基于光子晶體自準直效應(yīng)的可集成光量子行走器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光子晶體自準直效應(yīng)的可集成光量子行走器件，其利用四方晶格空氣孔或介質(zhì)柱光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)和等頻線，取第一或第二能帶，沿Γ-X或Γ-M方向構(gòu)建分束器，沿Γ-M或Γ-X方向排布分束器，其中，每經(jīng)過一段固定的光傳輸距離，沿Γ-X或Γ-M方向的分束器節(jié)點增加一個。本發(fā)明利用光子晶體中自準直光束的傳輸不發(fā)散及交叉無串?dāng)_的優(yōu)勢，采用3dB分束器陣列構(gòu)成可用于光量子行走的微納光子學(xué)器件，屬于半導(dǎo)體集成光學(xué)技術(shù)和量子信息科學(xué)領(lǐng)域。
【專利說明】基于光子晶體自準直效應(yīng)的可集成光量子行走器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成光學(xué)技術(shù)和量子信息科學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光子晶體自準直效應(yīng)的可集成光量子行走器件。
【背景技術(shù)】
[0002]微電子技術(shù)的發(fā)展一直遵循著摩爾定律，但根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖(ITRS) 2009年發(fā)布的半導(dǎo)體技術(shù)路線圖預(yù)測，到2024年時世界集成電路閃存線寬將減小至6.3nm，接近理論極限。屆時，以電子為信息載體的微電子技術(shù)，將遭遇發(fā)展的理論與技術(shù)瓶頸，很難繼續(xù)遵循摩爾定律來發(fā)展。與電子相比，光子作為信息載體具有巨大優(yōu)勢:光子沒有靜止質(zhì)量，光子之間也幾乎沒有干擾，光的不同波長可用于多路同時通信，光信號處理速度高，且不受電磁場干擾。這些優(yōu)點使得光子技術(shù)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(xué)是利用量子力學(xué)效應(yīng)處理和傳輸信息的新興學(xué)科。量子計算是量子信息處理的核心，構(gòu)建完善的量子算法成為實現(xiàn)大規(guī)模量子計算和量子計算機的關(guān)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(gòu)建新的量子算法，以及利用量子行走模擬量子系統(tǒng)的演化。當(dāng)前量子信息實驗研究基于多種物理載體，但基于光子的量子信息處理具有突出的優(yōu)勢。光子是飛行的量子比特，其傳播速度是光速，不容易受外界干擾，傳播損耗低，適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。2008年英國布里斯托大學(xué)的Jeremy O’Brien小組率先利用二氧化硅波導(dǎo)實現(xiàn)了集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的量子邏輯門，開辟了量子信息集成化的新紀元。目前人們已經(jīng)在絕緣體上的硅(SOI)、鈮酸鋰等光學(xué)芯片上進行了簡單的量子受控非(C-NOT)門、Shor算法、糾纏光子對的制備和操控等等一系列實驗；特別的，量子行走已在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中得到實現(xiàn)。
[0004]光子的量子行走本質(zhì)上是一種量子干涉現(xiàn)象。在量子光學(xué)理論中，單光子的量子干涉隨時間累積的結(jié)果與經(jīng)典光場的干涉行為一致，量子行走的研究表明可用經(jīng)典光場模擬單光子的行走行為，同時只有多光子行走、干涉(如雙光子干涉)才能表現(xiàn)與眾不同的量子特性?；诠庾拥牧孔有畔嶒炓呀?jīng)表明，經(jīng)典光學(xué)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?；诖?，可使用經(jīng)典光學(xué)理論設(shè)計量子行走芯片。
[0005]已有的集成光量子器件都是基于普通波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一般尺寸在毫米或百微米量級，不利于集成。光子晶體被認為是光子集成的理想平臺，其最大優(yōu)勢就在于小型化，光子晶體集成芯片的尺寸比已有的基于普通波導(dǎo)的光學(xué)集成芯片小一到兩個量級。另外，利用光子晶體的特殊色散效應(yīng)，可以構(gòu)建新機制下的光量子行走方案。光子晶體自準直現(xiàn)象指的是在完美光子晶體內(nèi)傳輸?shù)墓鈱θ肷涔馐陌l(fā)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(qū)域表現(xiàn)為一個平面，當(dāng)光的傳播方向垂直于該色散曲面時，落在此區(qū)域內(nèi)的光將自動校正傳輸方向，實現(xiàn)自準直傳輸。
[0006]光子晶體自準直效應(yīng)的優(yōu)勢在于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(gòu)建如線缺陷波導(dǎo)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(yōu)勢在于光在光子晶體中交叉?zhèn)鬏敃r不會出現(xiàn)一般波導(dǎo)中傳輸出現(xiàn)的串?dāng)_問題。2010年，H.M.Nguyen等人實驗上報道了工作在自準直波長范圍的硅光子晶體Mach-Zehnder干涉儀(MZI)。他們通過對光子能帶結(jié)構(gòu)的剪裁來確定完美光子晶體以及分束器、反射鏡的參數(shù)，把這些元件整合后形成MZI所占的面積僅為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(yīng)應(yīng)用于光量子行走，可以有效利用自準直效應(yīng)的優(yōu)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(fā)明內(nèi)容】

[0008](一 )要解決的技術(shù)問題
[0009]本發(fā)明設(shè)計了一種基于光子晶體自準直效應(yīng)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(yōu)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(shù)問
題之一。
[0010](二)技術(shù)方案
[0011]本發(fā)明基于光子晶體自準直效應(yīng)，利用自準直光束的傳輸不發(fā)散和交叉無串?dāng)_的優(yōu)勢，構(gòu)建應(yīng)用于光量子行走的新型集成光子學(xué)器件。
[0012]本發(fā)明提出的一種基于光子晶體自準直效應(yīng)的可集成光量子行走器件，其利用四方晶格空氣孔或介質(zhì)柱光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)和等頻線，取第一或第二能帶，沿T-Χ或T-Μ方向構(gòu)建分束器，沿T-M或T-Χ方向排布分束器，其中，每經(jīng)過一段固定的光傳輸距離，沿T-Χ或T-M方向的分束器節(jié)點增加一個。
[0013](三)有益效果
[0014]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]1、器件核心區(qū)的尺寸在幾十至幾百微米量級，比現(xiàn)有普通波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的集成光量子器件小I到2個量級。小尺寸的結(jié)構(gòu)更有利于光子集成。
[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(yīng)，其光束傳輸無發(fā)散和交叉無串?dāng)_以及與波導(dǎo)的耦合效率高的優(yōu)勢，將為隨后設(shè)計多功能的光子集成芯片帶來益處。
[0017]3、自準直光束交叉無串?dāng)_的優(yōu)勢使得信號輸出端口的布局更加靈活，有效避免如光子晶體耦合波導(dǎo)陣列由于波導(dǎo)之間耦合距離短而導(dǎo)致信號檢測的精度要求高和波導(dǎo)到光纖的空間受限問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明實施例中基于分束器陣列的可應(yīng)用于光量子行走的自準直行走器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明中完美光子晶體與輸入輸出波導(dǎo)集成時自準直光傳輸?shù)膱龇植技靶剩?br> [0020]圖3是本發(fā)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(fā)明中空氣狹槽型自準直光束分束器效果圖；[0022]圖5是本發(fā)明中基于分束器陣列的自準直光束行走效果圖；
[0023]圖6是本發(fā)明中不同波長的光行走之后在各端口的輸出效率。
【具體實施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0025]圖1示出了本發(fā)明提出的基于分束器陣列的可應(yīng)用于光量子行走的自準直行走器件?；谒姆骄Ц窨諝饪谆蚪橘|(zhì)柱光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)和等頻線，取第一(或第二)能帶，由于光沿-M(或-Χ)方向自準直傳輸，則沿-Χ(或-M)方向構(gòu)建分束器，沿-M(或-Χ)方向排布分束器，使光每經(jīng)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(jié)點增加一個，從而為光量子行走提供一種基于光子晶體自準直效應(yīng)的可實現(xiàn)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(nèi)，一般為空氣孔或介質(zhì)柱按四方晶格排列而成的二維周期性陣列，但不限于四方晶格(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(zhì)(如有機油、液氮等等)中；也可以位于襯底材料之上，同時另一側(cè)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(cè)也可以都有介質(zhì)材料包覆。最終都形成對稱的或者非對稱的三層平板結(jié)構(gòu)。
[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(gòu)造的缺陷空氣孔或介質(zhì)柱(去掉孔或柱，或二者半徑改變)或空氣狹槽等結(jié)構(gòu)。
[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(jié)點增加一個，且與上一步的分束器節(jié)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]所述輸入輸出端口一般為介質(zhì)波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)的數(shù)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(dǎo)，也可以有一個從上到下的輸入波導(dǎo)；輸出端口即分束器陣列結(jié)構(gòu)中輸出波導(dǎo)，其數(shù)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(dǎo)，5步行走則會有10個輸出波導(dǎo)。
[0030]上述方案中，可以選用的材料不限于硅材料，可以是任何折射率大于2的介電材料，如半導(dǎo)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(xiàn)光子產(chǎn)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(jù)能帶結(jié)構(gòu)和等頻線，構(gòu)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(yōu)化之后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(shè)計方案，利用了光子晶體自準直光束的傳輸無發(fā)散和交叉無串?dāng)_的優(yōu)勢，在器件布局中，信號輸入端如左邊波導(dǎo)輸出的光量子進入完美光子晶體中的分束器陣列，完成行走后，雖然有光路交叉?zhèn)鬏敚粫绊?-8輸出端口如右邊及下邊波導(dǎo)輸出的信號測量。
[0033]所述的可用于光量子行走的設(shè)計方案，是首次將自準直的基本元件即分束器經(jīng)過特殊的陣列排布后形成的使光量子出現(xiàn)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(jié)構(gòu)，其展示了由分束器陣列構(gòu)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(zhì)波導(dǎo)為輸入波導(dǎo)，右邊及下邊編號為1-8的介質(zhì)波導(dǎo)為輸出波導(dǎo)。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(jié)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(zhì)材料采用硅，其折射率為3.464。
[0035]圖2展不了波導(dǎo)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(dǎo)，波導(dǎo)寬度設(shè)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(dǎo)輸入，從上部出射波導(dǎo)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(gòu)建的空氣槽形成的自準直光束分束器結(jié)構(gòu)，由沿著-X方向構(gòu)造的空氣狹槽構(gòu)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為分束之后的穩(wěn)態(tài)磁場分布及效率圖，其中向左傳輸?shù)墓鉃橛疫吂庾泳w與輸出波導(dǎo)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%。由于右端輸出波導(dǎo)與光子晶體之間的界面反射，使得分束器的左邊出現(xiàn)了較明顯的反射光束。
[0038]采用準三維的平板光子晶體作為光量子行走器件的制作平臺。這里的計算結(jié)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(jù)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，判斷處于第一能帶或第二能帶的光在光子晶體中自準直傳輸?shù)姆较蛞约霸u估傳輸損耗的大小。確定出最佳完美光子晶體的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上通過引入特殊方向的線缺陷進一步構(gòu)造光的分束器，這個線缺陷可以是空氣孔或介質(zhì)柱型，也可以是空氣狹槽型，一方面要實現(xiàn)3dB的光分束，另一方面盡量減小分束器的插入損耗。
[0040]依據(jù)自準直光的傳輸方向，對多個3dB分束器進行適當(dāng)?shù)呐帕校饷拷?jīng)過一個分束器均按1:1的比例分束，處于一些特定位置的分束器將光分束后會發(fā)生顯著的光的干涉現(xiàn)象，對于四方晶格的光子晶體來說，干涉之后的效果使得-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，形成了光從入射端口輸入到最終從出射端口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(wěn)態(tài)磁場分布,光每經(jīng)過一個分束器均按1:1的比例分束，處于一些特定位置的分束器將光分束后會發(fā)生顯著的光的干涉現(xiàn)象，對于四方晶格的光子晶體來說，干涉之后的效果使-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，形成了光從入射端口輸入到最終從出射端口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后在各輸出端口的輸出效率，可以看出波長不同，效率則呈現(xiàn)不同程度的起伏，其中輸出端口 2的效率最高，起伏也最大，但每個波長總的輸出效率低于80%,其損耗來源于光的自準直傳輸損耗、分束器的插入損耗、波導(dǎo)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(dǎo)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(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光子晶體自準直效應(yīng)的可集成光量子行走器件，其利用四方晶格空氣孔或介質(zhì)柱光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)和等頻線，取第一或第二能帶，沿gamma-Χ或r-M方向構(gòu)建分束器，沿gamma-M或gamma-Χ方向排布分束器，其中，每經(jīng)過一段固定的光傳輸距離，沿gamma-Χ或gamma-Μ方向的分束器節(jié)點增加一個。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光量子行走器件，其特征在于，所述光子晶體是四方晶格的空氣孔或介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)，其是二維光子晶體或準三維的平板光子晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光量子行走器件其特征在于，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(gòu)造的缺陷空氣孔或介質(zhì)柱或空氣狹槽結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光量子行走器件，其特征在于，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(jié)點增加一個，且與上一步的分束器節(jié)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(jù)權(quán)利要求1所述的光量子行走器件，其特征在于，所述光量子行走器件的輸入輸出端口為介質(zhì)波導(dǎo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光量子行走器件，其特征在于，其材料可以是任何折射率大于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(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】鄭婉華, 王宇飛, 馮志剛, 祁帆 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所