KR20070004012A

KR20070004012A - 광자 소스

Info

Publication number: KR20070004012A
Application number: KR1020067020513A
Authority: KR
Inventors: 쉐인 티. 헌팅턴; 스티븐 프라워; 앤드류 디. 그린트리; 제임스 라보
Original assignee: 더 유니버시티 오브 멜버른
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2007-01-05
Also published as: AU2005219894A1; US20070277730A1; DE602005022996D1; WO2005085946A1; IL177582A0; JP2007526639A; EP1735659A1; CN1969227A; ATE478358T1; CN100465752C; EP1735659B1; EP1735659A4

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 색 중심(color center)을 갖는 물질과 광 도파로를 포함하는 광자 소스(photon source)를 제공한다. 상기한 또는 각각의 색 중심은 광자 방출을 위해 구성되고, 상기 물질은 그것이 광 도파로에 결합되고 사용시 상기한 각각의 색 중심에 의해 방출된 광자들의 적어도 일부는 상기 광 도파로에서 안내되도록 성장된다. 본 발명은 또한 적어도 하나의 색 중심을 갖는 물질을 포함하는 하나의 광 도파로를 구비하는 광자 소스를 제공한다.

광자 소스, 색 중심, 광 도파로, 광자의 방출, 양자 키 분배 시스템

Description

광자 소스{A PHOTON SOURCE}

본 발명은 광의로는 광자 소스(photon source)에 관한 것으로서, 특히 그에 한정되지는 않지만, 양자 키 분배(quantum key distribution)에 적합한 광자 소스에 관한 것이다.

양자 키 분배와 같은 많은 응용 분야를 위하여 단일 광자(single photon) 또는 뒤얽힌(entangled) 복수의 광자들을 제공하는 광자 소스가 필요하다. 다이아몬드에서의 색 중심(color center)은, 예를 들면, 단일 광자 방출을 위해 사용될 수가 있다. 이러한 색 중심들은 전형적으로 질소 원자와 같은 적어도 하나의 광학적으로 활성인 불순물 원자를 포함하고 있는데, 이것은 다이아몬드 매트릭스에서의 공격자점(vacancy)에 근접하게 위치한다. 이러한 질소-공격자점(N-V) 색 중심은 광학적 또는 전자적 여기 소스(excitation source)를 이용하여 그 여기가 이루어지며 그리고 637㎚ 근방의 파장을 갖는 단일 양자를 방출하도록 전형적으로 구성된다. 그러나, 이러한 단일 양자들은 등방성(isotropically)으로 방출되며, 이것은 방출된 광자의 수집과 인도를 매우 어렵게 만든다. 보통, 하나의 색 중심에 정확하게 정렬된 대물 렌즈가 방출된 광자들을 수집하기 위해 사용되지만, 광 경계면에서의 광 손실이 현저히 클 수가 있고 이러한 수집 기술은 일반적으로 성가시고 아주 강력하지는 않다. 더욱이, 광학적 렌즈는 집적화 기술과 결합하기가 어렵고 또한 해당 장치의 냉각 또는 가열을 더욱 곤란하게 만든다.

양자 키 분배의 구현과 그리고 단일 양자를 필요로 하는 다른 응용 분야를 위하여 단일 양자의 생성에 있어서의 기술적 진보가 요구된다.

본 발명의 제1측면으로서 광자 소스가 제공되는데, 상기 광자 소스는:

광 도파로(optical waveguide)와,

적어도 하나의 색 중심(color center)을 갖는 물질을 포함하며, 상기한 또는 각각의 색 중심은 광자 방출을 위해 구성되고, 상기 물질은, 그것이 광 도파로에 결합되고 그리고 사용시 상기한 또는 각각의 색 중심에 의해 방출된 광자들의 적어도 일부가 상기 광 도파로에서 안내되도록 성장된다.

본 발명의 제2측면으로서 광자 소스가 제공되는데, 상기 광자 소스는:

광자 방출을 위해 구성된 적어도 하나의 색 중심을 갖는 물질을 포함하는 광 도파로를 포함하며, 상기 물질은 사용시 상기한 또는 각각의 색 중심으로부터 방출된 광자들의 적어도 일부가 상기 광 도파로에서 안내되도록 통합적으로 형성된다.

상기 물질은 도파로에 결합 및/또는 상기 물질은 광 도파로에 일체로 통합되기 때문에 상기한 또는 각각의 색 중심은 도파로에 연결된다. 따라서, 본 발명의 제1 및 제2 측면의 실시예들에 따른 광 소스는 방출된 단일 광자들을 도파로에 안내하기 위해 필요한 추가적인 광 요소들이 필연적으로 요구되지 않는다는 이점을 갖는다.

상기 광자 소스는 상대적으로 튼튼하고(robust) 소형이어도 무방하며, 집적화되어도 좋으며, 전형적으로는 냉각하거나 가열하기에 상대적으로 용이하다. 게다가 상기한 또는 각각의 색 중심을 도파로와 가깝게 연결하는 것은 이러한 색 중심들이 종종 등방성(isotropic) 광자 방사체이기 때문에 광자 소스의 효율성을 위해 바람직하다. 상기 또는 각각의 색 중심의 도파로와의 결합은 또한 광자 소스의 안정성과 내구성의 향상을 가져올 수도 있다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 지칭되는 "색 중심(color center)"라는 용어는 그로부터 광자가 방출될 수 있는 광학적으로 활성인 원자, 분자 또는 공격자(vacancy) 중심에 대하여 사용되는데, 여기서 상기 광자는 단일 광자 또는 복수 광자의 방출을 통해 여기된 상태의 붕괴를 위해 구성되어 있는 원자, 분자 또는 공격자 중심들을 포함한다. 예를 들면, 상기 색 중심은 가시광선 범위 안 및/또는 밖의 파장을 갖는 단일 광자 또는 복수 광자의 방출을 위해 구성될 수도 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면들의 일 실시예에 있어서 상기한 또는 각각의 색 중심은 단일 광자의 방출을 위해 구성된다.

상기한 "단일 광자의 방출(emission)"이라는 용어는 단지 하나의 광자를 한번에 방출하는 것에 사용된다. 예를 들면, 상기한 또는 각각의 색 중심이 단일 광자의 방출을 위해 구성된다면, 상기 또는 각각의 색 중심은 사용시 일련의 또는 펄스 형태의 단일(개별적) 양자들을 방출할 수도 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면의 특정한 실시예들에 있어서, 광자 소스는 단일 광자들의 공급원(소스)이고 따라서 둘 또는 그 이상의 광자들을 동시에 방출하지 않는 광자 소스이다. 예를 들면, 상기 광자 소스는 단일 광자의 방출을 위한 하나의 색 중심을 포함할 수도 있다. 상기 광자 소스는 두 개 이상의 색 중심을 포함할 수 있지만, 이 경우 광자 소스는 주어진 시간에 단지 하나의 색 중심이 여기되어 하나의 광자를 방출하도록 전형적으로 구성된다.

본 발명의 제1 및 제2 측면들의 다른 특정한 실시예들에 있어서 상기 광자 소스는 뒤얽힌(entangled) 상태의 광자들의 방출을 위해 구성된다. 이 경우 광자 소스는 적어도 두 개의 뒤얽힌 광자들을 함께 방출하도록 구성된 적어도 두 개의 색 중심들을 전형적으로 포함한다. 상기 광자 소스는 전형적으로, 한 쌍의 뒤얽힌 광자들의 방출을 위해 구성된 적어도 한 쌍의 색 중심을 포함한다. 본 실시예의 한 변형에 따르면, 상기 광자 소스는 하나 또는 다수의 색 중심들을 구비하며, 각 색 중심은 뒤얽힌 상태의 광자들의 방출을 위해 적합하게 구성된다.

본 발명의 제1 및 제2 측면들에 있어서, 상기 물질은 전형적으로 다이아몬드 구조를 가지며, 단결정 또는 다결정 물질로 된 합성 다이아몬드와 같은 다이아몬드 물질이 전형적이다.

본 발명의 제1 및 제2 측면들에 있어서, 도파로는 코어(core) 영역을 가지며, 상기 물질은 도파로의 코어 영역의 일부에서 성장함이 전형적이다.

본 발명의 제1 및 제2 측면들에 따른 광자 소스에 있어서 상기 물질은 도파로에 간접적으로 접합될 수도 있다. 예를 들면, 다른 물질로 된 한 층이 상기 물질과 광 도파로 사이에 배치될 수 있다. 그러나, 상기 물질은 전형적으로 도파로에 직접 접합된다.

본 발명의 제1 및 제2 측면들에 따른 광자 소스에 있어서 상기 물질은 광 도파로에 삽입될(embedded) 수도 있다. 상기 물질은 또한 도파로의 일부일 수도 있다. 예를 들면, 상기 물질은 코어 영역을 포함할 수도 있고 또는 전체 코어가 그 물질로 구성될 수도 있다. 하나의 특정 실시예에 따르면, 상기 도파로는 다이아몬드와 같은 물질로 구성되는 하나의 코어를 포함하거나, 상기한 또는 각각의 색 중심은 도파로의 코어에 형성된다. 예를 들면, 다이아몬드 코어가 먼저 형성되고, 그 다음으로 상기한 또는 각각의 색 중심이 상기 다이아몬드 코어에 형성될 수도 있다(예를 들면, 주입(implantation)에 의해).

도파로 길이의 적어도 일부가 다이아몬드로 구성될 수도 있고, 특정한 일 실시예에서는 전체 도파로가 다이아몬드로 구성될 수도 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면들에 따른 광자 소스에 있어서, 상기한 또는 각각의 색 중심은 다이아몬드 물질에 불순물(들)을 전형적으로 포함한다. 예를 들면, 상기한 또는 각각의 불순물은 질소-공격자(N-V) 색 중심이 형성되도록 공격자 근방에 배치된 질소 원자일 수도 있다. 상기한 또는 각각의 불순물은 또한 통상 "NE8" 색 중심이라 지칭되는 니켈 관련 색 중심일 수도 있다. 예를 들면, 그러한 색 중심들의 쌍들이 뒤얽힌 광자들의 쌍을 방출하기 위해 배열될 수도 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면들에 있어서, 상기 도파로는 광자를 안내하도록 구성된 어떤 형태로라도 제공될 수 있다. 예를 들면, 도파로는 광섬유로 이루어질 수도 있다. 대안으로서, 상기 도파로는 평면형 도파로일 수 있다. 어느 경우에나 상기 도파로는 전형적으로 코어 영역보다 더 낮은 굴절률을 갖는 코어 주변 영역에 의해 둘러싸인 코어 영역을 포함할 수 있다.

대안으로서 또는 부가적으로, 상기 도파로는 속이 빈 관 모양과 같은 다수의 광 한정(light-confining) 요소들을 포함할 수도 있다. 상기 광 한정 요소는 빛이 코어 영역에서 안내될 수 있도록 코어 영역 주변에 배열될 수 있다. 상기 코어 영역은 고체일 수 있고 상기 광 한정 요소들은 코어 영역보다 더 낮은 코어 주변 영역의 평균 굴절률로 귀결될 수도 있다.

상기한 광 한정 요소들은 또한 광자 결정 도파로(photonic crystal waveguide)가 코어 주변 영역에서 광자 밴드갭(photonic bandgap)을 가지게 형성되도록 구성될 수도 있다. 이러한 경우에는 상기 코어 영역은 속이 비게 형성되거나 또는 광자 밴드갭을 국부적으로 파괴함으로써 코어 영역에서의 광자의 인도를 가능하게 하는 결함 또는 불순물들을 포함할 수도 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면들의 특정 실시예들에 있어서 상기 물질은 도파로에, 전형적으로는, 도파로의 코어 영역에 도는 그 근방에 위치한 공동에 배치된다. 상기 공동은 전형적으로는 광학적 공동이며, 부분적으로 속이 비거나 또는 코어 영역과는 다른 굴절율을 갖는 물질로 적어도 부분적으로 채워질 수도 있다. 이 경우, 상기한 또는 각각의 색 중심의 광자 방출은 덜 등방성일 수 있고, 광자들은 향상된 공동 모드(enhanced cavity mode)로 차별적으로 방출될 수도 있다. 따라서 상기 광학적 공동은 광자 소스의 효율을 증진시킬 수 있다.

본 발명은 또한 제3 측면으로서 광자 소스를 제조하는 방법을 제공하는바, 상기 방법은:

광 도파로를 제공하는 단계, 및

적어도 하나의 색 중심이 소정의 물질로 형성되도록 하는 방식으로 상기 광 도파로 상에서 또는 그와 연결하여 상기 물질을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 물질은 전형적으로 그 물질이 광 도파로에 접합되도록 그리고 사용시 상기한 또는 각각의 색 중심으로부터 방출된 광자들의 적어도 일부가 광 도파로에서 안내되도록 하는 방식으로 성장한다. 상기 물질은 전형적으로 그 물질이 도파로에 직접 접합하도록 성장된다. 대안으로서는, 상기 물질은 그 물질이 광 도파로에 간접적으로 접합하도록 그리고 광 도파로와 상기 물질 간에 하나의 층이 배치되도록 성장될 수도 있다.

상기 광자 소스는 전형적으로 단일 광자의 광자 소스이거나 또는 이와 달리 뒤얽힌 광자들의 쌍과 같은 뒤얽힌 광자 쌍들의 소스일 수도 있다.

상기 광 도파로는 임의의 형태의 평면형 도파로 및 광섬유를 포함하는 어떤 형태의 광 도파로이어도 무방하다. 예를 들면, 광 도파로는 코어 영역보다도 더 낮은 굴절률을 갖는 코어 주위 영역에 의해 둘러싸인 하나의 코어 영역을 포함할 수 있다.

대안으로서 또는 부가적으로는, 상기 광 도파로는 코어 영역 주변에 배열된 관 형상의 부분과 같은 다수의 광 한정 요소들을 포함할 수도 있다. 상기 광 한정 요소들은 또한 코어 주위 영역에서 광자 밴드갭을 갖는 광자 결정 도파로가 형성되도록 구성될 수도 있다.

상기 방법은 광 도파로에 적어도 하나의 오목한 부분을 형성하는 단계를 더 포함할 수가 있다. 예를 들면, 상기 도파관은 긴 형상일 수 있고 또한 하나의 코어와 코어 주변 영역을 구비할 수도 있으며, 그리고 상기 코어 영역의 도파관의 단부에 적어도 하나의 오목한 부분이 형성될 수도 있다. 상기한 또는 각각의 오목한 부분은 전형적으로 코어 영역의 물질을 차별적으로 식각하는 에칭 프로세스를 이용하여 코어 영역에 식각된다.

상기 물질은 상기한 또는 각각의 색 중심을 구비하는 다이아몬드 결정을 포함할 수 있다. 상기 물질을 성장시키는 단계는 전형적으로 화학적 기상도포법(CVD)을 수반한다. 상기한 성장 단계는 또한 상기한 또는 각각의 오목한 부분에, 예를 들면, 상기한 또는 각각의 오목한 부분과 연관된 모서리에서 상기 물질을 성장시키는 단계를 포함할 수도 있다. 본 발명자는 성장 조건에 따라서 양호한 물질의 성장이 상기 또는 각각의 오목한 부분과 관련된 상기 또는 각각의 모서리에서 일어날 수도 있음을 관찰하였다. 상기 또는 각각의 모서리는 전형적으로 코어 영역에 또는 그에 가깝게 존재하며, 따라서 상기 또는 각각의 오목한 부분은 다이아몬드 결정이 상기 코어 영역에서 또는 그 가까이에서 우세하게 성장한다는 장점을 갖는다.

만일 도파로의 단면에서 물질이 성장한다면, 상기 방법은 단면을 다른 도파로의 단면과 접합(융합 또는 기타 방법)하는 단계를 포함할 수도 있다. 특정한 일 실시예에서 상기 물질은 상기한 또는 각각의 오목한 부분에서 그리고 단면에서 성장하며, 상기 방법은 상기 또는 각각의 오목한 부분이 닫혀져 상기 또는 각각의 색 중심을 갖는 물질을 삽입하는 하나의 공동을 형성하도록 그 단면을 다른 도파로의 단면과 융합하는 단계를 포함한다. 이 경우 상기 물질은 전형적으로 하나의 색 중심을 포함한다.

상기 색 중심의 형성 후에, 색 중심은 적절한 레이저 방사 또는 전자와 같은 적절한 여기 소스(excitation source)를 이용하여 활성화될 수 있다. 상기 방법은 또한 상기한 또는 각각의 색 중심으로부터 방출된 광자들을 분석함으로써 단지 하나의 색 중심이 광자 소스에 존재하는지를 분석하는 단계를 포함할 수도 있다.

본 발명은 제4 측면으로서 광 도파로를 포함하는 광자 소스를 제조하는 방법을 제공하는바, 상기 방법은:

광자 방출을 위한 적어도 하나의 색 중심이 형성될 수 있는 물질을 일체로 포함하고 있는 광 도파로를 제조하는 단계와, 그리고

사용시 방출된 광자들의 적어도 일부가 상기 광 도파로에서 안내되도록 하는 방식으로 상기 물질에 상기한 또는 각각의 색 중심을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 물질은 광 도파로의 다른 부분에 삽입될 수도 있다.

상기 광 도파로는 하나의 코어를 가지며, 상기 물질은 그 코어의 일부를 형성할 수 있다. 상기 코어는 또한 상기 물질로 구성될 수도 있다.

본 발명은 제5 측면으로서 상기한 방법으로 제조된 광자 소스를 제공한다.

본 발명은 제6 측면으로서 본 발명의 제1 측면에 따른 광자 소스를 포함하는 양자 키 분배 시스템을 제공한다.

상기 물질은 도파로에 접합 및/또는 그에 일체로 합체되고, 상기 또는 각각의 색 중심은 상기 도파로에 결합되기 때문에, 위와 같이 정의된 광자 소스를 구비하는 양자 키 분배 시스템은 향상된 실용성과 효율성을 가질 수 있다.

이하 본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 제공되는 특정 실시예들에 대한 설명을 통해 더욱 완전히 이해될 수 있을 것이다.

도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 광자 소스의 개략적인 단면도를 도시한다;

도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 또 하나의 다른 실시예에 따른 광자 소스의 주사 전자 현미경 사진을 도시한다;

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광자 소스의 제조 과정을 예시하는 도면이다; 그리고

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제조 과정 동안의 광자 소스의 개략적인 구성도이다.

먼저, 도 1(a)를 참조하여, 본 발명의 특정한 실시예에 따른 광자 소스(10)가 기술된다. 광자 소스(10)는 코어(14)와 클래딩(16)을 갖는 광 도파로(12)를 포 함한다. 이 실시예에서 클래딩(16)은 코어(14)보다 더 낮은 굴절률을 갖는 물질을 포함하고 있다. 다이아몬드 결정(18)이 상기 코어(14)에 파묻혀 있다. 상기 다이아몬드 결정(18)은 사용시 단일 광자들을 방출하는 하나의 색 중심을 포함한다. 이 실시예에서 색 중심은 다른 탄소 원자를 대체하는 인접 질소 원자와 다이아몬드 결정의 격자에 있는 공격자점(vacancy)을 포함하며, 이로써 질소-공격자점(NV) 중심이 형성된다. 예를 들어, 514 ㎚ 또는 532 ㎚의 파장을 갖는 레이저 방사가 사용되어 색 중심을 여기하고, 여기된 상태의 붕괴는 단일 광자의 방출로 귀착된다.

대안으로서, 상기 광자 소스(10)는 다른 임의의 적절한 색 중심을 포함할 수도 있다는 것이 인식되어야할 것이다. 본 실시예의 변형에 있어서, 상기 색 중심은 또한 뒤얽힌 광자들의 방출을 위해 구성될 수도 있다. 더욱이, 광자 소스(10)는 뒤얽힌(entangled) 상태의 광자들의 방출을 위하여 구성된 둘 이상의 색 중심을 포함할 수도 있다.

이 실시예에 있어서, 다이아몬드 결정이 상기 도파로(12)의 코어(14)에 파묻혀 있다. 도 1(b)는 이러한 실시예의 변형을 도시하고 있다. 도시된 광자 소스(20)는 단부(22) 상에서 성장된 결정(18)을 포함한다. 양 경우에 색 중심은 도파로에 결합되고, 더 이상의 어떤 광 요소들도 방출된 단일 광자들을 도파로에 안내하기 위해 필요치 않다. 더욱이, 색 중심의 도파로와의 긴밀한 결합관계로 인해 더 큰 비율의 광자들이 도파로에서 인도됨으로써 광자 소스의 효율이 증가하는 결과를 가져올 수 있다.

본 실시예에 있어서 상기 코어(14)는 게르마늄으로 도핑된 실리카로 구성되 며, 클래딩(16)은 실리카로 형성된다. 본 실시예에 대한 변형으로 상기 도파로(12)는 임의의 적절한 형태로 제공될 수도 있음을 인식하여야 할 것이다. 광섬유 및 평면형 도파로(planar waveguide) 모두 이용될 수 있다. 예를 들면, 대안적인 실시예에서 상기 도파로는 속이 비고 코어 영역 주변에 배열될 수도 있는 관 형상의 부분들과 같은 다수의 광 한정 요소들을 포함할 수도 있다. 상기 광 한정 요소들은 또한 코어 주위 영역에서 광자 밴드갭(bandgap)을 갖는 광자 결정 도파로가 형성되도록 구성될 수도 있다.

도 2(a)는 주사 전자 현미경에 의한 현미경 사진을 도시하고 있다. 이 현미경 사진은 색 중심을 갖는 다이아몬드 결정(31)이 그 위에서 성장되는 광섬유(30)의 단면을 보여준다. 도 2(b)는 더 높은 배율로 확대한 광섬유 단면상의 다이아몬드 결정(31)의 전자 주사 현미경에 의한 현미경 사진을 나타내고 있다. 도 2(b)에서 볼 수 있는 동심원 링들은 상기한 코어 영역을 에워싸는 도핑된 침하된(depressed) 클래딩 영역에 대한 에칭 때문에 나타난다. 도 2(b)의 중심에서의 단결정들은 코어 영역 상에 위치한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자 소스의 제조과정을 예시하고 있다. 이 제조과정에서 색 중심을 갖는 다이아몬드 결정들은 광 도파로(광섬유 또는 평면형 도파로)의 단부 면 상에서 성장한다. 그 다음, 다이아몬드 결정을 갖는 단부 면들은 노출된 도파로의 단부 면들과 융합되어 각각의 다이아몬드 결정들을 각각의 융합된 광섬유 코어에서의 각각의 색 중심들로써 끼워넣게 된다. 514 ㎚ 또는 532 ㎚의 펌프형 레이저 소스가 광섬유에 접속되어 방사가 이루어짐으로써 상기한 (N- V) 색 중심을 여기하게 되고, 이것은 그 색 중심으로부터 637㎚ 근방의 파장을 갖는 광자의 방출을 일으키게 된다.

색 중심에 아주 가까운, 전파의 방향에 대해 90도인 도파로 상에서의 펌프 소스의 입사에 의해 여기(excitation)가 수행될 수도 있다. 이것은 펌프 파장이 도파로 아래로 이동하는 것을 방지한다는 추가의 장점을 갖는다. 상기 펌프 파장이 도파로에서 벗어나도록 할 필요가 있다면, 브라그(Bragg) 격자가 본 장치에 사용되거나 또는 그 장치의 외부에 사용될 것이다.

대안적인 실시예에서는 색 중심들은 전기적으로 여기될 수도 있음이 인식되어야 할 것이다. 예를 들어, 도파로의 대향하는 양 측면부에 전극이 제공될 수도 있고, 색 중심이 여기되도록 선택된 주파수를 갖는 교류 전압이 그 전극에 인가될 수도 있다. 상기 광자 소스는 또한 전기적으로 제어되는 게이트를 갖는 출력장치(output)를 가질 수 있다.

만일 상기 도파로가 광섬유라면, 그 광섬유는 초기에는 고품질의 단면을 형성하도록 껍질이 벗겨져서 쪼개진다. 쪼개진 광섬유 다발은 한데 모아져서 탄탈륨 튜브(또는 다른 적절한 비반응성 물질로 된)로 고정되며, 알콜 현탁물(액)을 함유하는 다이아몬드 파우더로서 초음파를 이용하여 긁힐 수도 있다. 이러한 과정들은 다이아몬드 성장을 촉진하는 다이아몬드 핵형성(nucleation) 위치 또는 시드(seed)를 만드는 작용을 한다(단계 33 (a) 및 (b)). 다음에 상기 광섬유(또는 평면 도파로)는 세척되고 샘플 보유기에 장착되어 화학적 기상도포법(CVD) 반응기(도시되지 않음)에서 다이아몬드 성장을 위해 처리된다.

본 실시예에서 광섬유 단면에서 다이아몬드 결정체를 성장시키기 위해 1.5 kW의 극초단파(microwave) CVD 반응기(AsTex 사에 의해 제조됨)가 사용된다(단계 34).

샘플이 반응기의 반응실 내부에 장착된 다음, 반응실은 진공압(예를 들어, 10^-3 Torr, 필요시 더 낮을 수도 있음)으로 비워진다. 상기 샘플은 인덕션 히터를 이용하여 가열된다. 본 실시예에 있어서 반응실은 수소, 메탄 및 질소로 충전되는데, 그 비율은 예를 들면, 99%의 수소, 0.7%의 메탄, 그리고 0.3%의 질소이다. 상기 반응실에 압력이 가해지고(예를 들어, 30 Torr), 그 다음에는 이러한 일정한 비율과 압력하에 가스가 그곳을 통해 흐르게 한다. 극초단파가 상기 반응실로 인도되어 가스를 여기함으로써 플라스마를 형성한다. 그 다음, 다이아몬드는 그 플라스마 하에서 또는 약간은 그 속에 위치한 기판상에서 성장한다.

상기 도파로 단부 면 상의 다이아몬드 결정체의 성장 후에, 다이아몬드 결정체는 각각의 단면을 노출된 도파로의 단부 면과 잇대어 접합(splicing)함으로써 삽입이 되어, 도파로의 코어에 끼워 넣어진 다이아몬드 결정을 가지는 광 도파로의 실질적으로 이음매가 없는 가닥(strand)을 형성하도록 한다(단계 36). 도파로의 접합은 또한 인덱스 매칭 접착제(index matching glue) 또는 핑거 접합기(finger splicing device) 등을 이용하여 수행될 수도 있다.

상기와 같이 형성된 광자 소스는 펄스형 532㎚ 레이저와 같은 펄스 레이저 소스 상에서 동작한다(단계 38; 레이저는 도시되지 않음). 광섬유의 출력 시, 펌프 주파수는 감쇠 필터 또는 격자로서 필터링이 이루어진다. 상기 레이저 펄스는, 일단 광섬유를 따라서 전파가 진행되면, 광섬유 코어 상의 다이아몬드의 위치 때문에 다이아몬드에 대한 더 이상의 정렬을 필요로 하지 않는다. 이러한 부차적인 공간적 필터링은 코어에 위치한 색 중심에 대해서만 여기가 일어남을 보장한다. 단일 광자 방출을 검증하기 위해 간행물 "A. Beveratos at al., Phys. Rev. Lett. 89, 187901 (2002년) 및 R. Brouri et al. Opt. Lett. 25, 1294 (2000)"에서 논의된 바와 같이 안티-번칭(anti-bunching) 실험이 수행될 수 있다.

도 1에 도시되고 또한 전술한 바와 같은 실시예에 관해서는, 다른 대안적인 실시예에 따르면 광자 소스는 그것이 뒤얽힌(entangled) 광자들의 방출을 위해 구성되도록 제조될 수가 있음을 이해하여야 할 것이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제조과정 중의 광자 소스를 도시하고 있다. 도 4는 코어(42) 및 클래딩(44)을 구비하는 광 도파로(40)(광섬유 또는 평면형 도파로)를 도시한다. 단부 면(48)으로부터 상기 코어(42)에 오목한 부분(이하 "리세스"라 칭함)(46)이 식각된다. 예를 들면, 상기한 리세스는 습식 에칭 공정을 이용하여 식각될 수가 있다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 코어(42)에 리세스(46)를 형성하도록 코어 물질을 차별적으로 식각하는 에칭 공정이 사용된다. 이러한 예에서 상기 코어(42)는 게르마늄으로 도핑된 실리카로 구성되며, 상기 클래딩(44)은 실리카로 이루어진다. 48%의 플루오르화수소산 용액을 사용하여 상기한 단부 면(48)으로부터 코어를 차별적으로 에칭한다. 상기한 코어 및 클래딩 물질의 상대적 에칭율(etch rate)은 공지되어 있기 때문에 상기 리세스(46)의 깊이를 조절 하는 것이 가능하다.

그 다음, 다이아몬드 결정체(49)가 상기한 리세스(46) 내에서 성장한다. 본원 발명자들은 CVD 성장 중에 다이아몬드 물질의 핵형성(nucleation)이 리세스(46)의 모서리와 같은 모서리 부위에서 현저하게 일어나는 것을 관찰하였다. 따라서, 코어의 리세스는 상기 단부 면(48)이 화학적 기상도포법 공정 중의 화학적 증기에 노출될 때, 다이아몬드 결정체가 상기 코어(46)에 또는 그 부근에서 지배적으로 성장한다는 이점을 갖는다. 상기 단부 면(48)은 그 다음 또 다른 광섬유(52)의 단부 면(50)에 융합됨으로써 상기 리세스는 다이아몬드 결정체(49)가 자리 잡는 폐쇄된 공동을 형성하도록 한다. 다이아몬드 결정을 에워싸는 공동의 각 단부에 거울들을 추가함으로써 효율적인 광학적 공동(optical cavity)이 형성될 수가 있다. 예를 들면, 상기한 거울들은 공동의 어떠한 단부에라도 브라그(Bragg) 격자를 포함할 수 있다.

전기한 바와 같이, 색 중심으로부터의 광자 방출은 전형적으로 등방성(isotropic)이다. 그러나, 상기 색 중심이 도파로에 삽입될 때, 주변 매질(medium)은 등방성이 아니다. 광섬유의 코어를 따라서 종으로 광신호를 전파하는 것이 광섬유에 대해 횡으로 전파하는 것보다 더 바람직하듯이, 색 중심으로부터 방출되는 광자들의 전파도 또한 마찬가지이다. 이것은 자발적인 방출이 도파로의 방향에서 더 강력할 것임을 의미한다(이러한 향상된 효과는 "Purcell" 효과에 기인한다). 본 실시예에서 코어의 방향으로의 자발적인 광자의 방출은 상기한 색 중심이 리세스(46)와 거울들에 의해 형성되는 광학적 공동에 배치되기 때문에 더욱 증진된 다. 본 실시예에서 광학적 공동은 길게 연장된 형태이고 주로 속이 비어 있으며, 따라서 코어를 따르는 "빈 공간(empty space)"의 효과적인 강도를 증가시키게 되고, 그러므로 코어를 따르는 방향에서의 자발적인 방출을 증가시킨다. 이러한 공동에서의 강화는 제한된 펄스 또는 간섭성(coherent) 광자 펄스를 변환함에 있어 특히 유리하다.

본 발명의 특정한 일 실시예에 있어서, 전술한 바와 같은 광자 소스는 양자 키 분배(quantum key distribution) 시스템의 일부를 형성한다. 이러한 양자 키 분배 시스템의 동작에 대한 일반적인 세부사항에 대해서는 "A. Beveratos at al"의 간행물 "Phys. Rev. Lett. 89, 187901 (2002)"을 참조한다.

이상, 본 발명은 특정한 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 당해 기술 분야의 전문가라면 본 발명은 수많은 다른 변형된 형태로도 구현될 수 있을 것이라는 점을 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 색 중심은 질소-공격자점(nitogen-vacancy)을 포함하지 않고, 예를 들면, 니켈 및 질소 원자를 포함할 수도 있다. 색 중심에 대한 다른 예는, 간행물 "Optical Properties of Diamond", Data Handbook, Zaitsev, A. M. 2001, XVII, ISBN: 3-540-66582-X Springer을 참조한다.

또한, 색 중심을 갖는 물질은 필연적으로 다이아몬드일 필요는 없고 도파로의 일부에 놓이지 않아도 좋다. 만일 다이아몬드 결정체가 존재한다면, 그 결정체는 나노, 마이크로, 단결정 또는 다결정 등의 형태로 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 물질은 도파로 상에 형성되는 하나의 층 위에 놓일 수도 있고 또는 그 밖에 다른 곳에 형성될 수도 있으며, 도파로에 기계적으로 결합되어 그 도파로에 끼워넣 어질 수도 있다. 대안으로서, 상기 도파로는, 또한 다이아몬드와 같은 물질로부터 형성되고 그곳에 상기한 또는 각각의 색 중심이 형성되는 코어를 포함할 수도 있다. 더욱이, 전체 도파로가 다이아몬드로 형성될 수도 있다.

부가적으로, 상기한 또는 각각의 색 중심을 갖는 물질은 또한 기계적으로 도파로에 삽입될 수도 있다는 것을 인식하여야 할 것이다. 예를 들면, 도파로에 구멍이 식각될 수도 있고 그 구멍에 상기 물질이 삽입된 다음에 그 구멍이 폐쇄될 수도 있다.

상기한 광자 소스는 그러한 광자 소스를 필요로 하는 어떠한 응용 분야에도 사용될 수가 있다는 점을 또한 인식하여야 할 것이다. 이것은 양자 키 분배 분야를 포함할 뿐만 아니라 양자 광학을 포함하는 다른 광학분야와 연구분야에서의 응용을 모두 포함할 것이다.

본 명세서에서 선행 기술 문헌에 대하여 이루어진 언급이 있더라도 그것은 그러한 문헌들이 호주 또는 어떤 다른 나라에서 당해 기술분야의 통상의 일반적 기술의 일부를 형성한다고 인정하는 것은 아니라는 사실을 인식하여야 할 것이다.

따라서, 본 발명의 정신과 영역 내에서의 변형은 당해 기술분야의 전문가에 의해서 용이하게 달성될 수도 있으며, 따라서 본 발명은 지금까지 예를 들어 기술된 특정한 실시예에만 한정되지는 않는다는 것을 이해하여야 할 것이다.

본 발명은 광자 소스(photon source)로서 이용된다. 전술한 바와 같이 정의 된 광자 소스를 구비하는 양자 키 분배 시스템은 향상된 실용성과 효율성을 가질 수 있다.

Claims

광자 소스에 있어서,

광 도파로와,

적어도 하나의 색 중심을 갖는 물질을 포함하며, 상기한 또는 각각의 색 중심은 광자 방출을 위해 구성되고, 상기 물질은 그것이 광 도파로에 결합되고 사용시 상기한 또는 각각의 색 중심에 의해 방출된 광자들의 적어도 일부는 상기 광 도파로에서 안내되도록 성장됨을 특징으로 하는 광자 소스.
광자 소스에 있어서,

광자 방출을 위해 구성된 적어도 하나의 색 중심을 갖는 물질을 포함하며, 상기 물질은 사용시 상기한 또는 각각의 색 중심으로부터 방출된 광자들의 적어도 일부가 상기 광 도파로에서 안내되도록 통합적으로 형성됨을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 또는 각각의 색 중심은 단일 광자의 방출을 위해 구성됨을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 광자 소스는 단일 광자들의 공급원(소스)임을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 광자 소스는 뒤얽힌(entangled) 상태의 광자들의 방출을 위해 구성됨을 특징으로 하는 광자 소스.
제5항에 있어서, 상기 광자 소스는 적어도 두 개의 뒤얽힌 광자들을 함께 방출하도록 구성된 적어도 두 개의 색 중심들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 물질은 다이아몬드 구조를 가짐을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질은 다이아몬드 물질임을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질은 도파로의 코어 영역의 일부에서 성장함을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질은 다이아몬드 결정이며, 상기한 또는 각각의 색 중심은 질소 관련 색 중심을 포함함을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 물질은 다이아몬드 결정이며, 상기한 또는 각각의 색 중심은 니켈 관련 색 중심을 포함함을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로는 광섬유임을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로는 평면형 도파로 임을 특징으로 하는 광자 소스.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 도파로는 코어 영역보다 더 낮은 굴절률을 갖는 코어 주변 영역에 의해 둘러싸인 코어 영역을 포함함을 특징으로 하는 광자 소스.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 도파로는 빛이 코어 영역에서 안내되도록 코어 영역 주변에 배열된 다수의 광 한정 요소들을 포함함을 특징으로 하는 광자 소스.
제15항에 있어서, 상기 코어 영역은 고체이고, 또한 상기 광 한정 요소들로 인해 코어 주변 영역의 평균 굴절률이 코어 영역보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 광자 소스.
제15항에 있어서, 상기 광 한정 요소들은 광자 결정 도파로가 코어 주변 영역에서 광자 밴드갭(photonic bandgap)을 가지게 형성되도록 구성됨을 특징으로 하 는 광자 소스.
제1항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 물질은 도파로에 위치한 공동에 배치됨을 특징으로 하는 광자 소스.
제18항에 있어서, 상기 공동은 상기 도파로의 코어 영역에 위치함을 특징으로 하는 광자 소스.
제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 공동은 광학적 공동임을 특징으로 하는 광자 소스.
제2항 또는, 제3항 내지 제20항 중 제2항에 종속하는 어느 한 항에 있어서, 상기 물질은 광 도파로에 파묻힘을 특징으로 하는 광자 소스.
제2항 또는, 제3항 내지 제20항 중 제2항에 종속하는 어느 한 항에 있어서, 상기 물질은 도파로의 일부를 형성함을 특징으로 하는 광자 소스.
제2항 또는, 제3항 내지 제22항 중 제2항에 종속하는 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로는 상기한 또는 각각의 색 중심을 포함하는 다이아몬드 코어를 구비함을 특징으로 하는 광자 소스.
제2항 또는, 제3항 내지 제23항 중 제2항에 종속하는 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로의 길이의 적어도 일부는 다이아몬드로 구성됨을 특징으로 하는 광자 소스.
제24항에 있어서, 상기 도파로 전체는 다이아몬드로 구성함을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기한 또는 각각의 색 중심의 광학적인 여기를 위해 구성됨을 특징으로 하는 광자 소스.
제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기한 또는 각각의 색 중심의 전기적인 여기를 위해 구성됨을 특징으로 하는 광자 소스.
광자 소스를 제조하는 방법에 있어서,

광 도파로를 제공하는 단계, 및

적어도 하나의 색 중심이 소정의 물질에서 형성되도록 하는 방식으로 상기 광 도파로의 근방에서 또는 그와 연결하여 상기 물질을 성장시키는 단계를 포함하는 제조 방법.
제28항에 있어서, 상기 물질은 그 물질이 광 도파로에 접합되고 사용시 상기한 또는 각각의 색 중심으로부터 방출된 단일 광자들의 적어도 일부가 광 도파로에서 인도되도록 하는 방식으로 성장됨을 특징으로 하는 제조 방법.
제28항 또는 제29항에 있어서, 상기 물질은 그 물질과의 광 도파로의 직접적인 결합이 수행되도록 도파로의 일부에서 직접 성장됨을 특징으로 하는 제조 방법.
제28항 내지 제30항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 광 도파로에 적어도 하나의 오목한 부분(리세스)을 형성하는 부가적인 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 도파로는 하나의 코어와 코어 주변 영역을 포함하고,상기 코어 영역의 도파로의 단부 면에 적어도 하나의 리세스가 형성됨을 특징으로 하는 제조 방법.
제31항 또는 제32항에 있어서, 상기 리세스는 코어 영역의 물질을 차별적으로 식각하는 식각(에칭) 공정을 이용하여 코어 영역에서 상기 리세스를 식각함으로써 형성됨을 특징으로 하는 제조 방법.
제28항 내지 제33항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 물질은 상기한 또는 각각의 색 중심을 구비하는 다이아몬드 결정을 포함함을 특징으로 하는 제조 방법.
제28항 내지 제34항 중의 어느 하나에 있어서, 상기한 물질을 성장시키는 단계는 화학적 기상 도포법(CVD)을 수반함을 특징으로 하는 제조 방법.
제31항 또는, 제32항 내지 제35항 중 제31항에 종속하는 어느 한 항에 있어서, 상기한 물질을 성장시키는 단계는 상기한 또는 각각의 리세스에 연관된 모서리에서 상기 물질을 성장시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 제조 방법.
제31항 또는, 제32항 내지 제35항 중 제31항에 종속하는 어느 한 항에 있어서, 상기한 물질을 성장시키는 단계는 상기한 또는 각각의 리세스에서 상기 물질을 성장시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 제조 방법.
제37항에 있어서, 상기 물질은 도파로의 단부 면에서 성장이 이루어지고, 상기 방법은 그 단부 면을 다른 도파로의 단부 면과 접합(또는 융합)하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 제조 방법.
제37항에 있어서, 상기 물질은 상기한 또는 각각의 리세스에서 그리고 단면 에서 성장이 이루어지며, 상기 방법은 상기 또는 각각의 리세스가 닫혀져 상기한 또는 각각의 색 중심을 갖는 물질을 포함하는 하나의 공동을 형성하도록 그 단면을 다른 도파로의 단면과 접합하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 제조 방법.
광 도파로를 포함하는 광자 소스를 제조하는 방법에 있어서,

광자 방출을 위한 적어도 하나의 색 중심이 형성될 수 있는 물질을 일체로 포함하고 있는 광 도파로를 제조하는 단계와, 그리고

사용시 방출된 광자들의 적어도 일부가 상기 광 도파로에서 인도되도록 하는 방식으로 상기 물질에서 상기한 또는 각각의 색 중심을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 제조 방법.
제40항에 있어서, 상기 광 도파로는 하나의 코어를 가지며, 상기 물질은 그 코어의 일부를 형성함을 특징으로 하는 제조 방법.
제40항에 있어서, 상기 광 도파로는 상기 물질로 구성되는 코어를 가짐을 특징으로 하는 제조 방법.
제28항 내지 제42항 중의 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되는 광자 소스.
제1항 내지 제27항 중의 어느 하나에 따른 광자 소스를 포함하는 양자 키 분배 시스템.