任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片及其制造方法
【專利摘要】一種量子光學(xué)檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片及其制造方法，該芯片包括：一條光軸特定的雙折射波導(dǎo)和一個(gè)雙折射波導(dǎo)定向耦合器，其中：光軸特定的雙折射波導(dǎo)在所述光學(xué)玻璃芯片的一個(gè)端面設(shè)有開(kāi)口，用于接收待投影分離的偏振態(tài)，該波導(dǎo)的另一端與雙折射波導(dǎo)定向耦合器相連。本發(fā)明在超快激光直寫(xiě)式制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用激光光束傾斜直寫(xiě)的辦法，在透明硬質(zhì)材料中制造由偏振態(tài)變換元件和偏振態(tài)分離元件組成的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)波片和偏振分束器的微型化、可集成化，避免了其在宏觀光路中的連接誤差、接入損耗及接口噪聲等問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，并且使制造成本和周期大大降低。
【專利說(shuō)明】任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種量子光學(xué)檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】的元件及其制造方法，具體是一種基于雙折射波導(dǎo)，具有光學(xué)波片功能和偏振分束功能，可對(duì)任意偏振態(tài)量子比特進(jìn)行投影分離的量子光學(xué)芯片及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的信息技術(shù)中，信息是以二進(jìn)制的形式傳遞的，即所有信息都是由O和I組成的或長(zhǎng)或短的字符串，其中每一個(gè)O或I這樣的單元被叫做比特(bit)，而每一個(gè)比特只能是O或者I。與傳統(tǒng)信息技術(shù)一樣，量子信息技術(shù)也使用二進(jìn)制來(lái)編碼以傳遞信息，編碼信息的最小單元叫做量子比特(qubit，即quantum bit的縮寫(xiě))，所不同的是量子比特除了可以是O或I以外，還可以是這兩個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)。由于與環(huán)境的相互作用較好控制與調(diào)制，而且以光子為探測(cè)分析對(duì)象的儀器設(shè)備發(fā)展較為成熟，所以光子通常被當(dāng)做量子信息技術(shù)的信息載體。因?yàn)橐M(jìn)行二進(jìn)制編碼，所以只要找到光子的一組雙級(jí)屬性并將兩級(jí)分別賦值為O和I即可。光子的一個(gè)最顯著的特性就是它的偏振性，穩(wěn)定且區(qū)別性強(qiáng)，所以通常利用光子的不同偏振狀態(tài)，如一對(duì)正交的線偏振態(tài)，來(lái)作為量子比特值O或I的物理實(shí)現(xiàn)，形成偏振態(tài)量子比特。
[0003]對(duì)偏振態(tài)量子比特的操控主要是改變其偏振狀態(tài)(對(duì)于線偏振光主要指偏振方向)，使其轉(zhuǎn)變成某一特定偏振狀態(tài)的光子。宏觀光學(xué)領(lǐng)域主要是采用光學(xué)波片(opticalwaveplate),如半波片(halfwaveplate)、四分之一波片(quarterwaveplate)及其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，原理是改變波片光軸方向的偏振分量和與之垂直的偏振分量之間的位相差。半波片造成的位相差改變?yōu)閚，可改變線偏振光的偏振方向；而四分之一波片造成的位相差改變?yōu)棣?2，可將線偏振光轉(zhuǎn)變成圓偏振光(更普遍的說(shuō)是橢圓偏振光)或做相反的操作。因此，波片可作為偏振控制器(polarization controller),用來(lái)補(bǔ)償光信號(hào)在介質(zhì)中傳播后產(chǎn)生的偏振狀態(tài)的改變。比如在光纖中，光信號(hào)可能因幾何位相(如光纖關(guān)于光軸的扭曲)、雙折射、偏振模式色散、與偏振狀態(tài)相關(guān)的損耗等因素發(fā)生偏振狀態(tài)的改變，這對(duì)于使用偏振態(tài)量子比特的量子信息系統(tǒng)來(lái)說(shuō)后果是災(zāi)難性的。為了在需要測(cè)量偏振態(tài)量子比特經(jīng)過(guò)光纖或其他光路介質(zhì)后的偏振態(tài)時(shí)，量子比特的偏振狀態(tài)依然為一對(duì)正交偏振態(tài)，必須對(duì)其已改變的偏振狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0004]在量子比特恢復(fù)為一對(duì)正交偏振態(tài)后，就可以按照偏振特性對(duì)量子比特進(jìn)行分尚并測(cè)量了。因?yàn)闇y(cè)量?jī)x器本身并不能分辨光子的偏振狀態(tài)，所以需要先將具有不同偏振狀態(tài)的光子分成兩路，在終端放置測(cè)量?jī)x器，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)光子偏振狀態(tài)的測(cè)量，因此這一依據(jù)偏振狀態(tài)來(lái)分離光子的器件就顯得十分重要。宏觀光學(xué)通常使用偏振分束器(PolarizingBeam Splitter,簡(jiǎn)稱PBS)來(lái)作為偏振態(tài)量子比特的分尚器件。
[0005]超快激光直寫(xiě)式制造技術(shù):超快激光是脈沖持續(xù)時(shí)間小于I皮秒的脈沖激光，在如此短的脈沖持續(xù)時(shí)間下，瞬時(shí)能流變得非常巨大，許多非線性光學(xué)現(xiàn)象得以發(fā)生。光子的能量只與其波長(zhǎng)有關(guān)。在弱光情況下，要想使物質(zhì)分子吸收光子而發(fā)生物性的改變，光子能量就必須高于吸收的閾值；但在光強(qiáng)極強(qiáng)的情況下，雖然單光子的能量無(wú)法達(dá)到閾值，但是因?yàn)楣鈭?chǎng)中有極多的光子，物質(zhì)分子同時(shí)遇到兩個(gè)或以上光子的概率極大增加，而其總能量達(dá)到或超過(guò)吸收閾值，這使吸收成為可能。物質(zhì)對(duì)光子的非線性吸收的條件極為苛刻，通常需要對(duì)超快激光進(jìn)行聚焦，在激光的焦點(diǎn)處才有滿足非線性吸收的足夠強(qiáng)的光場(chǎng)。然而這一苛刻的要求正是這種基于非線性光學(xué)現(xiàn)象的加工手段的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。當(dāng)聚焦長(zhǎng)波長(zhǎng)激光時(shí)，在聚焦的路徑上因?yàn)楣鈴?qiáng)過(guò)小，物質(zhì)不會(huì)吸收光子發(fā)生物性變化，只有在焦點(diǎn)處光強(qiáng)達(dá)到能使非線性吸收發(fā)生的區(qū)域，才能發(fā)生物質(zhì)對(duì)光子的吸收。這使得這種加工手段可以在不損傷材料表面的情況下對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行選擇性的修飾，制造任意形狀的三維結(jié)構(gòu)。另一方面，因?yàn)榘l(fā)生非線性吸收需要光強(qiáng)達(dá)到一定閾值，這一閾值的等光強(qiáng)面是一個(gè)橢球面，在橢球面上及其內(nèi)部，非線性吸收可以發(fā)生，所以我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)聚焦前激光的光強(qiáng)來(lái)改變這一橢球區(qū)域的大小，通過(guò)降低光強(qiáng)甚至可以讓其小于衍射極限，這又為超快激光的直寫(xiě)式加工帶來(lái)了極高的加工精度。超快激光對(duì)三維物體的加工就是將物性經(jīng)曝光發(fā)生改變的橢球微點(diǎn)逐漸堆積起來(lái)形成所要得到的三維目標(biāo)物。這一過(guò)程正是微積分的原理，即將三維物體“微分”成曝光區(qū)域大小的點(diǎn)的集合或粗細(xì)與這樣的點(diǎn)大小相仿的線的集合，通過(guò)讓焦點(diǎn)在這個(gè)點(diǎn)陣或線陣中進(jìn)行逐點(diǎn)逐線的曝光，逐步將物性發(fā)生改變的單元“積分”成期望得到的三維物體(如圖1)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]光子的偏振態(tài)是量子計(jì)算及量子信息處理中非常重要且最為常用的量子比特編碼手段。采用此手段的量子信息處理目前主要依靠由宏觀光學(xué)元件(如光纖、分束器、波片、偏振分束器)所組成的光學(xué)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管宏觀光學(xué)元件本身的制造技術(shù)成熟，性能可靠，但是由于需要相互連接，裝置不可避免的存在連接誤差、接入損耗、以及接口噪聲等各種影響整體穩(wěn)定性、可靠性的因素；同時(shí)還存在系統(tǒng)復(fù)雜、笨重，難以小型化、便攜化及大規(guī)模集成，成本高、搭建周期長(zhǎng)、不利實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用等缺點(diǎn)。用超快激光直寫(xiě)技術(shù)來(lái)一次成型地制造集成有光子學(xué)元件的量子光學(xué)芯片是對(duì)以上技術(shù)缺點(diǎn)的解決辦法。另一方面，在量子計(jì)算及量子信息處理中，只需要兩種基本的線性邏輯門(mén)就能實(shí)施對(duì)量子比特的任意操作，實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算，它們分別為雙量子比特門(mén)(如受控非門(mén)controlledNOT - gate)及單量子比特旋轉(zhuǎn)門(mén)。在以偏振態(tài)來(lái)編碼光子形成量子比特的量子信息處理光學(xué)回路中，對(duì)量子比特的操作通常是由波片組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是波片較難集成在量子光學(xué)芯片上。同樣，對(duì)于用作正交偏振態(tài)分離的普通偏振分束器也無(wú)法有效集成到量子光學(xué)芯片中。
[0007]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片及其制造方法，在超快激光直寫(xiě)式制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用激光光束傾斜直寫(xiě)的辦法，在透明硬質(zhì)材料中制造由偏振態(tài)變換元件和偏振態(tài)分離元件組成的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，這不僅完善了偏振編碼量子光學(xué)芯片技術(shù)，使其有了與宏觀光學(xué)中的波片和偏振分束器功能對(duì)應(yīng)的光子學(xué)元件，而且實(shí)現(xiàn)了光學(xué)波片的微型化、可集成化，避免了其在宏觀光路中的連接誤差、接入損耗及接口噪聲等問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，并且使制造成本和周期大大降低。
[0008]本發(fā)明采用超快激光直寫(xiě)式制造技術(shù)，通過(guò)改變激光光束直寫(xiě)角度的方法來(lái)制造由雙折射波導(dǎo)構(gòu)成的偏振態(tài)量子比特投影分離芯片。以超快激光直寫(xiě)技術(shù)制造出來(lái)的波導(dǎo)具有微小的雙折射性質(zhì)，這使它們支持具有不同傳播常數(shù)的兩種正交偏振狀態(tài)光波的傳導(dǎo)。通過(guò)選取雙折射波導(dǎo)的雙折射光軸取向可以改變偏振方向，這樣雙折射波導(dǎo)就具有了波片功能。而因?yàn)殡p折射光軸總是與直寫(xiě)激光的光軸重合，所以可以通過(guò)改變直寫(xiě)激光的角度來(lái)制造具有特定雙折射光軸的波導(dǎo)(如圖2所示)。改變激光的寫(xiě)入角度有至少三種方式:一、通過(guò)空間光波調(diào)制器(Spatial Light Modulator,簡(jiǎn)稱SLM)對(duì)激光在入射前的位相及振幅進(jìn)行調(diào)制，從而在聚焦焦點(diǎn)上改變光束的寫(xiě)入方向；二、通過(guò)寬縫遮擋部分激光，讓剩下的光束入射在聚焦物鏡入瞳偏離中心的位置，從而改變聚焦后的傳播方向；三、通過(guò)長(zhǎng)焦距透鏡改變光束的入射位置，即在聚焦物鏡前放置一塊光軸同光束和物鏡的對(duì)稱軸平行但有一定偏移距離的長(zhǎng)焦距物鏡，使激光光束離軸入射在物鏡入瞳上，被物鏡聚焦后將產(chǎn)生一束與物鏡光軸呈一定角度的光束，通過(guò)調(diào)節(jié)長(zhǎng)焦距透鏡的偏移距離可對(duì)這一角度進(jìn)行控制。
[0009]除了雙折射光軸的取向，波片功能的實(shí)現(xiàn)還與其能夠引進(jìn)的位相差有關(guān)，而在具有波片功能的雙折射波導(dǎo)中，偏振分量之間積累的最大位相差是與波導(dǎo)的長(zhǎng)度有關(guān)的。圖3所示為正交偏振分量之間的位相差與雙折射波導(dǎo)長(zhǎng)度的模擬關(guān)系曲線(這里波導(dǎo)材料以硼硅酸玻璃為例)。如圖所示他們的關(guān)系呈線性，當(dāng)雙折射波導(dǎo)的長(zhǎng)度為9毫米時(shí)，位相差為η/2，此時(shí)該波導(dǎo)具有宏觀光學(xué)四分之一波片的性質(zhì)；當(dāng)波導(dǎo)長(zhǎng)度為18毫米時(shí)，兩正交分量的位相差為η，此時(shí)波導(dǎo)具有半波片的性質(zhì)。這樣，這種基于雙折射波導(dǎo)的光學(xué)元件就完全具備了光學(xué)波片的兩個(gè)可調(diào)控的基本要素一光軸取向、偏振分量位相差，成為在芯片光路中可替代宏觀光學(xué)波片的可集成類波片元件。此外，宏觀光學(xué)波片通常只有四分之一波片和半波片可供選擇，要想將任意偏振態(tài)變換成特定正交偏振態(tài)需要搭配使用一塊四分之一波片和一塊半波片，而本發(fā)明所述的類波片波導(dǎo)在制造時(shí)可任意選擇雙折射光軸的取向和位相延遲值，因而可將需要由幾個(gè)波片組合才能實(shí)現(xiàn)的變換用一條光軸取向和位相差特定的雙折射波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0010]本發(fā)明采用超快激光直寫(xiě)出的帶有雙折射性質(zhì)的波導(dǎo)定向耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同偏振態(tài)量子比特的分離。雙折射波導(dǎo)定向耦合器由兩條雙折射波導(dǎo)構(gòu)成(如圖4)，光束從一端進(jìn)入，在經(jīng)過(guò)耦合區(qū)域時(shí)進(jìn)入另一條波導(dǎo)或沿原波導(dǎo)傳播。進(jìn)入另一波導(dǎo)的光占全部光的比例叫做透射率。透射率同兩波導(dǎo)之間的距離和耦合長(zhǎng)度有關(guān)。對(duì)普通波導(dǎo)定向耦合器來(lái)說(shuō)，當(dāng)距離一定時(shí)，透射率同耦合長(zhǎng)度呈現(xiàn)一種正弦曲線式的震蕩關(guān)系；而當(dāng)參與耦合的波導(dǎo)本身具有雙折射性質(zhì)時(shí)，這一震蕩曲線會(huì)因偏振態(tài)不同而變?yōu)閮蓷l，如圖5是雙折射波導(dǎo)定向耦合器透射率對(duì)耦合長(zhǎng)度的關(guān)系曲線模擬圖(這里波導(dǎo)材料以硼硅酸玻璃為例，兩條波導(dǎo)性質(zhì)完全一樣，其在耦合區(qū)間的間距設(shè)為7微米)。從圖5可以看出，當(dāng)耦合長(zhǎng)度為O時(shí)，兩種偏振態(tài)的透射率都為0，一條波導(dǎo)中無(wú)論哪種偏振態(tài)的光都不會(huì)耦合進(jìn)另一條波導(dǎo)中，隨著耦合長(zhǎng)度的增大，兩種偏振狀態(tài)震蕩曲線的分離越來(lái)越顯著，當(dāng)耦合長(zhǎng)度達(dá)到13.36毫米時(shí)(如圖5虛線位置)，水平偏振態(tài)震蕩曲線的波峰(透射率近乎100%)幾乎正好位于豎直偏振態(tài)震蕩曲線的波谷位置(透射率為O)，即此時(shí)在一條波導(dǎo)中傳輸?shù)乃狡穹较虻墓鈺?huì)幾乎完全耦合進(jìn)另一條波導(dǎo)，而豎直偏振方向的光完全不會(huì)發(fā)生耦合。這樣，雙折射波導(dǎo)定向稱合器實(shí)際上就構(gòu)成了一種偏振分束器，與普通的宏觀光學(xué)中的塊狀的偏振分束器不同，它可集成在量子光學(xué)芯片當(dāng)中和其它光學(xué)組件一起被一體化制造出來(lái)。[0011]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0012]本發(fā)明涉及一種任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，具體為長(zhǎng)方形薄片結(jié)構(gòu)的光學(xué)玻璃芯片，包括:一條光軸特定的雙折射波導(dǎo)和一個(gè)雙折射波導(dǎo)定向耦合器，其中:光軸特定的雙折射波導(dǎo)在所述光學(xué)玻璃芯片的一個(gè)端面設(shè)有開(kāi)口，用于接收待投影分離的偏振態(tài)，其另一端與雙折射波導(dǎo)定向耦合器相連。
[0013]所述的光軸特定的雙折射波導(dǎo)的雙折射光軸重合或傾斜于芯片法線，可將任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為一對(duì)特定正交方向上的線偏振態(tài)。
[0014]所述的光軸特定的雙折射波導(dǎo)優(yōu)選為波片實(shí)現(xiàn)。
[0015]所述的光軸特定的雙折射波導(dǎo)的雙折射光軸依據(jù)所要轉(zhuǎn)換的偏振態(tài)以一定角度傾斜于芯片法線；波導(dǎo)的長(zhǎng)度也視所要轉(zhuǎn)換的偏振態(tài)而定。
[0016]所述的雙折射波導(dǎo)定向耦合器實(shí)現(xiàn)偏振分束，由兩條帶有雙折射性質(zhì)的相互耦合的波導(dǎo)構(gòu)成，其中:第一和第二耦合波導(dǎo)在位于所述的光學(xué)玻璃芯片的端面上均設(shè)有開(kāi)口，第一耦合波導(dǎo)的另一端與光軸特定的雙折射波導(dǎo)相連，第二耦合波導(dǎo)的另一端為盲端(如圖6所示)。
[0017]所述的第一和第二耦合波導(dǎo)在耦合區(qū)域內(nèi)相互平行，在耦合區(qū)域末端開(kāi)始逐漸分離，在距離芯片端面幾個(gè)毫米時(shí)恢復(fù)平行，具體值視應(yīng)用需要而定。
[0018]經(jīng)雙折射波導(dǎo)而轉(zhuǎn)換為一對(duì)特定正交方向上的線偏振態(tài)經(jīng)過(guò)耦合區(qū)域后，按照其偏振方向進(jìn)入第二耦合波導(dǎo)傳播或繼續(xù)沿第一耦合波導(dǎo)傳播最后從相應(yīng)出口出射，即某一方向的線偏振態(tài)與其正交方向的線偏振態(tài)分尚，至此該芯片完成任意偏振態(tài)量子比特投影分離的功能。
[0019]本發(fā)明涉及上述芯片的制造`方法，即采用超快激光直寫(xiě)式制造技術(shù)，通過(guò)改變激光寫(xiě)入角度和長(zhǎng)度來(lái)制造作為芯片功能單元，光軸特定的雙折射波導(dǎo)，具體步驟如下:
[0020]I)測(cè)定待轉(zhuǎn)換偏振態(tài)在一對(duì)正交方向上的偏振分量振幅Al、A2的比值r=Al/A2以及偏振分量間的位相差δ。
[0021]2)根據(jù)待轉(zhuǎn)換偏振態(tài)的波長(zhǎng)λ、雙折射率b,以及公式
Θ = ItaiT1 (rcos5±V(rcos5)2 + ?)(, L = ^orr1 (||蓋—,計(jì)算得到直寫(xiě)雙折射波導(dǎo)
時(shí)激光的光軸與芯片法線之間的角度Θ (OS Θ <90° )以及雙折射波導(dǎo)的長(zhǎng)度L。耦合間距d在1- 20微米內(nèi)選擇，過(guò)小會(huì)超出制造技術(shù)的加工能力，過(guò)大則耦合效率太低，耦合區(qū)域太長(zhǎng)。通過(guò)商業(yè)化光學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算，可得與耦合間距d對(duì)應(yīng)的耦合區(qū)域長(zhǎng)度I。耦合區(qū)域的長(zhǎng)度取透射率第一次達(dá)到極大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度。
[0022]步驟2)中，通過(guò)商業(yè)化光學(xué)計(jì)算軟件(如Rsoft、OptiWave等)計(jì)算I禹合區(qū)域長(zhǎng)度I所需參數(shù)具體包括以下已知參數(shù):波導(dǎo)材料基底折射率η、兩種正交偏振光在波導(dǎo)芯層的折射率η。和ne，待耦合分束的光波波長(zhǎng)λ，以及耦合間距d。將以上參數(shù)輸入軟件計(jì)算后可得耦合區(qū)域長(zhǎng)度I。
[0023]步驟2)中，為防止激光焦點(diǎn)在芯片端面時(shí)形狀發(fā)生變化導(dǎo)致寫(xiě)入的波導(dǎo)開(kāi)口變形，雙折射波導(dǎo)的長(zhǎng)度預(yù)留AL以供加工完成后磨掉暴露出波導(dǎo)，故雙折射波導(dǎo)的實(shí)際寫(xiě)入長(zhǎng)度為L(zhǎng)’ =L+AL, Λ L為幾百微米至幾毫米，具體值視應(yīng)用需要而定。
[0024]步驟2)中，第一和第二耦合波導(dǎo)在重新平行的區(qū)域磨掉長(zhǎng)度為幾百微米至幾毫米，具體值視應(yīng)用需要而定，但不應(yīng)超過(guò)上述重新平行區(qū)域的長(zhǎng)度，以保證波導(dǎo)垂直開(kāi)口于芯片端面。
[0025]3)根據(jù)步驟2)得到的Θ、L’、d、I參數(shù)生成所述光學(xué)玻璃芯片的CAD模型，并根據(jù)模型選擇芯片尺寸；然后將CAD模型轉(zhuǎn)換為可供超快激光直寫(xiě)掃描的線段集合文件，并設(shè)定加工參數(shù)；最后啟動(dòng)加工程序，使激光焦點(diǎn)開(kāi)始沿線段掃描。
[0026]4)掃描完成后，磨去芯片兩端AL長(zhǎng)度，使波導(dǎo)開(kāi)口于芯片端面。
[0027]5)研磨完成后，對(duì)芯片進(jìn)行通光測(cè)試，檢測(cè)芯片是否達(dá)到功能要求以及損耗是否在允許值以下。是則芯片制造完成；否則調(diào)整加工參數(shù)并重新進(jìn)行掃描。
[0028]所述的加工參數(shù)包括但不限于激光單脈沖能量、脈沖重復(fù)頻率、掃描速度、直寫(xiě)光束與芯片法線的角度等；聚焦后的激光光束與芯片法線所成角度通過(guò)空間光波調(diào)制器(SLM)、或物鏡前置透鏡、或?qū)捒p等方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。
技術(shù)效果
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括:
[0030]I)上述芯片實(shí)現(xiàn)了偏振態(tài)量子比特投影分離裝置的微型化，將需要在實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺(tái)上搭建的裝置光路集成到一塊芯片上，占用空間和重量減小多個(gè)數(shù)量級(jí)；同時(shí)節(jié)省了裝置搭建器材，降低了裝置制造成本。
[0031]2)上述芯片制造工藝建立在超快激光直與式制造技術(shù)基礎(chǔ)之上，利用了超快激光在玻璃材料中直寫(xiě)帶來(lái)的雙折射現(xiàn)象，創(chuàng)新性的采用了激光光束傾斜直寫(xiě)的方式來(lái)制造雙折射光軸可調(diào)控的波導(dǎo)，解決了宏觀光學(xué)波片難以芯片化的問(wèn)題；同時(shí)讓芯片化的“波片”具有極高的設(shè)計(jì)自由度，簡(jiǎn)化了偏振態(tài)變換裝置。此外，利用基于雙折射波導(dǎo)的定向耦合器解決了宏觀偏振分束器芯片化的問(wèn)題。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1為超快激光直寫(xiě)式制造技術(shù)示意圖。
[0033]圖2為寫(xiě)入方向豎直(左)與傾斜(右)的波導(dǎo)直寫(xiě)截面示意圖。
[0034]圖3雙折射波導(dǎo)長(zhǎng)度與正交分量位相差關(guān)系曲線示意圖；
[0035]圖中:位相差為π/2和π時(shí)的長(zhǎng)度分別為9暈米和18暈米,對(duì)應(yīng)于四分之一波片和半波片的功能。
[0036]圖4為雙折射波導(dǎo)定向耦合器示意圖。
[0037]圖5為水平偏振與垂直偏振的稱合震蕩曲線不意圖；
[0038]圖中:水平與垂直偏振透射率差值第一個(gè)極大值處位于13.36毫米處。
[0039]圖6為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖7為本發(fā)明的超快激光直寫(xiě)式制造流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1[0042]本實(shí)施例的操作環(huán)境為:超快激光直寫(xiě)式加工系統(tǒng)，采用的芯片材料為硼硅酸鹽玻璃，待轉(zhuǎn)換偏振態(tài)量子比特的光子波長(zhǎng)為810納米。
[0043]如圖6所示，為本實(shí)施例涉及的長(zhǎng)方形薄片結(jié)構(gòu)的光學(xué)玻璃芯片1，包括:一條光軸特定的雙折射波導(dǎo)2和一個(gè)雙折射波導(dǎo)定向耦合器3，其中:光軸特定的雙折射波導(dǎo)2在所述光學(xué)玻璃芯片I的一個(gè)端面設(shè)有開(kāi)口 4，用于接收待投影分離的偏振態(tài)，其另一端與雙折射波導(dǎo)定向耦合器3相連。
[0044]所述的光軸特定的雙折射波導(dǎo)2的長(zhǎng)度L為7.825毫米。
[0045]所述的雙折射波導(dǎo)定向耦合器3由兩條帶有雙折射性質(zhì)的相互耦合的波導(dǎo)6、7構(gòu)成，其中:第一和第二耦合波導(dǎo)6、7在位于所述的光學(xué)玻璃芯片的端面上均設(shè)有開(kāi)口 8，第一耦合波導(dǎo)6的另一端與光軸特定的雙折射波導(dǎo)2相連，第二耦合波導(dǎo)7的另一端為盲端5。
[0046]所述的第一耦合波導(dǎo)6與第二耦合波導(dǎo)7在耦合區(qū)域的間距d為7微米，耦合區(qū)域長(zhǎng)度I為13.36暈米。
[0047]本實(shí)施例的通過(guò)以下操作步驟實(shí)現(xiàn)上述芯片的制造:
[0048]I)使用示波器測(cè)得待轉(zhuǎn)換偏振態(tài)量子比特在豎直和水平方向的偏振分量的振幅比r=AV/AH=4/7,兩分量間的位相差為δ =2 Ji /5
[0049]2)根據(jù)
【權(quán)利要求】
1.一種任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征在于，所述元件為長(zhǎng)方形薄片結(jié)構(gòu)的光學(xué)玻璃芯片，包括:一條光軸特定的雙折射波導(dǎo)和一個(gè)雙折射波導(dǎo)定向耦合器，其中:光軸特定的雙折射波導(dǎo)在所述光學(xué)玻璃芯片的一個(gè)端面設(shè)有開(kāi)口，用于接收待投影分離的偏振態(tài)，其另一端與雙折射波導(dǎo)定向耦合器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征是，所述的光軸特定的雙折射光軸重合或傾斜于芯片法線，將任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為一對(duì)特定正交方向上的線偏振態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征是，所述的光軸特定的雙折射波導(dǎo)通過(guò)波片實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征是，所述的雙折射波導(dǎo)定向耦合器實(shí)現(xiàn)偏振分束，由兩條帶有雙折射性質(zhì)的耦合波導(dǎo)構(gòu)成，其中:第一和第二耦合波導(dǎo)在位于所述的光學(xué)玻璃芯片的端面上均設(shè)有開(kāi)口，第一耦合波導(dǎo)的另一端與光軸特定的雙折射波導(dǎo)相連，第二耦合波導(dǎo)的另一端為盲端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征是，所述的第一和第二耦合波導(dǎo)在耦合區(qū)域內(nèi)相互平行，在耦合區(qū)域末端開(kāi)始逐漸分離，在接近芯片端面時(shí)恢復(fù)平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片，其特征是，所述的偏振分束是指:經(jīng)雙折射波導(dǎo)而轉(zhuǎn)換為一對(duì)特定正交方向上的線偏振態(tài)經(jīng)過(guò)耦合區(qū)域后，按照其偏振方向進(jìn)入第二耦合波導(dǎo)傳播或繼續(xù)沿第一耦合波導(dǎo)傳播最后從相應(yīng)出口出射，完成某一方向的線偏振態(tài)與其正交方向的線偏振態(tài)分尚。
7.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的任意偏振態(tài)量子比特投影分離芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)測(cè)定待轉(zhuǎn)換偏振態(tài)在一對(duì)正交方向上的偏振分量振幅ApA2的比值F=A1A2以及偏振分量間的位相差δ ； 2)根據(jù)待轉(zhuǎn)換偏振態(tài)的波長(zhǎng)λ、雙折射率b,以及公式

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是，步驟2)中，耦合區(qū)域長(zhǎng)度I計(jì)算所需參數(shù)包括:波導(dǎo)材料基底折射率η、兩種正交偏振光在波導(dǎo)芯層的折射率η。和，待耦合分束的光波波長(zhǎng)λ，以及耦合間距d。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是，步驟2)中，為防止激光焦點(diǎn)在芯片端面時(shí)形狀發(fā)生變化導(dǎo)致波導(dǎo)開(kāi)口變形，雙折射波導(dǎo)的長(zhǎng)度預(yù)留AL以供加工完成后磨掉以暴露出波導(dǎo)，故雙折射波導(dǎo)的實(shí)際寫(xiě)入長(zhǎng)度為L(zhǎng)’ =L+AL。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征是，步驟2)中，預(yù)留AL的長(zhǎng)度不超過(guò)所述恢復(fù)平行的區(qū)域的長(zhǎng)度，以保證波導(dǎo)垂直開(kāi)口于芯片端面。
【文檔編號(hào)】G02B6/27GK103885123SQ201410151643
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】金賢敏, 林曉鋒, 高俊, 嵇玲, 馮振 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)