的。

特殊设计的半导体注入激光器，可以产生这一特殊光束。让光束中光子数分布窄于相同平均光子数的泊松分布，这种分布称为亚泊松分布。有时还称这种情形是反群聚(反聚束)的，意即在检测到一个光子后，紧接着再检测到一个光子的几率要小于平均几率。因此可以设法控制个别原子或分子在时间上比较均匀地一个一个发射光子(半导体注入激光器)，或让激光通过一种介质使在其中时间上比较紧接的那些光子更多地被吸收掉(在非线性介质作参量下变换)，可以获得反群聚光和亚泊松分布光。

作为讨论光子数压缩光的例子，考虑由谐振子本征态?(x)??n(x)描述的

0一个电磁模。由于此模所带的光子数为n＝n0，所以P(n)＝|Cn|＝1，显然n≠n0的|Cn|＝0。因此把这叫数态光。数态光的特征是有确定的光子数。显然，平均光子数为n=n0，因此方差?n2＝0(不再存在光子数涨落)，数态光的不确定度示于图17-16中。虽然，正交分量以及相幅矢量的相位和振幅都是不确定的，但光子数是绝对确定的。所以在做实验时要把光子数控制在某一固定值。其方法是利用参量下变换原理产生相关对光子流，其一作为测量用，另一作为控制测量束中光子数用。

除了上述两种压缩态外，还有一种振幅压缩态，它以增大相位涨落为代价去压缩振幅的涨落。利用非线性光学效应可以制备出压缩态。企图探索超低噪声光通信技术者应该对光的压缩态是感兴趣的。

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图17-16 数态光的不确定度

第六节 应用举例

一． 量子保密通信

量子保密通信具有防窃听功能，是绝对安全的密钥分配技术，国内外都在开展相应的理论和实验研究，现在它正逐步走向商业应用。实现量子保密通信有两大技术关键——单光子脉冲技术和单光子探测技术。单光子是量子保密通信的基

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础，这是由量子力学基本原理中未知量子态不能完全被克隆的定理决定的．如果发射脉冲中含有两个或多个光子，那么窃听者就有可能截取多余光子进行检测而不被知晓．理想的方法是只发射单光子，下面主要介绍获得单光子源的原理。 激光器产生的激光是相干态的光子，其分布服从式（17-32）所表示的泊松分布。为叙述方便，将其改写为如下形式：

P(n,?)??nn!e??

式中n为弱脉冲中包含的光子数，?为每脉冲平均光子数。随光脉冲平均光子数变化的光子数几率分布如图17-17(a)所示。由图17-17(a)可知，当??1时出现单光子脉冲的几率最大，此时出现单光子脉冲是多光子脉冲的1.4倍，并且

??1时光路中传输的主要是多光子脉冲。因此??1不满足单光子脉冲传输的要

求，必须??1。由泊松分布可得非空弱相干脉冲中多光子脉冲与单光子脉冲出现的几率关系，如图17-17(b)所示。

(a)

(b)

图17-17 (a)随平均光子数变化光子数几率分布

(b) 单光子与多光子关系图

从图17-17(b)可知，?越小，出现单光子脉冲与多光子脉冲的比值越大。当

??0.1时，出现单光子脉冲是多光子脉冲的19倍。如把光脉冲衰减到平均光子

数??0.1，其含义是仅5％的非空脉冲包含多个光子，此时若能探测到光子即可

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被认定为单光子脉冲。例如使用波长为1310 nm的半导体激光器，激光器的输出功率为1 mW，调制频率为2 MHz，则每脉冲的光子数为3.3?10个，对光进行强衰减使平均每10个脉冲中包含1个光子，则衰减量为

?dB??10log0.13.3?1099?105.2(dB)

因此，把输入光衰减105.2dB，就可以认为在光路中传输的是单光子脉冲。光衰减的方式很多，吸收、散射和耦合损耗等都是比较常用的方法，这些方法都可以使光脉冲在传输过程中光子数减少。目前实际使用的单光子源是由精密控制的强衰减技术得到的。在实现单光子流输出的基础上，量子保密通信便成为可能。 二．

光子晶体激光器

光子晶体激光器是一种基于二维（2D）光子晶体平板的微谐振腔结构的光发射器件。具有光子带隙结构的材料叫做光子晶体。光子带隙结构是一种周期性介质结构。该材料类似于半导体材料的电子带隙结构，所以有时人们又把光子晶体叫做光半导体。光子晶体最主要的特点是：在某一能量范围内的光子不能通过光子晶体或在光子晶体内部产生的光不能传播。

最具实用的2D光子晶体平板结构是具有2D空气孔阵图案的光学介质平板，即在光学介质薄膜上排列着周期结构的空气孔阵。这样的平板结构类似于半导体的晶格结构，从而构成光子带隙(PBG)。空气孔中心间距a就是PBG结构的晶格常数，通常约为500nm，空气孔半径r比a小，通常约为150—300nm。PBG的晶格结构可以是正方形、三角形、蜂窝形和六角形，但实际中使用得最多的是三角形晶格结构或六角形晶格结构。这样的2D光子晶体平板是不能传播光的，即具有局域光的特性。如果在这样的平板中引入一个环形缺陷，便可构成一个环形微谐振腔，光波可以在环形微腔中振荡；如果在这种平板中引入一个点缺陷，便可构成一个点微腔，利用这个点微腔便可构成一个点微谐振器。线缺陷和点缺陷的引入非常简单，只要破坏光子晶体的周期结构即可，例如，丢失一排或一 个空气孔便可构成线性光波导或点缺陷微腔。目前研究得最多的光子晶体激光器有两类结构：一类是具有中心缺陷的纳米腔结构的激光器，如图17-18b；另一类是基于光子晶体波导的六角形波导环形腔结构的激光器，如图17-18a。

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(a) (b)

图17-18 光子晶体激光器结构

由于光子晶体激光器的超微型化、低阈值化和可集成性，在很多领域中都有极好的应用前景。如光子晶体激光器可以用作光纤通信系统的紧凑光源。光子晶体激光器第二个潜在应用是用作气体传感器。这是因为光子晶体激光器是一种基于2D空气孔阵的器件，可以通过研究孔和材料之间的相互作用，探测微量气体变化。光子晶体激光器的第三个潜在应用是用于半导体微处理器芯片的光时钟分配。这一应用利用了光子晶体激光器低功耗、小尺寸和可与微处理器单片集成的特性。

三．光子学的应用前景

光子学是一门以应用为主要目标的科学和技术，具有鲜明的技术性和实用性。光子技术对许多自然科学和技术科学已产生深刻的影响：光子作为能量载体，在激光加工、激光医疗等方面已获得广泛应用；光子作为信息载体，已成功地用于信息传输(光纤通信)和信息存储(光盘)，并已形成可观的产业规模；激光引发核聚变有可能成为本世纪的新能源；光信息处理的功能正在不断地开发，特别是正在开发研制中的光子计算机，它所具有的潜在优点一旦变成现实，对未来信息领域的影响是很深远的。因此，光子学不仅与电子学一样，有极其广泛的应用领域，而且正在电子学最重要的应用领域，又是迫切需要革新的领域——信息领域(特别是该领域中的通信和计算机)中做出其积极的贡献。人们已普遍认为：通信与计算机发展的未来世界属于光子学领域，光子技术是推动今后信息时代发展的主要动力，它在今后的信息时代将占有越来越重要的地位。

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