22；

与所述光纤23具有单晶金刚石颗粒22的一端相连的激光器21；

设置于所述光纤23中的滤光片或滤光膜24；

其中，在光纤23的一端输入激发光，在光纤的另一端接收到单NV色心的荧光。

本实施例与实施例一不同的是，实施例一中是将具有单NV色心的单晶金刚石颗粒封装在了组合光纤中，而本实施例中是将具有单NV色心的单晶金刚石颗粒封装在了光纤的端面上，两个实施例中采用的金刚石颗粒是相同的，激光源也可以相同（如均采用激光器），也可以不同，而且，本实施例中也可以通过耦合器将激光器与光纤23具有单晶金刚石颗粒的一端相连。

另外，为了避免该装置在使用过程中金刚石颗粒脱落，如果所采用的光纤为SiO₂基的玻璃光纤，该装置还包括：位于光纤固定有单晶金刚石颗粒的一端，用于密封该单晶金刚石颗粒的光学胶，以及包裹在该光纤外的屏蔽层，尤其是具有单晶金刚石颗粒的一端；如果所采用的光纤为聚合物光纤，该装置还包括，包裹在该光纤外的屏蔽层，具体可先采用加热熔合的方法将光纤端面熔融后，采用光纤将该具有单NV色心的金刚石颗粒包裹起来，之后在该光纤外面裹上屏蔽层。

实施例四

与上一实施例相对应，本实施例公开了上一实施例公开的单光子源装置的制作方法，该方法与实施例二所述的单光子源装置制作方法中相类似的步骤，其具体过程和原理也相类似，如图6所示，该方法包括以下步骤：

步骤S21：通过一个光纤耦合器或循环器连接三根光纤，使三根光纤之间的光单方向传输，其中，第一根光纤连接激光器，传输激发光，第二根光纤连接光谱仪；

具体的，如图7所示，使光在每根光纤中单方向传输的具体方法是，可采用光纤耦合器或循环器连接三根光纤，优选为单循环光纤耦合器或循环器，三根光纤分别对应标号1#、2#、3#，所述第一根光纤（即1#光纤）和第二根光纤（即2#光纤）在所述光纤耦合器或循环器的同一端，1#光纤与激光器相连，用于激发光的输入，2#光纤与光谱仪相连，用于NV色心荧光的输出，所述第三根光纤（即3#光纤）在所述光纤耦合器或循环器的另一端，3#光纤的端面可用于封装含有NV色心的单晶金刚石颗粒。

需要说明的是，所述三根光纤的连接方法包括但不仅限于图2所示的连接，三根光纤的连接方式取决于光纤耦合器或循环器的选择，如采用“丁”字形的光纤耦合器或循环器，则三根光纤即为“丁”字形连接，即三根光纤分别位于光纤耦合器或循环器的一边。

所述光纤耦合器或循环器可使光在其里面单方向传输，比如从1#光纤进去的激发光只能向3#光纤位置传输，最终从3#光纤出来，而3#光纤处发出的NV色心荧光只能向2#光纤位置传输，因此，2#光纤处只能接收到NV色心荧光信号，而没有激发光的信号，从而避免了多种光信号传输混乱导致的光谱仪的测量不准确，影响NV色心荧光的判定，使该封装方法得到的结果更准确

需要说明的是，本实施例中的三根光纤可以选用单模光纤，也可以选用多模光纤，具体包括SiO₂基的玻璃光纤和聚合物光纤，另外，三根光纤的直径可以相同，也可以不同，本实施例中优先采用直径相同的三根单模光纤，光纤直径优选为10μm。

步骤S22：将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在第三根光纤的端面上，这里采用的单晶金刚石颗粒的悬浊液及其制作方式与实施例二相同，这里不再赘述；

步骤S23：待溶剂蒸发后观察第三根光纤端面上是否具有单晶金刚石颗粒，如果有，进入步骤S24，否则，重复步骤S22；

该步骤可通过肉眼观察第三根光纤端面上是否具有单晶金刚石颗粒，也可通过放大镜或显微镜进行观察，具体方式的选用以实际情况为准。

步骤S24：所述光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，如果有，进入步骤S25，否则，进入步骤S27；

该步骤的作用于实施例二中相同步骤的作用也相同，均是为了确定金刚石颗粒中是否具有NV色心，具体过程和原理如实施例二所述。

步骤S25：将第二根光纤连接至时间振幅转换器，测试反关联函数，该步骤的过程和原理也如实施例二中所述；

步骤S26：通过测试反关联函数，判断所述第三根光纤端面上的NV色心是否为单NV色心，如果是，进入步骤S27，否则，进入步骤S28；

步骤S27：将具有单NV色心的单晶金刚石颗粒封装在第三根光纤的端面上之后，断开所述第三根光纤与光纤耦合器或循环器的连接，并在第三根光纤中设置滤光片或滤光膜，将第三根光纤具有单晶金刚石颗粒的一端与激光器相连，完成单光子源装置的制作；

步骤S28：清洗掉所述第三根光纤端面上的单晶金刚石颗粒，重复步骤S22。

步骤S25-步骤S28的过程和原理也如实施例二中所述，这里不再详细描述。

实施例五

结合上一实施例中的制作方法，本实施例公开的单光子源装置的结构示意图如图8所示，包括：

通过光纤耦合器或循环器34相连的三根光纤，以使所述三根光纤之间的光单方向传输；与所述第一根光纤31相连的激光器；固定于所述第三根光纤33端面上的具有单NV色心的单晶金刚石颗粒35，与实施例一和实施例三类似，本实施例中的单晶金刚石颗粒也为纳米级或微米级的单晶金刚石颗粒；

其中，在所述第一根光纤31中输入激发光，在第二根光纤32中接收到单NV色心的荧光。

由于本实施例中采用了耦合器或循环器连接了三根光纤，使光在每根光纤中传播时，只能单方向传输，因此，理论上，本实施例中可以不采用滤光片或滤光膜将激发光滤除，实际上，为了避免第三根光纤端面处激发光的反射，本实施例中优选为还包括，设置在第二根光纤中的滤光片或滤光膜36。

另外，该单光子源装置中的第三根光纤如果为SiO₂基的玻璃光纤，该装置还包括：位于第三根光纤端面，用于密封该单晶金刚石颗粒的光学胶，以及包裹在该光纤外的屏蔽层；如果所采用的第三根光纤为聚合物光纤，该装置还包括，包裹在该光纤外的屏蔽层，具体可先采用加热熔合的方法将第三根光纤端面熔融后，采用光纤将该具有单NV色心的金刚石颗粒包裹起来，之后在该第三根光纤外面裹上屏蔽层。

本发明各实施例公开的单光子源装置及其制作方法，通过利用封装在光纤中或光纤端面的单个NV色心作为单光子源，因此，较现有技术中的单光子源装置，该单光子源装置在室温下更稳定，荧光效率更高。该装置在使用过程中，对单NV色心的激发和收集均是在光纤中完成的，并不需要采用共聚焦显微系统来寻找单NV色心，从而降低了寻找单NV色心的成本，即降低了单光子源装置的成本，也避免了共聚焦显微系统的各种不足，而且，本发明实施例中的单光子源被固定在光纤中或光纤端面，从而可以很方便的更换作为单光子源的单NV色心。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种单光子源装置的制作方法，其特征在于，包括：

a1）固定两根光纤，所述两根光纤的端面相对，且位于同一直线上，其中，一根光纤连接激光器，传输激发光，另一根光纤连接光谱仪；

b1）将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在所述两根光纤的端面之间，待溶剂蒸发后观察所述光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，如果有，进入步骤c1），否则，进入步骤e1）；

c1）将连接光谱仪的光纤连接至时间振幅转换器，通过测试反关联函数，判断所述两根光纤端面之间的NV色心是否为单NV色心，如果是，进入步骤d1），否则，进入步骤e1）；

d1）连接所述两根光纤的端面，将具有单NV色心的金刚石颗粒封装在所述两根光纤的端面之间，得到组合光纤，并在组合光纤中设置滤光片或滤光膜，完成单光子源装置的制作；

e1）清洗掉所述两根光纤端面之间的单晶金刚石颗粒，重复步骤b1）。

2.根据权利要求1所述的单光子源装置的制作方法，其特征在于，步骤c1)中，将连接光谱仪的光纤连接至时间振幅转换器的具体方法为，采用一分二的光纤耦合器将连接光谱仪的光纤连接到时间振幅转换器上。

3.根据权利要求1所述的单光子源装置的制作方法，其特征在于，步骤d1）中，连接所述两根光纤的端面的方法为：采用光学胶或加热熔合的方法连接所述两根光纤的端面。

4.根据权利要求1所述的单光子源装置的制作方法，其特征在于，判断所述两根光纤端面之间的NV色心是否为单NV色心的过程具体为：

根据以下关系式判断g(τ)和Δτ的关系：

$g^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{<I\left(\mathrm{\&tau;}\right)I\left(0\right)>}{{|<I>|}^2}$

其中，I(0)和I(τ)分别是时间为0和τ时的荧光强度，I为总体的平均荧光强度，g(τ)为反关联函数，Δτ=τ-0，为两次测量荧光强度的时间间隔；

当Δτ趋近于0时，g(τ)大于0.5，则判定所述两根光纤端面之间的NV色心为多色心；当Δτ趋近于0时，g(τ)=0.5，则判定所述两根光纤端面之间的NV色心为两个色心体系；当Δτ趋近于0时，g(τ)趋近于0，则判定所述两根光纤端面之间的NV色心为单色心。

5.一种单光子源装置的制作方法，其特征在于，包括：

a2）通过一个光纤耦合器或循环器连接三根光纤，使三根光纤之间的光单方向传输，其中，第一根光纤连接激光器，传输激发光，第二根光纤连接光谱仪；

b2）将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在第三根光纤的端面上，待溶剂蒸发后观察所述第三根光纤的端面上是否具有单晶金刚石颗粒，如果是，进入步骤c2），否则，重复步骤b2）；

c2）观察所述光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，如果有，进入步骤d2），否则，进入步骤e2）；

d2）将第二根光纤连接至时间振幅转换器，通过测试反关联函数，判断所述第三根光纤端面上的NV色心是否为单NV色心，如果是，则将具有单NV色心的单晶金刚石颗粒封装在第三根光纤的端面上之后，断开所述第三根光纤与光纤耦合器或循环器的连接，并在第三根光纤中设置滤光片或滤光膜，将第三根光纤具有单晶金刚石颗粒的一端与激光器相连，完成单光子源装置的制作，否则，进入步骤e2）；

e2）清洗掉所述第三根光纤端面上的单晶金刚石颗粒，重复步骤b2）。

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