基於光子晶體自準直效應的可集成光量子行走器件的製作方法

2023-07-24 07:16:51 3

基於光子晶體自準直效應的可集成光量子行走器件的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於光子晶體自準直效應的可集成光量子行走器件，其利用四方晶格空氣孔或介質柱光子晶體的能帶結構和等頻線，取第一或第二能帶，沿Γ-X或Γ-M方向構建分束器，沿Γ-M或Γ-X方向排布分束器，其中，每經過一段固定的光傳輸距離，沿Γ-X或Γ-M方向的分束器節點增加一個。本發明利用光子晶體中自準直光束的傳輸不發散及交叉無串擾的優勢，採用3dB分束器陣列構成可用於光量子行走的微納光子學器件，屬於半導體集成光學技術和量子信息科學領域。
【專利說明】基於光子晶體自準直效應的可集成光量子行走器件
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體集成光學技術和量子信息科學領域，特別涉及一種基於光子晶體自準直效應的可集成光量子行走器件。
【背景技術】
[0002]微電子技術的發展一直遵循著摩爾定律，但根據國際半導體技術藍圖(ITRS) 2009年發布的半導體技術路線圖預測，到2024年時世界集成電路快閃記憶體線寬將減小至6.3nm，接近理論極限。屆時，以電子為信息載體的微電子技術，將遭遇發展的理論與技術瓶頸，很難繼續遵循摩爾定律來發展。與電子相比，光子作為信息載體具有巨大優勢:光子沒有靜止質量，光子之間也幾乎沒有幹擾，光的不同波長可用於多路同時通信，光信號處理速度高，且不受電磁場幹擾。這些優點使得光子技術在未來的信息化社會中必將扮演非常重要的角色。
[0003]量子信息科學是利用量子力學效應處理和傳輸信息的新興學科。量子計算是量子信息處理的核心，構建完善的量子算法成為實現大規模量子計算和量子計算機的關鍵。上世紀90年代人們開始研究量子行走，開始利用量子行走構建新的量子算法，以及利用量子行走模擬量子系統的演化。當前量子信息實驗研究基於多種物理載體，但基於光子的量子信息處理具有突出的優勢。光子是飛行的量子比特，其傳播速度是光速，不容易受外界幹擾，傳播損耗低，適用於大規模網絡的構建。2008年英國布裡斯託大學的Jeremy O』Brien小組率先利用二氧化矽波導實現了集成光波導結構的量子邏輯門，開闢了量子信息集成化的新紀元。目前人們已經在絕緣體上的矽(SOI)、鈮酸鋰等光學晶片上進行了簡單的量子受控非(C-NOT)門、Shor算法、糾纏光子對的製備和操控等等一系列實驗；特別的，量子行走已在波導結構中得到實現。
[0004]光子的量子行走本質上是一種量子幹涉現象。在量子光學理論中，單光子的量子幹涉隨時間累積的結果與經典光場的幹涉行為一致，量子行走的研究表明可用經典光場模擬單光子的行走行為，同時只有多光子行走、幹涉(如雙光子幹涉)才能表現與眾不同的量子特性。基於光子的量子信息實驗已經表明，經典光學器件如分束器、耦合器、反射鏡等都可以直接用來進行光量子操控。基於此，可使用經典光學理論設計量子行走晶片。
[0005]已有的集成光量子器件都是基於普通波導結構，一般尺寸在毫米或百微米量級，不利於集成。光子晶體被認為是光子集成的理想平臺，其最大優勢就在於小型化，光子晶體集成晶片的尺寸比已有的基於普通波導的光學集成晶片小一到兩個量級。另外，利用光子晶體的特殊色散效應，可以構建新機制下的光量子行走方案。光子晶體自準直現象指的是在完美光子晶體內傳輸的光對入射光束的發散角不敏感，能夠在保持很小束孔徑的情形下直線傳輸。它是利用光子晶體的色散曲面可以在某個區域表現為一個平面，當光的傳播方向垂直於該色散曲面時，落在此區域內的光將自動校正傳輸方向，實現自準直傳輸。
[0006]光子晶體自準直效應的優勢在於光可以在完美光子晶體中沿著特定方向無擴展傳輸而不需要構建如線缺陷波導這樣的物理約束邊界，具有很大的空間和校準容限，耦合效率高；另外一個顯著的優勢在於光在光子晶體中交叉傳輸時不會出現一般波導中傳輸出現的串擾問題。2010年，H.M.Nguyen等人實驗上報導了工作在自準直波長範圍的矽光子晶體Mach-Zehnder幹涉儀(MZI)。他們通過對光子能帶結構的剪裁來確定完美光子晶體以及分束器、反射鏡的參數，把這些元件整合後形成MZI所佔的面積僅為20 X 20 μ m2，單向輸出自準直光的輸出比例高達25。
[0007]把光子晶體的自準直效應應用於光量子行走，可以有效利用自準直效應的優勢，形成小尺寸、耦合效率高、空間布局靈活的光量子行走新器件。

【發明內容】

[0008](一 )要解決的技術問題
[0009]本發明設計了一種基於光子晶體自準直效應的可集成光量子行走器件，需要找準光子晶體的自準直中心波長，在這一波長下光的自準直傳輸損耗和分束器的插入損耗最小。分束器陣列的優化以避免反射擾動以及古斯-漢森位移的影響，也是要解決的技術問
題之一。
[0010](二)技術方案
[0011]本發明基於光子晶體自準直效應，利用自準直光束的傳輸不發散和交叉無串擾的優勢，構建應用於光量子行走的新型集成光子學器件。
[0012]本發明提出的一種基於光子晶體自準直效應的可集成光量子行走器件，其利用四方晶格空氣孔或介質柱光子晶體的能帶結構和等頻線，取第一或第二能帶，沿T-Χ或T-Μ方向構建分束器，沿T-M或T-Χ方向排布分束器，其中，每經過一段固定的光傳輸距離，沿T-Χ或T-M方向的分束器節點增加一個。
[0013](三)有益效果
[0014]本發明具有以下有益效果:
[0015]1、器件核心區的尺寸在幾十至幾百微米量級，比現有普通波導結構的集成光量子器件小I到2個量級。小尺寸的結構更有利於光子集成。
[0016]2、提供了光量子隨機行走的新方案，即利用光子晶體的自準直效應，其光束傳輸無發散和交叉無串擾以及與波導的耦合效率高的優勢，將為隨後設計多功能的光子集成晶片帶來益處。
[0017]3、自準直光束交叉無串擾的優勢使得信號輸出埠的布局更加靈活，有效避免如光子晶體耦合波導陣列由于波導之間耦合距離短而導致信號檢測的精度要求高和波導到光纖的空間受限問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發明實施例中基於分束器陣列的可應用於光量子行走的自準直行走器件結構示意圖；
[0019]圖2是本發明中完美光子晶體與輸入輸出波導集成時自準直光傳輸的場分布及效率；
[0020]圖3是本發明中空氣狹槽型自準直光束分束器及局部放大圖；
[0021 ] 圖4是本發明中空氣狹槽型自準直光束分束器效果圖；[0022]圖5是本發明中基於分束器陣列的自準直光束行走效果圖；
[0023]圖6是本發明中不同波長的光行走之後在各埠的輸出效率。
【具體實施方式】
[0024]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0025]圖1示出了本發明提出的基於分束器陣列的可應用於光量子行走的自準直行走器件。基於四方晶格空氣孔或介質柱光子晶體的能帶結構和等頻線，取第一(或第二)能帶，由於光沿-M(或-Χ)方向自準直傳輸，則沿-Χ(或-M)方向構建分束器，沿-M(或-Χ)方向排布分束器，使光每經過一段固定的傳輸距離，即每行走一步，沿-Χ(或-M)方向的分束器節點增加一個，從而為光量子行走提供一種基於光子晶體自準直效應的可實現方案。 [0026]所述的光子晶體可以是準三維的平板光子晶體，在平板面內，一般為空氣孔或介質柱按四方晶格排列而成的二維周期性陣列，但不限於四方晶格(如六角晶格)。光子晶體平板可以懸浮在空氣中或者其他流動性物質(如有機油、液氮等等)中；也可以位於襯底材料之上，同時另一側是空氣或者其他以上所述的流動性材料；光子晶體平板兩側也可以都有介質材料包覆。最終都形成對稱的或者非對稱的三層平板結構。
[0027]所述的分束器，是一種對自準直光束形成的透射和反射比例為1:1的沿-Χ(或M)構造的缺陷空氣孔或介質柱(去掉孔或柱，或二者半徑改變)或空氣狹槽等結構。
[0028]所述的分束器陣列，是按照自準直光束的傳輸方向，即沿-M(或-Χ)方向排布分束器，相鄰的分束器之間距離相等。光量子每行走一步，沿-Χ(或-M)方向的分束器節點增加一個，且與上一步的分束器節點相交錯，整個分束器的排列沿該方向呈金字塔形狀，亦即等腰直角三角形，頂角為90°。
[0029]所述輸入輸出埠一般為介質波導，輸入波導的數目、位置等沒有限制，以左上的第一個分束器為參照，可以有一個從左到右的輸入波導，也可以有一個從上到下的輸入波導；輸出埠即分束器陣列結構中輸出波導，其數目等均沒有限制，如圖1所示，4步行走有1-8共8個輸出波導，5步行走則會有10個輸出波導。
[0030]上述方案中，可以選用的材料不限於矽材料，可以是任何折射率大於2的介電材料，如半導體GaAs、InP、GaN及其他有源材料，鈮酸鋰等非線性晶體材料，聚合物材料等，實現光子產生和行走一體化的器件。
[0031]所述的光量子自準直傳輸，是綜合考慮了光子晶體的各種色散特性，依據能帶結構和等頻線，構建完美光子晶體和分束器、反射器等基本元件，使光量子在器件中能夠自準直地傳輸、分束或彎折等，優化之後使傳輸損耗和插入損耗最小。
[0032]所述的光子晶體分束器陣列設計方案，利用了光子晶體自準直光束的傳輸無發散和交叉無串擾的優勢，在器件布局中，信號輸入端如左邊波導輸出的光量子進入完美光子晶體中的分束器陣列，完成行走後，雖然有光路交叉傳輸，但不會影響1-8輸出埠如右邊及下邊波導輸出的信號測量。
[0033]所述的可用於光量子行走的設計方案，是首次將自準直的基本元件即分束器經過特殊的陣列排布後形成的使光量子出現隨機行走的特殊效能。
[0034]圖1所示為光子晶體分束器按照-M方向排布形成的陣列結構，其展示了由分束器陣列構成的4步光量子行走器件示意圖。SP1:1表示分束比為1:1的分束器，左上的介質波導為輸入波導，右邊及下邊編號為1-8的介質波導為輸出波導。圖中的白色箭頭線為光在器件中的傳輸路徑。光量子每行走一步，沿-X方向的分束器節點增加一個，整個分束器的排列沿該方向呈金字塔形狀，亦即等腰直角三角形，頂角為90°。四方晶格空氣孔型光子晶體的周期為294.5nm，空氣孔半徑為103.lnm，介質材料採用矽，其折射率為3.464。
[0035]圖2展不了波導輸入輸出情況下一種完美光子晶體中自準直光束的場分布及傳輸效率。所示完美光子晶體上下集成波導，波導寬度設為2 μ m，方便與光纖的對準耦合。波長為1.55 μ m的光從下部入射波導輸入，從上部出射波導收集得到的歸一化光能量達到91.2%。
[0036]圖3所示為沿-X方向構建的空氣槽形成的自準直光束分束器結構，由沿著-X方向構造的空氣狹槽構成，空氣槽寬度為50nm，對1.55 μ m的入射光來說，透射光和反射光形成的分束比為1:1。
[0037]圖4為分束之後的穩態磁場分布及效率圖，其中向左傳輸的光為右邊光子晶體與輸出波導界面反射回的光。測得的透射率和反射率分別為39.6%和40.1%。由於右端輸出波導與光子晶體之間的界面反射，使得分束器的左邊出現了較明顯的反射光束。
[0038]採用準三維的平板光子晶體作為光量子行走器件的製作平臺。這裡的計算結果雖然是二維的，但可以通過等效折射率近似過渡到平板光子晶體上去。
[0039]根據對特定r / a的光子晶體計算得到的等頻線，利用光能量傳輸與群速度方向的一致性以及由對稱性得到的倒格矢空間與實空間的一致性，判斷處於第一能帶或第二能帶的光在光子晶體中自準直傳輸的方向以及評估傳輸損耗的大小。確定出最佳完美光子晶體的參數，在此基礎上通過引入特殊方向的線缺陷進一步構造光的分束器，這個線缺陷可以是空氣孔或介質柱型，也可以是空氣狹槽型，一方面要實現3dB的光分束，另一方面儘量減小分束器的插入損耗。
[0040]依據自準直光的傳輸方向，對多個3dB分束器進行適當的排列，光每經過一個分束器均按1:1的比例分束，處於一些特定位置的分束器將光分束後會發生顯著的光的幹涉現象，對於四方晶格的光子晶體來說，幹涉之後的效果使得-M水平(或垂直)方向傳輸達到極大，而垂直(或水平)方向的光傳輸達到極小，從而對下一級分束器的光分束造成影響，形成了光從入射埠輸入到最終從出射埠輸出的特殊的中間隨機行走過程。
[0041]圖5為自準直光束在器件中行走的穩態磁場分布,光每經過一個分束器均按1:1的比例分束，處於一些特定位置的分束器將光分束後會發生顯著的光的幹涉現象，對於四方晶格的光子晶體來說，幹涉之後的效果使-M水平(或垂直)方向傳輸達到極大，而垂直(或水平)方向的光傳輸達到極小，從而對下一級分束器的光分束造成影響，形成了光從入射埠輸入到最終從出射埠輸出的特殊的中間隨機行走過程。
[0042]圖6為不同波長的光行走之後在各輸出埠的輸出效率，可以看出波長不同，效率則呈現不同程度的起伏，其中輸出埠 2的效率最高，起伏也最大，但每個波長總的輸出效率低於80%,其損耗來源於光的自準直傳輸損耗、分束器的插入損耗、波導與光子晶體間的界面反射損耗以及古斯-漢森位移造成的波導與光子晶體界面的散射損耗。[0043]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於光子晶體自準直效應的可集成光量子行走器件，其利用四方晶格空氣孔或介質柱光子晶體的能帶結構和等頻線，取第一或第二能帶，沿gamma-Χ或r-M方向構建分束器，沿gamma-M或gamma-Χ方向排布分束器，其中，每經過一段固定的光傳輸距離，沿gamma-Χ或gamma-Μ方向的分束器節點增加一個。
2.根據權利要求1所述的光量子行走器件，其特徵在於，所述光子晶體是四方晶格的空氣孔或介質柱結構，其是二維光子晶體或準三維的平板光子晶體。
3.根據權利要求1所述的光量子行走器件其特徵在於，所述分束器是一種對自準直光束形成的透射和反射比例為1:1的沿r-X或r-M構造的缺陷空氣孔或介質柱或空氣狹槽結構。
4.根據權利要求1所述的光量子行走器件，其特徵在於，所述分束器陣列中的分束器按照自準直光束的傳輸方向方向排布，且相鄰的分束器之間距離相等，光量子每行走一步，沿自準直光束的傳輸方向的分束器節點增加一個，且與上一步的分束器節點相交錯，整個分束器的排列沿該方向呈金字塔形狀，頂角為90°。
5.根據權利要求1所述的光量子行走器件，其特徵在於，所述光量子行走器件的輸入輸出埠為介質波導。
6.根據權利要求1所述的光量子行走器件，其特徵在於，其材料可以是任何折射率大於2的介電材料。
【文檔編號】G02B6/122GK103675993SQ201310750514
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】鄭婉華, 王宇飛, 馮志剛, 祁帆 申請人:中國科學院半導體研究所