專利名稱：光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù) 領(lǐng)域，尤其涉及一種用于量子信息科學(xué)應(yīng)用的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器。
背景技術(shù)：
量子信息科學(xué)近年來得到了人們的廣泛關(guān)注，它通過量子體系的獨(dú)有性質(zhì)對計(jì)算、編碼、信息處理、信息傳輸?shù)冗M(jìn)行了新的闡釋。量子信息科學(xué)是量子物理和信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的新學(xué)科，它是以量子的獨(dú)特性質(zhì)對計(jì)算、編碼、信息傳輸?shù)冗M(jìn)行新的闡釋。量子信息科學(xué)的興起和發(fā)展為物理學(xué)、信息科學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域注入了新的活力，可以說量子信息科學(xué)是未來幾十年來最具發(fā)展前景、最有生命力的科學(xué)。自從Knill(2001)等提出利用線性光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的方案以后，越來越多的小組開始關(guān)注利用線性光學(xué)元件和光子進(jìn)行量子信息處理，并取得一些重大的成果。但利用光子系統(tǒng)的大多數(shù)量子操縱的實(shí)現(xiàn)都是用體積較大的光學(xué)元件(厘米尺度的鏡片和分光鏡)在尺寸更大、抗震性強(qiáng)的光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行，由于其尺寸大、穩(wěn)定性差，而且不利于實(shí)際應(yīng)用等缺點(diǎn)。因此，發(fā)展小型化、可集成化量子芯片是量子信息處理技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。2008年，英國的0’ Brien小組通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)率先實(shí)現(xiàn)了線性光學(xué)元件的集成化，在尺寸為70_X3mm硅波導(dǎo)量子芯片上成功實(shí)現(xiàn)了雙光子量子干涉和量子邏輯門操作的實(shí)驗(yàn)測量，并且在相應(yīng)的芯片中進(jìn)行了路徑編碼的多光子糾纏態(tài)的操控、量子算法的模擬、多模量子干涉和量子態(tài)產(chǎn)生、操縱和測量一體化。隨后他們在鈮酸鋰波導(dǎo)芯片中實(shí)現(xiàn)了路徑和偏振編碼的快速操縱。他們的工作很快就引起了許多研究小組的極大興趣，英國的Walmsley小組在利用激光直寫制作的相位可調(diào)馬赫曾德爾干涉儀中實(shí)現(xiàn)了雙光子量子干涉和雙光子MOON態(tài)干涉。意大利的Mataloni小組在硼硅酸鹽波導(dǎo)芯片中實(shí)現(xiàn)了偏振量子糾纏實(shí)驗(yàn)和量子邏輯門操作。另外，國內(nèi)南京大學(xué)的祝世寧小組也在糾纏光源集成方面做出了出色的工作。盡管許多小組在半導(dǎo)體波導(dǎo)量子芯片中已取得重大突破，但硅波導(dǎo)尺寸主要集中在毫米甚至厘米量級(jí)，不利于大規(guī)模集成光路的發(fā)展，成為多功能小型化光量子器件集成發(fā)展的一個(gè)瓶頸。自1987年美國科學(xué)家E. Yablonovitch和S. John提出了光子晶體的概念，光子晶體因其具有光子帶隙、自準(zhǔn)直、負(fù)折射等特性，為基于光子晶體的功能性器件的設(shè)計(jì)提供了開放的廣闊平臺(tái)。比如，基于光子晶體設(shè)計(jì)的低閾值甚至無閾值光子晶體缺陷腔激光器、高效傳輸?shù)墓庾泳w波導(dǎo)、任意分束比例的光子晶體分束器，已經(jīng)在理論和實(shí)驗(yàn)上得到了驗(yàn)證，一系列微納尺寸的光子晶體功能器件的出現(xiàn)，以及它們在光子晶體這一平臺(tái)上的融合，為將來小型化、高密度集成的芯片級(jí)的設(shè)計(jì)提供了可能，為量子芯片的發(fā)展注入了蓬勃?jiǎng)恿?。本發(fā)明提出了基于光子晶體的耦合分束器。光子晶體作為一種介電常數(shù)呈周期或者準(zhǔn)周期分布的人工材料，具有光子禁帶、負(fù)折射、自準(zhǔn)直等諸多獨(dú)特的物理特性，能夠在微納尺寸實(shí)現(xiàn)光的調(diào)控，同時(shí)可以作為未來光通信的一個(gè)多元化、易拓展的平臺(tái)。因而基于光子晶體設(shè)計(jì)的量子芯片，實(shí)現(xiàn)耦合分束器具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，拓展了量子芯片的設(shè)計(jì)空間，為量子芯片的進(jìn)一步發(fā)展夯實(shí)了基礎(chǔ)。光子晶體具有光子帶隙，頻率落在帶隙中的光無法在光子晶體中傳播。通過在有光子帶隙中的光子晶體中引入缺陷結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的可以在光子禁帶中引入缺陷模式。例如在有光子禁帶的光子晶體中引入點(diǎn)缺陷，形成缺陷腔，可以用于設(shè)計(jì)低閾值、甚至無閾值激光器；例如在有光子禁帶的光子晶體中引入線缺陷，形成線缺陷波導(dǎo)，可以用于設(shè)計(jì)高效傳導(dǎo)的、無損彎折的光波導(dǎo)?；诠庾泳w波導(dǎo)，利用波導(dǎo)之間的耦合，本發(fā)明設(shè)計(jì)了光子晶體波導(dǎo)耦合分束器，用于光的傳輸和分束。本文設(shè)計(jì)的光子晶體波導(dǎo)定向耦合器是首次提出基于光子晶體的量子芯片的設(shè)計(jì)，此外我們還實(shí)驗(yàn)制作了相關(guān)的器件，證明了基于光子晶體的微納量子 芯片實(shí)驗(yàn)制作的可行性。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于量子信息科學(xué)應(yīng)用的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，以克服傳統(tǒng)波導(dǎo)面積較大、傳輸效率低和反射較大等問題。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，包括光子晶體波導(dǎo)耦合分束器，用于實(shí)現(xiàn)光的50/50分束；漸變耦合波導(dǎo)，用于實(shí)現(xiàn)輸入波導(dǎo)和光子晶體波導(dǎo)耦合分束器之間的高效耦合；以及彎折波導(dǎo)，用于實(shí)現(xiàn)橫向輸入波導(dǎo)和斜向輸入波導(dǎo)之間的連接。上述方案中，所述光子晶體波導(dǎo)耦合分束器是基于三角晶格光子晶體薄板空氣孔結(jié)構(gòu)，上下兩個(gè)光子晶體波導(dǎo)是通過沿著rK方向各去除一排光子晶體空氣孔實(shí)現(xiàn)的，上下兩個(gè)波導(dǎo)的橫向間隔為3個(gè)晶格周期。所述三角晶格光子晶體空氣孔薄板采用的材料為硅。上述方案中，所述漸變耦合波導(dǎo)的窄端為a，寬口端為3#〃，漸變耦合波導(dǎo)垂直方向的高度為52a，a為晶格周期。所述漸變耦合波導(dǎo)的窄口端和寬口端能夠根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。上述方案中，所述彎折波導(dǎo)被去掉了其角上的一個(gè)三角形區(qū)域，使得彎折連接處相對更加平坦，減小了彎折處的變化曲率，提高了傳輸?shù)男?。所述彎折波?dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠根據(jù)具體設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明提供的這種用于量子信息科學(xué)應(yīng)用的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，由于“在光子晶體上下波導(dǎo)之間的定向耦合，實(shí)現(xiàn)光分束”這一特性，這一特性為實(shí)現(xiàn)光分束提供了理論依據(jù)。2、本發(fā)明提供的這種用于量子信息科學(xué)應(yīng)用的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，利用“在光子晶體上下波導(dǎo)之間的定向耦合，實(shí)現(xiàn)光分束”這一特性，以及對連接斜入射/出射波導(dǎo)和光子晶體定向耦合波導(dǎo)的漸變波導(dǎo)，連接直入射/出射波導(dǎo)和斜入射/出射波導(dǎo)的彎折波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，從而克服了傳統(tǒng)波導(dǎo)面積較大、傳輸效率低、反射較大等問題。3、本發(fā)明提供的這種用于量子信息科學(xué)應(yīng)用的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，尺寸只有百微米量級(jí)，與傳統(tǒng)的用于量子信息科學(xué)應(yīng)用中的硅波導(dǎo)動(dòng)輒毫米、厘米量級(jí)相比，百微米量級(jí)的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器為量子芯片的小型化設(shè)計(jì)提供了更廣闊的設(shè)計(jì)空間。這是本發(fā)明優(yōu)于傳統(tǒng)的硅波導(dǎo)的顯著優(yōu)勢之一。4、本發(fā)明提供的這種用于量子信息科學(xué)應(yīng)用的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，由于光子晶體具有尺度效應(yīng)，因而可以根據(jù)不同的需要，通過改變晶格常數(shù)，設(shè)計(jì)所需要的各個(gè)特定工作波長。


圖I為本發(fā)明提供的用于量子信息科學(xué)應(yīng)用的光子晶體定向耦合器的示意圖，其中黑色表示空氣材料，白色表示介質(zhì)材料。圖2給出光在光子晶體定向耦合器中傳播的光學(xué)特性。圖3給出光在楔形耦合波導(dǎo)與光子晶體定向耦合器中傳播的光學(xué)特性，其中，灰色表不空氣材料。圖4光在彎折波導(dǎo)中傳播的光學(xué)特性。圖5光在用于量子信息科學(xué)應(yīng)用的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器中的整體效果。圖6為了更清晰地表征用于量子芯片的光子晶體各組成部分的傳輸效率，給出了各個(gè)單元的傳輸效率、單元之間的傳輸效率，以及總的傳輸效果。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖I為本發(fā)明提供的用于量子信息科學(xué)應(yīng)用的光子晶體定向耦合器的示意圖，其包含三個(gè)關(guān)鍵組成部分，即光子晶體波導(dǎo)耦合分束器、漸變耦合波導(dǎo)和彎折波導(dǎo)。其中，光子晶體波導(dǎo)耦合分束器，用于實(shí)現(xiàn)光的50/50分束；漸變耦合波導(dǎo)，用于實(shí)現(xiàn)輸入波導(dǎo)和光子晶體波導(dǎo)耦合分束器之間的高效耦合；以及彎折波導(dǎo)，用于實(shí)現(xiàn)橫向輸入波導(dǎo)和斜向輸入波導(dǎo)之間的連接。所述光子晶體波導(dǎo)耦合分束器是基于三角晶格光子晶體薄板空氣孔結(jié)構(gòu)，上下兩個(gè)光子晶體波導(dǎo)是通過沿著rK方向各去除一排光子晶體空氣孔實(shí)現(xiàn)的，上下兩個(gè)波導(dǎo)的橫向間隔為3個(gè)晶格周期。所述三角晶格光子晶體空氣孔薄板采用的材料為硅。其中，三角晶格光子晶體薄板空氣孔的晶格周期a = 243. 5nm,空氣孔的半徑r/a = 0. 32，三角晶格光子晶體薄板空氣孔厚度h = 250nm。光子晶體波導(dǎo)AC，BD, A1C1, B1D1是通過沿著rK方向去除一排光子晶體空氣孔實(shí)現(xiàn)的，光子晶體波導(dǎo)CD，C1D1是通過沿著rx方向去除一排光子晶體空氣孔實(shí)現(xiàn)的。波導(dǎo)⑶和C1D1的橫向間隔為3個(gè)晶格周期。所述漸變耦合波導(dǎo)的窄端為晶格周期a，寬口端為3#&漸變耦合波導(dǎo)垂直方向的高度為52a。所述漸變耦合波導(dǎo)的窄口端和寬口端能夠根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
所述彎折波導(dǎo)被去掉了其角上的一個(gè)三角形區(qū)域，使得彎折連接處相對更加平坦，減小了彎折處的變化曲率，提高了傳輸?shù)男省Ｋ鰪澱鄄▽?dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠根據(jù)具體設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。圖2給出光在光子晶體定向耦合器中傳播的光學(xué)特性。波導(dǎo)AlCl為入射波導(dǎo)，在輸出端口 B，BI分別檢測輸出光功率，測得端口 B和BI的輸出功率分別為48. 04%和47. 96%。圖3給出光在楔形耦合波導(dǎo)與光子晶體定向耦合器中傳播的光學(xué)特性。波導(dǎo)E1A1為入射波導(dǎo)，在輸出端口 B，B1分別檢測輸出光功率，測得端口 B和B1的輸出功率分別為 20. 56% 和 20. 52%。圖4光在彎折波導(dǎo)中傳播的光學(xué)特性。測得硅波導(dǎo)的彎折效率為83. 68%。圖5光在用于量子信息科學(xué)應(yīng)用的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器中的整體效果。在輸出端口分別檢測得到輸出光效率為17. 86%和17.83%。圖6為了更清晰地表征用于量子芯片的光子晶體各組成部分的傳輸效率，給出了各個(gè)單元的傳輸效率、單元之間的傳輸效率，以及總的傳輸效果。可以看到，我們設(shè)計(jì)的用于量子芯片的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器完美的實(shí)現(xiàn)了 50/50的分束效果，為光子晶體在量子芯片的應(yīng)用做了理論上的驗(yàn)證。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種光子晶體定向稱合波導(dǎo)分束器，其特征在于，包括 光子晶體波導(dǎo)耦合分束器，用于實(shí)現(xiàn)光的50/50分束； 漸變耦合波導(dǎo)，用于實(shí)現(xiàn)輸入波導(dǎo)和光子晶體波導(dǎo)耦合分束器之間的高效耦合；以及 彎折波導(dǎo)，用于實(shí)現(xiàn)橫向輸入波導(dǎo)和斜向輸入波導(dǎo)之間的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，其特征在于，所述光子晶體波導(dǎo)耦合分束器是基于三角晶格光子晶體薄板空氣孔結(jié)構(gòu)，上下兩個(gè)光子晶體波導(dǎo)是通過沿著ΓΚ方向各去除ー排光子晶體空氣孔實(shí)現(xiàn)的，上下兩個(gè)波導(dǎo)的橫向間隔為3個(gè)晶格周期。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，其特征在于，所述三角晶格光子晶體空氣孔薄板采用的材料為硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，其特征在于，所述漸變耦合波導(dǎo)的窄端為a，寬ロ端為3# ，漸變耦合波導(dǎo)垂直方向的高度為52a，a為晶格周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，其特征在于，所述漸變耦合波導(dǎo)的窄ロ端和寬ロ端能夠根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，其特征在于，所述彎折波導(dǎo)被去掉了其角上的ー個(gè)三角形區(qū)域，使得彎折連接處相對更加平坦，減小了彎折處的變化曲率，提高了傳輸?shù)男省?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，其特征在于，所述彎折波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠根據(jù)具體設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光子晶體定向耦合波導(dǎo)分束器，包括光子晶體波導(dǎo)耦合分束器，用于實(shí)現(xiàn)光的50/50分束；漸變耦合波導(dǎo)，用于實(shí)現(xiàn)輸入波導(dǎo)和光子晶體波導(dǎo)耦合分束器之間的高效耦合；以及彎折波導(dǎo)，用于實(shí)現(xiàn)橫向輸入波導(dǎo)和斜向輸入波導(dǎo)之間的連接。本發(fā)明利用在光子晶體上下波導(dǎo)之間的定向耦合，實(shí)現(xiàn)光分束這一特性，以及對連接斜入射/出射波導(dǎo)和光子晶體定向耦合波導(dǎo)的漸變波導(dǎo)，連接直入射/出射波導(dǎo)和斜入射/出射波導(dǎo)的彎折波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，從而克服了傳統(tǒng)波導(dǎo)面積較大、傳輸效率低、反射較大等問題。
文檔編號(hào)G02B6/125GK102736174SQ20121019294
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者馮志剛, 江斌, 王宇飛, 鄭婉華 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所