CN110535004B - 基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器及系统，具体而言，涉及光学器械领域，本申请通过在第一支架和第二支架之间形成的通孔的一端设置石墨烯层，在该通孔的另一端设置光纤，并且将中心导体设置在该石墨烯层远离所述第一支架和第二支架的一侧，且该中心导体设置位置与该通孔位置相对应，当该光纤中传递出光子的时候，该光子通过该第一支架和该第二支架之间的通孔，击打在该石墨烯层上，该石墨烯层和该中心导体之间形成了一个电容，由于该石墨烯层在该光子的作用下发生振动，使得该电容的电压发生改变，进而在电容效应下该电容之间产生一个微波量子，从而实现了光子到微波量子的转化，并且该转换器结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及光学器械领域，具体而言，涉及一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器及系统。
背景技术
近年来随着量子信息技术的飞速发展，各种基于量子效应的应用不断涌现，将光子转化为量子是目前最新的研究课题之一，其中，光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子，微波量子是微波的最小单元。
现有技术中，将光子转化为微波量子的方法主要使用转换器包括两个电磁谐振器，一个光频率，一个微波频率，共享一个机械谐振器，机械谐振器有一薄膜组成，能自由震动；光频谐振器包括一个法布里-波罗腔，膜振动并调制光腔谐振频率，膜部分导电并组成微波谐振器的电感电路中电容的一部分，因为薄膜自由振动，所以可以调制微波电路的电容，进而调制谐振频率。
但是，上述转换器结构复杂，稳定性低。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器及系统，以解决现有技术中转换器结构复杂，稳定性低的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器，转换器包括：第一支架、第二支架、光纤、石墨烯层和中心导体；
第一支架和第二支架相对设置，第一支架和第二支架之间形成通孔，光纤相对设置在通孔的一侧，石墨烯层贴附在通孔远离光纤的一侧，中心导体设置在石墨烯层远离通孔的一侧，且与石墨烯层平行。
可选地，该通孔的直径不大于10微米。
可选地，该石墨烯层的形状为条形，且条形石墨烯层与中心导体设置方向相同。
可选地，该转换器还包括金属颗粒层，金属颗粒层设置在石墨烯层靠近光纤的一侧上。
可选地，该金属颗粒层的材料包括：金、银或钼中至少一种贵金属材料。
可选地，该金属颗粒层中心颗粒尺寸小，边缘颗粒尺寸大。
可选地，该转换器还包括耦合层，耦合层设置在中心导体靠近石墨烯层的一侧。
可选地，该耦合层的材料为石墨烯。
第二方面，本发明实施例提供了另一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器系统，转换器系统包括光源和权利要求1-8任意一项的转换器，光源设置在光纤远离石墨烯层的一端。
可选地，该光源为激光光源。
本发明的有益效果是：
本申请通过在第一支架和第二支架之间形成的通孔的一端设置石墨烯层，在该通孔的另一端设置光纤，并且将中心导体设置在该石墨烯层远离所述第一支架和第二支架的一侧，且该中心导体设置位置与该通孔位置相对应，当该光纤中传递出光子的时候，该光子通过该第一支架和该第二支架之间的通孔，击打在该石墨烯层上，该石墨烯层和该中心导体之间形成了一个电容，由于该石墨烯层在该光子的作用下发生振动，使得该电容的电压发生改变，进而在电容效应下该电容之间产生一个微波量子，从而实现了光子到微波量子的转化，并且该转换器结构简单，由于该转换器结构简单，输入一个光子就可以输出一个微波量子，则该转换器稳定性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器的结构示意图。
图标：10-光纤；20-第一支架；30-第二支架；40-石墨烯层；50-中心导体；60-金属颗粒层；70-耦合层。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明一实施例提供的一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器的结构示意图，如图1所示，本申请实施例提供一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器，转换器包括：第一支架20、第二支架30、光纤10、石墨烯层40和中心导体50；第一支架20和第二支架30相对设置，第一支架20和第二支架30之间形成通孔，光纤10相对设置在通孔的一侧，石墨烯层40贴附在通孔远离光纤10的一侧，中心导体50设置在石墨烯层40远离通孔的一侧，且与石墨烯层40平行。
该第一支架20和第二支架30可以是两个薄板，也可以是两个长方体，当该第一支架20和第二支架30为两个薄板的时候，在将该第二支架30和该第二支架30放置时，需要在该第一支架20和第二支架30之间设置一个通孔，当该第一支架20和第二支架30为两个长方体时，将该第一支架20和第二支架30放置之后，在该第一支架20和第二支架30之间开设一个通孔，需要说明的是，该通孔表面光滑，该第一支架20和第二支架30之间的通孔的一端贴附有石墨烯层40，该石墨烯层40贴附在该通孔的一端，对该石墨烯层40的面积大小不做限定，只要能覆盖该通孔即可，该通孔的另一端设置有光纤10，该光纤10的出射口与该通孔的位置相对应，当该光纤10中出射光时，该光可以通过该第一支架20和第二支架30之间的通孔照射到该石墨烯层40上，该中心导体50设置在该石墨烯层40远离该第一支架20和该第二支架30的一侧的位置，且与石墨烯层40平行，该中心导体50与该石墨烯层40之间形成一个电容，当该石墨烯层40上接收到该光纤10发出的光子时，该石墨烯层40会发生振动，当该石墨烯层40振动的时候，该石墨烯层40和该中心导体50之间形成的电容的两个电极板之间的距离会发生改变，从而改变该电容的电压，形成电容效应，在电容效应下，该电容之间会产生一个微波量子，从而实现了从光子到微波量子的转换，需要说明的是，对该中心导体50的具体形状在此不做限定，只要能实现该中心导体50与该石墨烯层40之间形成一个电容即可。
另外，该光纤10与该通孔的距离根据工作人员经验和实际情况进行选择，在此不做限定，一般的，该光纤10与该石墨烯层40的距离不大于200纳米，使得光子照射在该石墨烯层40上实现近场激发，减少了光纤10照射在该石墨烯层40上需要聚焦的过程。
可选地，该通孔的直径不大于10微米。
该通孔为了使得电子可以更好的通过，可以将该通孔的直径设置为不大于10微米，当该通孔的直径不大于10微米的时候，该通孔一侧的石墨烯层40与光子的接触面积的直径也不超过10微米，从而可以使得该石墨烯层40产生的振动更加明显，使得该石墨烯层40和该中心导体50形成的电容改变程度更大。
该控制具体的形状和直径根据实际情况进行设定，在此不做限定。
可选地，该石墨烯层40的形状为条形，且条形石墨烯层40与中心导体50设置方向相同。
该石墨烯层40设置在该通孔的一端，用于在光子的作用下发生振动，将该石墨烯层40设置为与该中心导体50方向相同的条形石墨烯层40，则可以使得振动是根据条形石墨烯层40的形状进行传播，更有利于该石墨烯层40与该中心导体50进行耦合。
图2为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器的结构示意图，如图2所示，可选地，转换器还包括金属颗粒层60，金属颗粒层60设置在石墨烯层40靠近光纤10的一侧上。
该石墨烯层40用于接收光子，并在光子的作用下产生振动，在该石墨烯层40靠近光子的位置上设置一层金属颗粒层60，由于金属对光有很好的吸收能力，该金属颗粒层60用于与光子发生耦合，提高该石墨烯层40在光子的冲击下的振动幅度，使得该石墨烯层40能实现对光子的吸收，从而实现在光子的作用下发生振动。
需要说明的是，该金属颗粒层60的具体厚度在此不做具体限定，根据工作人员经验和实际需要进行设置，一般的，该金属颗粒层60可以是在该石墨烯层40靠近光纤10的一层涂刷一层光学胶，然后在光学胶上涂刷一层金属颗粒层60，在此不做限定。
可选地，该金属颗粒层60的材料包括：金、银或钼中至少一种贵金属材料。
具体地，由于贵金属材料有很好的吸光能力，则可以使用贵金属材料作为该金属颗粒层60的材料，在贵金属材料中以金、银或钼材料习惯能力较强，该金属颗粒层60的材料可以为金、银或钼中一种贵金属材料，也可以是金、银或钼多种金属的混合，若该金属颗粒层60是多种贵金属材料的混合，对多种贵金属材料的比较在此不做限定，只要能实现通过该金属颗粒层60提高该石墨烯层40对光子的吸收能力即可。
可选地，金属颗粒层60中心颗粒尺寸小，边缘颗粒尺寸大。
具体地，该金属颗粒层60有多个贵金属颗粒组成，用于增加该石墨烯层40对光子的吸收能力，则可以将该金属颗粒层60设置为中心区域颗粒尺寸小，边缘区域颗粒尺寸大，使得该金属颗粒层60对光子的吸收能力更高，避免了光子的浪费；在实际应用中，可以将颗粒较小的金属颗粒全部涂刷在该石墨烯层40靠近光纤10的一侧的中心位置，将大颗粒的金属颗粒涂刷在该石墨烯层40靠近光纤10的一侧的边缘位置。
图3为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器的结构示意图，如图3所示，可选地，转换器还包括耦合层70，耦合层70设置在中心导体50靠近石墨烯层40的一侧。
具体地，为了增加该中心导体50与该石墨烯层40的相对面积，即该石墨烯层40与该中心导体50形成的电容的相对面积，在该中心导体50靠近该石墨烯层40的一侧设置耦合层70，该耦合层70用于是的该石墨烯层40与该中心导体50的耦合增加，需要说明的是，该耦合层70的具体面积根据实际需要进行设定，在此不做限定，一般的，由于石墨烯层40与光子的接触面积的直径小于10微米，则可以将该耦合层70设置为圆形，且该圆形耦合层70的直径不小于10微米。
可选地，耦合层70的材料为石墨烯。
由于石墨烯质量轻，且对电磁波的消耗小，则可以将该耦合层70的材料设置为石墨烯。
本申请通过在第一支架20和第二支架30之间形成的通孔的一端设置石墨烯层40，在该通孔的另一端设置光纤10，并且将中心导体50设置在该石墨烯层40远离所述第一支架20和第二支架30的一侧，且该中心导体50设置位置与该通孔位置相对应，当该光纤10中传递出光子的时候，该光子通过该第一支架20和该第二支架30之间的通孔，击打在该石墨烯层40上，该石墨烯层40和该中心导体50之间形成了一个电容，由于该石墨烯层40在该光子的作用下发生振动，使得该电容的电压发生改变，进而在电容效应下该电容之间产生一个微波量子，从而实现了光子到微波量子的转化，并且该转换器结构简单，由于该转换器结构简单，输入一个光子就可以输出一个微波量子，则该转换器稳定性高。
本申请实施例还提供另一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器系统，转换器系统包括光源和上述任意一项的转换器，光源设置在光纤10远离石墨烯层40的一端。
该光源用于给该转换器种的光纤10提供光子，将该光源设置在光纤10远离石墨烯层40的一端。
可选地，光源为激光光源。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更该和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修该、等同替换、该进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器，其特征在于，所述转换器包括：第一支架、第二支架、光纤、石墨烯层和中心导体；
所述第一支架和所述第二支架相对设置，所述第一支架和所述第二支架之间形成通孔，所述光纤相对设置在所述通孔的一端，所述石墨烯层贴附在所述通孔远离所述光纤的一端，所述中心导体设置在所述石墨烯层远离所述通孔的一侧，且与所述石墨烯层平行；
所述转换器还包括金属颗粒层，所述金属颗粒层设置在所述石墨烯层靠近所述光纤的一侧上；
所述金属颗粒层的材料包括：金、银或钼中至少一种贵金属材料；
所述金属颗粒层中心颗粒尺寸小，边缘颗粒尺寸大。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器，其特征在于，所述通孔的直径不大于10微米。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器，其特征在于，所述石墨烯层的形状为条形，且条形所述石墨烯层与所述中心导体设置方向相同。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器，其特征在于，所述转换器还包括耦合层，所述耦合层设置在所述中心导体靠近所述石墨烯层的一侧。
5.根据权利要求4所述的基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器，其特征在于，所述耦合层的材料为石墨烯。
6.一种基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器系统，其特征在于，所述转换器系统包括光源和权利要求1-5任意一项所述的转换器，所述光源设置在所述光纤远离所述石墨烯层的一端。
7.根据权利要求6所述的基于石墨烯的光子态到微波量子的转换器系统，其特征在于，所述光源为激光光源。
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