本發(fā)明屬于集成光學(xué)領(lǐng)域，進(jìn)一步涉及一種偏振轉(zhuǎn)換器，以及偏振轉(zhuǎn)換方法，還涉及包含該偏振轉(zhuǎn)換器的泡利(pauli)x門。

背景技術(shù)：

在過去，人們已經(jīng)提出了很多的偏振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方案，大概可以歸為三類。

最常見的是令波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，于是水平偏振模式與豎直偏振模式之間便會(huì)發(fā)生耦合，從而實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換。比如，三角形和“l(fā)”型的波導(dǎo)，它們的器件尺寸可以很小(長度可達(dá)2μm)，但是其偏振轉(zhuǎn)換效果對(duì)波導(dǎo)加工造成的結(jié)構(gòu)誤差很敏感。也有將波導(dǎo)側(cè)邊傾斜或者用溝槽型的設(shè)計(jì)，這樣的波導(dǎo)其轉(zhuǎn)換效率可以很高，也對(duì)加工誤差有一定的容錯(cuò)率，但是，這種結(jié)構(gòu)加工起來比較復(fù)雜，可變的設(shè)計(jì)參數(shù)也很有限。即使通過提高加工工藝，制作出了損耗低、轉(zhuǎn)化效率高的旋轉(zhuǎn)器，器件尺寸也都比較大?？傊?，上述的偏振轉(zhuǎn)換器普遍存在著對(duì)加工精度要求很高，且工作帶寬比較窄的問題。

還有一類器件，常常依賴于模式的演化，通過令波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)慢慢變化，從而將光子的偏振態(tài)慢慢轉(zhuǎn)換。這種器件的工作帶寬很寬，對(duì)于涉及脈沖激光的應(yīng)用大有好處。但是，它們通常只對(duì)特定偏振有效，如只能實(shí)現(xiàn)水平偏振向豎直偏振的轉(zhuǎn)換，而豎直偏振無法轉(zhuǎn)變到水平偏振，這樣的單向轉(zhuǎn)化是無法用于量子信息處理的。

除此之外，還有一類偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器件借助于表面等離激元，因?yàn)楸砻娴入x激元對(duì)光子的偏振態(tài)具有選擇性。這種混合型旋轉(zhuǎn)器可以做到很小(如幾微米)，可惜金屬的吸收導(dǎo)致器件的損耗比較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種偏振轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換方法及泡利x門，以至少部分解決以上所述的問題。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種信號(hào)波導(dǎo)，用于傳輸水平偏振模式或垂直偏振模式信號(hào)，并且該信號(hào)波導(dǎo)在與沿信號(hào)傳輸方向垂直截面上的寬度呈連續(xù)性變化；以及輔助波導(dǎo)，與所述信號(hào)波導(dǎo)間隔設(shè)置，用于傳輸傾斜偏振的調(diào)節(jié)信號(hào)，使信號(hào)波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)偏振發(fā)生偏轉(zhuǎn)；其中，所述輔助波導(dǎo)與所述信號(hào)波導(dǎo)之間的間隔值沿信號(hào)傳輸方向呈連續(xù)性曲線變化。

進(jìn)一步的，該信號(hào)波導(dǎo)在與沿信號(hào)傳輸方向垂直截面上的寬度w滿足絕熱變化條件：

|g|²＞＞|d(δn·k0)/dz|

其中，g為信號(hào)波導(dǎo)與輔助波導(dǎo)耦合強(qiáng)度；δn為模式信號(hào)沿信號(hào)傳輸方向的折射率差，k0為傳播常數(shù)，z為信號(hào)傳播方向的坐標(biāo)，且|d(δn·k0)/dz|∞|dw/dz|。

進(jìn)一步的，所述連續(xù)性曲線為圓弧、拋物線或者雙曲線。

進(jìn)一步的，所述輔助波導(dǎo)沿信號(hào)傳輸方向的垂直截面具有一缺角。

進(jìn)一步的，所述水平偏振模式或垂直偏振模式的有效折射率與所述寬度為正相關(guān)。

進(jìn)一步的，所述傾斜偏振和水平偏振之間的耦合系數(shù)與所述間隔值為負(fù)相關(guān)；或者所述傾斜偏振和垂直偏振之間的耦合系數(shù)與所述間隔值為負(fù)相關(guān)。

進(jìn)一步的，信號(hào)波導(dǎo)在與沿信號(hào)傳輸方向垂直截面上的寬度w(z)滿足以下公式：

w(z)＝w0+δw(z-δz)/l

其中，l為信號(hào)波導(dǎo)沿信號(hào)傳輸方向的長度，w0為信號(hào)波導(dǎo)在長度一半l/2處的寬度，δw為信號(hào)波導(dǎo)輸入端與輸出端的寬度差，z為信號(hào)傳播方向的坐標(biāo)；設(shè)定坐標(biāo)原點(diǎn)在信號(hào)波導(dǎo)長度的一半處，δz為整個(gè)信號(hào)波導(dǎo)在傳播方向上的位置偏移量。

進(jìn)一步的，所述間隔值d(z)滿足以下公式：

d(z)＝d0+z²/r，

其中，r為連續(xù)性曲線的曲率半徑，d0為信號(hào)波導(dǎo)長度一半l/2處信號(hào)波導(dǎo)與輔助波導(dǎo)間的距離，z為信號(hào)傳播方向的坐標(biāo)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種偏振轉(zhuǎn)換方法，包括：

傳輸水平偏振模式或垂直偏振模式信號(hào)；

傳輸傾斜偏振的調(diào)節(jié)信號(hào)，使水平偏振模式或垂直偏振模式信號(hào)偏振發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種泡利x門，包括以上任意所述的一種偏振轉(zhuǎn)換器，用于將輸入的水平偏振光子轉(zhuǎn)換輸出為垂直偏振光子或者將輸入的垂直偏振光子轉(zhuǎn)換輸出為水平偏振光子，實(shí)現(xiàn)幺正可逆操作。

(三)有益效果

與傳統(tǒng)的偏振轉(zhuǎn)換器相比，本發(fā)明的偏振轉(zhuǎn)換器利用受激拉曼絕熱通道的原理，令波導(dǎo)模式構(gòu)成的三能級(jí)系統(tǒng)沿著本征態(tài)演化，從而實(shí)現(xiàn)99％以上的偏振轉(zhuǎn)化效率，并且由于是絕熱的模式演化，所以器件的轉(zhuǎn)化效率對(duì)于波導(dǎo)的加工誤差有比較高的容錯(cuò)度。

除此之外，更重要的是，本發(fā)明的偏振轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⑷肷涞膆偏振光子轉(zhuǎn)化成v偏振，也能夠?qū)⑷肷涞膙偏振光子轉(zhuǎn)化成h偏振，這樣一個(gè)線性光學(xué)系統(tǒng)的傳輸矩陣可以寫作這正是一個(gè)幺正、可逆的泡利(pauli)x門，對(duì)于未來偏振編碼的量子信息科學(xué)非常重要。

本發(fā)明提出的實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)中的光子偏振相互轉(zhuǎn)化的高效率方法，可以在集成光學(xué)芯片中得到應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的原子三能級(jí)系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的波導(dǎo)三能級(jí)系統(tǒng)示意圖；

圖3a和圖3b分別為本發(fā)明實(shí)施例的令偏振實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的哈密頓量中的δnv、δnh變化情況圖，以及gv、gh的變化情況圖；

圖4a和圖4b分別為本發(fā)明實(shí)施例偏振轉(zhuǎn)換器的由v至h模式和由h至v模式本征態(tài)(“暗態(tài)”)的演化圖；

圖5a和圖5b分別為本發(fā)明實(shí)施例偏振轉(zhuǎn)換器的波導(dǎo)模型的俯視圖和截面圖；

圖6a為本發(fā)明實(shí)施例的哈密頓量與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)w的依賴關(guān)系圖；

圖6b為本發(fā)明實(shí)施例的哈密頓量與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)d的依賴關(guān)系圖；

圖7a為本發(fā)明實(shí)施例的不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)δw下，偏振轉(zhuǎn)化效率與信號(hào)波導(dǎo)長度的依賴關(guān)系圖；

圖7b為本發(fā)明實(shí)施例的不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)r下，偏振轉(zhuǎn)化效率與信號(hào)波導(dǎo)長度的依賴關(guān)系圖；

圖7c為本發(fā)明實(shí)施例的不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)d0下，偏振轉(zhuǎn)化效率與信號(hào)波導(dǎo)長度的依賴關(guān)系圖；

圖7d為本發(fā)明實(shí)施例的不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)δz下，偏振轉(zhuǎn)化效率與信號(hào)波導(dǎo)長度的依賴關(guān)系圖；

圖8a為本發(fā)明實(shí)施例的不同入射波長下，偏振轉(zhuǎn)化效率與偏振轉(zhuǎn)換器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)δw的依賴關(guān)系圖；

圖8b為本發(fā)明實(shí)施例的不同入射波長下，偏振轉(zhuǎn)化效率與偏振轉(zhuǎn)換器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)r的依賴關(guān)系圖；

圖8c為本發(fā)明實(shí)施例的不同入射波長下，偏振轉(zhuǎn)化效率與偏振轉(zhuǎn)換器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)d0的依賴關(guān)系圖；

圖8d為本發(fā)明實(shí)施例的不同入射波長下，偏振轉(zhuǎn)化效率與偏振轉(zhuǎn)換器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)δz的依賴關(guān)系圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例偏振轉(zhuǎn)換器的特定波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)下，偏振轉(zhuǎn)化效率與入射波長的依賴關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明所述的連續(xù)性，是指相應(yīng)參數(shù)的變化非跳躍式的，與數(shù)學(xué)定義中的“連續(xù)性”含義一致。

根據(jù)本發(fā)明的基本構(gòu)思，旨在利用量子光學(xué)中的受激拉曼絕熱通道概念，設(shè)計(jì)集成波導(dǎo)偏振轉(zhuǎn)換器，使水平和豎直偏振的光子在傳輸過程中相互轉(zhuǎn)化。提出了將原子系統(tǒng)中的受激拉曼絕熱通道模型應(yīng)用到波導(dǎo)系統(tǒng)中，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)能夠令偏振發(fā)生偏轉(zhuǎn)的哈密頓量。

受激拉曼絕熱通道是源自于原子系統(tǒng)的概念。如圖1所示，對(duì)于一個(gè)三能級(jí)原子，能級(jí)1、2之間和能級(jí)2、3之間能夠通過電偶極作用發(fā)生躍遷，而能級(jí)1、3之間沒有電偶極作用，不能發(fā)生布居數(shù)轉(zhuǎn)移。假設(shè)初始狀態(tài)下布居數(shù)全部在能級(jí)1上，那么通過施加一個(gè)時(shí)間上的脈沖序列(先打斯托克斯光ωs，再打泵浦光ωp)，就可以將布居數(shù)完全轉(zhuǎn)移至能級(jí)3。

對(duì)于波導(dǎo)系統(tǒng)，如圖2所示，水平h與垂直v偏振模式之間不存在耦合，不能發(fā)生能量交換，如果有一個(gè)傾斜的o模式，既能與h偏振模式耦合，也能與v偏振模式耦合，那么，由h、v、o三個(gè)波導(dǎo)模式構(gòu)成的三能級(jí)系統(tǒng)就類似于上面提到的三能級(jí)原子系統(tǒng)。假設(shè)初始時(shí)能量以h偏振入射，那么通過調(diào)節(jié)h與o之間、v與o之間的耦合強(qiáng)度，就能將光子全部轉(zhuǎn)化成v偏振。同理對(duì)于v偏振入射的光子，也可將其轉(zhuǎn)化成h偏振。

對(duì)于三能級(jí)波導(dǎo)系統(tǒng)，在相互作用表象下，其哈密頓量用矩陣形式可以寫作：

其中，δnv(h)＝nv(h)-no。nv、nh、no分別是v、h、o三個(gè)本征模式的有效折射率，gv、gh分別是v與o之間、h與o之間的耦合強(qiáng)度。

該系統(tǒng)有三個(gè)新的本征態(tài)，均是h、v、o三個(gè)模式的線性疊加，其中一個(gè)本征態(tài)與o模式無關(guān)，稱為“暗態(tài)”，可以表示為：

其中m是一個(gè)與δnv、δnh、gv、gh有關(guān)的系數(shù)。

可以用一個(gè)信號(hào)波導(dǎo)，使它支持h和v兩種模式，再用一個(gè)輔助波導(dǎo)，使它支持o模式。通過設(shè)計(jì)信號(hào)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，可以控制δnv、δnh的變化，再通過調(diào)節(jié)信號(hào)波導(dǎo)與輔助波導(dǎo)之間的距離，如圖3所示，可以控制gv、gh的變化，于是，如圖4所示，便可以調(diào)節(jié)m在0和1之間演化，從而實(shí)現(xiàn)光子偏振在水平和豎直之間相互轉(zhuǎn)化。

本發(fā)明實(shí)施例的一方面，提供一種偏振轉(zhuǎn)換器，包括信號(hào)波導(dǎo)，其用于傳輸水平偏振模式或垂直偏振模式信號(hào)，并且該信號(hào)波導(dǎo)在與沿信號(hào)傳輸方向垂直截面上的寬度呈連續(xù)性變化(例如線性變化)；以及輔助波導(dǎo)，與所述信號(hào)波導(dǎo)間隔設(shè)置，其用于傳輸傾斜偏振的調(diào)節(jié)信號(hào)，使信號(hào)波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)偏振發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其中，所述輔助波導(dǎo)與所述信號(hào)波導(dǎo)之間的間隔值沿信號(hào)傳輸方向呈連續(xù)性曲線變化。

應(yīng)用上述模型，例如用硅基波導(dǎo)設(shè)計(jì)了一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換器(下述參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的說明旨在對(duì)本發(fā)明的總體發(fā)明構(gòu)思進(jìn)行解釋，而不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明的一種限制)。

圖5a給出了偏振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)俯視圖，圖5b為偏振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)截面圖?？梢赃x取信號(hào)波導(dǎo)(左)的截面為矩形(例如高度400nm，寬度w在絕熱變化)，以及輔助波導(dǎo)(右)的截面為角落有一個(gè)缺角的矩形(例如高度400nm，寬度410nm，缺角尺寸250nm×150nm)，兩個(gè)波導(dǎo)間的距離為d。

該信號(hào)波導(dǎo)在與沿信號(hào)傳輸方向垂直截面上的寬度滿足絕熱變化條件：

|g|²＞＞|d(δn·k0)/dz|

其中，g為信號(hào)波導(dǎo)與輔助波導(dǎo)耦合強(qiáng)度；δn為模式信號(hào)沿信號(hào)傳輸方向的折射率差，k0為傳播常數(shù)，z為信號(hào)傳播方向的坐標(biāo)，且|d(δn·k0)/dz|∞|dw/dz|。

其中，d沿信號(hào)傳輸方向(即z軸方向)呈連續(xù)性曲線變化。圖5a中例示的連續(xù)性曲線為曲率半徑r的圓弧線，但連續(xù)性曲線也可以為其他連續(xù)性曲線，比如拋物線、雙曲線或者對(duì)數(shù)曲線。

對(duì)于信號(hào)波導(dǎo)，如圖6a所示，它所支持的v、h兩個(gè)本征模式的有效折射率nv、nh與波導(dǎo)的寬度w有關(guān)，水平偏振模式h或垂直偏振模式v的有效折射率與寬度w為正相關(guān)。

如圖6b所示，v與o模式、h與o模式的耦合系數(shù)gv、gh則依賴于信號(hào)波導(dǎo)和輔助波導(dǎo)之間的距離d，傾斜偏振o和水平偏振h之間的耦合系數(shù)gh與距離d為負(fù)相關(guān)；或者傾斜偏振o和垂直偏振v之間的耦合系數(shù)與距離d為負(fù)相關(guān)。調(diào)節(jié)信號(hào)波導(dǎo)寬度為：

w(z)＝w0+δw(z-δz)/l(1)

其中，l為信號(hào)波導(dǎo)沿信號(hào)傳輸方向的長度，w0為信號(hào)波導(dǎo)在長度一半l/2處的寬度，δw為信號(hào)波導(dǎo)輸入端與輸出端的寬度差，z為信號(hào)傳播方向的坐標(biāo)；設(shè)定坐標(biāo)原點(diǎn)在信號(hào)波導(dǎo)長度的一半處，δz為整個(gè)信號(hào)波導(dǎo)在傳播方向上的位置偏移量。

兩個(gè)波導(dǎo)間距為：

d(z)＝d0+z²/r(2)

其中，r為連續(xù)性曲線的曲率半徑，d0為信號(hào)波導(dǎo)長度一半l/2處信號(hào)波導(dǎo)與輔助波導(dǎo)間的距離，z為信號(hào)傳播方向的坐標(biāo)。

哈密頓量中的δnv、δnh、gv、gh也會(huì)相應(yīng)地變化。參見圖3a-圖3b，以及圖4a-圖4b，例如當(dāng)δw＝0.016μm、d0＝0.03μm、δz＝4.5μm、r＝150²μm、l＝150μm時(shí)，系統(tǒng)在該哈密頓量的作用下，沿著“暗態(tài)”演化，并且系數(shù)m在0和1之間變化，便完成了光子在水平和豎直偏振之間相互轉(zhuǎn)化。

這樣的偏振轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率可以通過求解哈密頓量的演化得到。波導(dǎo)系統(tǒng)的演化遵從薛定諤方程，于是哈密頓量對(duì)系統(tǒng)從0作用到z處的效果表示為其中矩陣元|t13|²、|t31|²便代表了v偏振轉(zhuǎn)化為h偏振的效率ηv→h、h偏振轉(zhuǎn)化為v偏振的效率ηh→v。

定義器件的效果參數(shù)為那么error與波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及長度有關(guān)，如圖7a所示為error在不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)δw下，與信號(hào)波導(dǎo)長度的依賴關(guān)系，其中d0＝0.03μm，δz＝4.5μm，r＝150²μm。如圖7b所示為error在不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)r下，與信號(hào)波導(dǎo)長度的依賴關(guān)系，其中δw＝0.016μm，d0＝0.03μm，δz＝4.5μm。如圖7c為error在不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)d0下，與信號(hào)波導(dǎo)長度的依賴關(guān)系，其中δw＝0.016μm，δz＝4.5μm，r＝150²μm。如7d所示為error在不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)δz下，與信號(hào)波導(dǎo)長度的依賴關(guān)系，其中δw＝0.016μm，d0＝0.03μm，r＝150²μm。

如圖8a所示為error在不同入射波長下，與偏振轉(zhuǎn)換器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)δw的依賴關(guān)系，其中d0＝0.03μm，δz＝4.5μm，r＝150²μm，l＝150μm。如圖8b所示為error在不同入射波長下，與偏振轉(zhuǎn)換器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)r的依賴關(guān)系，其中δw＝0.016μm，d0＝0.03μm，δz＝4.5μm，l＝150μm。如圖8c所示為error在不同入射波長下，與偏振轉(zhuǎn)換器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)d0的依賴關(guān)系，其中δw＝0.016μm，δz＝4.5μm，r＝150²μm，l＝150μm。如圖8d所示為error在不同入射波長下，與偏振轉(zhuǎn)換器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)δz的依賴關(guān)系，其中δw＝0.016μm，d0＝0.03μm，r＝150²μm，l＝150μm.

如圖9所示為對(duì)于特定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，偏振轉(zhuǎn)化效率與入射波長的依賴關(guān)系圖?？梢钥吹剑撈骷墓ぷ鲙捒蛇_(dá)30nm(約在1535nm-1565nm區(qū)間內(nèi))。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的又一方面，提供一種偏振轉(zhuǎn)換方法，包括：

傳輸水平偏振模式或垂直偏振模式信號(hào)；

傳輸傾斜偏振的調(diào)節(jié)信號(hào)，使水平偏振模式或垂直偏振模式信號(hào)偏振發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的再一方面，提供一種泡利x門，包括權(quán)利要求上述的偏振轉(zhuǎn)換器，用于將輸入的水平偏振光子轉(zhuǎn)換輸出為垂直偏振光子或者將輸入的垂直偏振光子轉(zhuǎn)換輸出為水平偏振光子，實(shí)現(xiàn)幺正可逆操作。

通過本發(fā)明提出的一種由量子光學(xué)中的受激拉曼絕熱通道概念啟發(fā)的偏振轉(zhuǎn)換器，將偏振轉(zhuǎn)化效率提高至99％以上，并且轉(zhuǎn)化效率對(duì)加工誤差、入射波長等均不敏感。這樣的偏振轉(zhuǎn)換器，有希望取代目前已有的偏振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，可以用于以偏振編碼的集成光學(xué)芯片中，進(jìn)行比特操作，特別地，由于該操作是幺正、可逆的，完全可以用于量子信息處理。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)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，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)。