CN103235362B - 基于光子晶体的可集成量子行走器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体的可集成量子行走器件，利用光子晶体对光场的限制特性，实现较大范围的光场之间的相互耦合和干涉，使光子在极小尺寸的集成光学器件上实现量子行走，属于半导体集成光学技术和量子信息科学领域。

Description

基于光子晶体的可集成量子行走器件

技术领域

本发明涉及半导体集成光学技术和量子信息科学领域，特别涉及一种基于光子晶体的可集成量子器件。

背景技术

量子信息科学是利用量子效应处理和传输信息的新兴学科。量子计算作为量子信息处理的核心，从费曼等人提出量子计算机的构想到量子Shor算法的提出，逐渐引起了人们的广泛关注。基于经典随机行走的经典算法已经非常成熟并得到了广泛应用，但目前已有的量子算法屈指可数，构建完善的量子算法成为实现大规模量子计算和量子计算机的关键。上世纪90年代人们开始研究量子行走，开始利用量子行走构建新的量子算法，同时还利用量子行走模拟量子系统的演化。

量子信息的理论和实践都表明，未来的量子信息处理、量子计算机需要大规模的、稳定的量子线路网络，集成芯片被认为是满足这两点的最佳选择，现代集成电路和计算机业的发展也印证了这一点。当前的量子信息实验研究基于多种物理载体，但基于光子的量子信息处理具有突出的优势。光子是飞行的量子比特，其传播速度是光速，因而具有无可比拟的速度优势；相比于其他物理载体，光子不容易受外界干扰，对环境的容忍度高；光子的传播损耗很低，适用于大规模网络的构建。利用集成电路可以操控电子，而我们也可以在集成光学器件上实现光子的操控。

随着半导体集成光学技术的成熟，集成光学器件在量子信息处理中的应用也成为现实。2008年英国布里斯托尔大学的JeremyO’Brien小组率先利用二氧化硅波导实现了集成光波导结构的量子逻辑门，开辟了量子信息集成化的新纪元。目前人们已经在绝缘体上的硅(SOI)、铌酸锂等光学芯片上进行了简单的量子受控非门(C-NOT)、简单Shor算法演示、纠缠光子对的制备和操控等等一系列实验；特别的，量子行走也已在类似的波导结构中实现。

光子的量子行走本质上是一种量子干涉现象。在量子光学理论中，单光子的量子干涉随时间累积的结果与经典光场的干涉行为一致，量子行走的研究也表明可用经典光场模拟单光子的行走行为。另一方面，只有多光子行走、干涉(如双光子干涉)才能表现出独特的量子特性。单光子干涉与多光子干涉在实验上的区别在于以下两点：第一，实验时先后进入干涉区的光子的时间间隔是否大于光子的相干时间：如果在相干时间间隔内输入两个或多个光子，则发生多光子干涉，如果前后两个光子进入的时间间隔大于光子相干时间，则为单光子干涉；第二，单光子干涉的探测为一阶关联函数的探测，一般只需一个探测器，多光子干涉的探测为高阶关联函数的探测，需要多个探测器同时进行探测(如双光子干涉需要两个探测器进行复合计数测量)。大量的光量子信息实验已表明，经典光学器件如分束器、耦合器、反射镜等都可以直接用来进行光量子操控。正是基于以上结果，此处采用经典光学理论设计量子行走器件。

已有的集成光量子器件都是基于普通波导结构，尺寸在毫米或百微米量级，不利于集成。光子晶体一直被认为是光子集成的理想平台，其最大优势在于小型化，尺寸可比已有的基于普通波导的集成光量子器件小一到两个量级。对量子行走而言，光子晶体还有其特殊之处：

以空气孔结构的二维平板光子晶体为例。首先它对光场限制的原理可用布拉格反射解释，光场往往有效地扩展到四排甚至更多排的光子晶体孔中，耦合元素之间空气孔排数的变化将极大地影响光场的耦合与干涉；其次，光子晶体波导的导波机制与普通波导不同，光子在其中传导时，可能会被反射多次，出现所谓的慢光效应；最后，光子晶体孔对光子的散射能导致随机性更强的行走。以上这些特性会使得光子晶体中的量子行走与普通波导中的行走有很大差异。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述问题，本发明提出了一种可用于量子行走实验研究和应用的半导体集成光学器件，具有极小尺寸；进一步还可用于探索光子产生和行走一体化器件。

(二)技术方案

本发明基于光子晶体，利用光子晶体波导、微腔等基本单元构成耦合阵列，光在耦合阵列中传导时经过衍射、反射、耦合等过程，同时发生干涉，最后输出特定的干涉图样。具有这些功能的器件都可实现光子的量子行走。

光子晶体量子行走器件包括耦合波导阵列和耦合微腔阵列两种结构。两种结构均由耦合区、输入端口和输出端口组成。耦合波导阵列结构的耦合区为相互平行且靠近的光子晶体波导形成的波导阵列；耦合微腔阵列结构的耦合区为相互靠近的光子晶体微腔按一定规则排列形成的阵列。输入、输出端口由光子晶体波导或光子晶体微腔组成。耦合区外围还可以有光子晶体限制层，它的存在只是为量子行走提供了反射边界，发射边界下的量子行走只是众多量子行走形式中的一种。

优选地，光子晶体是二维平板光子晶体，耦合波导阵列为一维阵列，耦合微腔阵列为二维阵列。在平板面内，一般为空气孔或介质柱按四方晶格或者六角晶格排列而成的二维周期性阵列，但不限于这两种晶格

上述方案中，光子晶体可以是三维光子晶体，此种情况下耦合波导阵列可以是一维或二维阵列，耦合微腔阵列可以是二维或三维阵列。

上述方案中，输入端口一般为输入波导，输出端口一般为输出波导或微腔，它们的数目、位置等均没有限制。

(三)有益效果

本发明具有以下有益效果：

1、器件核心区的尺寸以及整体尺寸都在在几十微米到几百微米量级，比已有的基于普通波导结构的集成光量子器件小1到2个数量级。小尺寸的器件更有利于光子集成。

2、提供了优化器件设计的新途径，即利用光子带隙效应调整耦合强度，而不用改变基本单元(波导、微腔等)尺寸与间距。

3、光子晶体结构参数与所对应的波长的关系简单明了，针对不同输入波长，可简单的调整光子晶体周期来获得相应的器件。

附图说明

图1为基于绝缘体上的硅(SOI)的三层平板波导结构；

图2为单输入波导的六角晶格空气孔光子晶体耦合波导阵列量子行走器件的结构及它的稳态场分布和输出端干涉图样。

图3为单输入波导的六角晶格空气孔光子晶体耦合波导阵列量子行走器件的结构及它的稳态场分布和输出端干涉图样。

图4为多输入波导的六角晶格空气孔光子晶体耦合波导阵列量子行走器件的结构及它的稳态场分布和输出端干涉图样。

图5为多输入波导的六角晶格空气孔光子晶体耦合波导阵列量子行走器件的结构及它的稳态场分布和输出端干涉图样。

图6为六角晶格空气孔光子晶体耦合微腔阵列量子行走器件的结构及它的稳态场分布和输出端干涉图样。

图7为六角晶格空气孔光子晶体耦合微腔阵列量子行走器件的结构及它的稳态场分布和输出端干涉图样。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明公开了一种量子行走器件，其以二维平板光子晶体为平台。器件由耦合区、输入端口、输出端口、外围光子晶体限制层等组成。其中外围光子晶体限制层不是必须的，耦合区由耦合的光子晶体波导或微腔组成，输入端口为光子晶体波导，输出端口为光子晶体波导或光子晶体微腔。所述二维平板光子晶体板的厚度一般为半波长量级，以保证其中导波模式为衬底——薄板——盖层组成的三层平板波导的基模。

图1示出了本发明中所采用的一种基于绝缘体上的硅(SOI)的三层平板结的x-y截面图，z方向是均匀的平板面。三层平板的底层为二氧化硅层，薄板层为340纳米厚的顶层硅，盖层为空气。所述二维平板光子晶体位于x-z面的薄板层中，由平板面内的二维周期性空气孔阵列构成。此处所采用的SOI结构只是一种最为常用的材料结构，应当指出，光子晶体量子行走器件所基于的材料平台不限于此；另外，光子晶体也不限于二维平板光子晶体。

实施例1

图2～5中的(a)示出了本发明中的一种耦合波导阵列的光子晶体量子行走器件的结构。如图2～5中的(a)所示，光子晶体为六角晶格空气孔结构，图中深色部分为空气孔，浅色部分为硅。在晶格完整的光子晶体中，每隔一排或几排空气孔去掉一排空气孔就形成了耦合波导阵列。这样得到的光子晶体波导的间距较小，光在相邻波导之间可以相互耦合。

图2(a)、3(a)中光子晶体波导的长度是渐变的，光子晶体周期为405纳米，空气孔半径为0.28×光子晶体周期，图中AB均为输入波导，具有一定长度，耦合区(C)也具有一定长度。应当指出，输入波导的长度、耦合区的长度以及耦合区波导的数目没有特别要求，图2(a)、3(a)以及图4(a)、5(a)中只是给出了几种具体的长度和波导数目，这些值的选定并不是实现器件功能所要求的。更进一步，将耦合波导的长度和数目大范围的增加，也不影响其作为量子行走器件实现其功能。

图4(a)、5(a)是另一种结构的耦合波导阵列，由完全相同的光子晶体波导组成，其耦合区(C)中的每一条波导或其中几条波导都可以作为输入波导；其光子晶体周期是420纳米，空气孔半径是0.32×光子晶体周期。

图2～5的(a)中标示的输出端口为相应器件的输出端口，即耦合区中每一条波导的末端整体构成了输出端口。

图2(a)、3(a)、4(a)和5(a)中整体器件的尺寸依次为54.3×14.4平方微米、51.8×17.9平方微米、41.6×20平方微米和20.6×17.9平方微米，均在几十到几百微米量级。

应当指出，光子晶体周期和空气孔半径的选择只是基于输入光(或光子)的波长而选择的，与器件是否具有量子行走功能没有直接关系。此处选择两种周期和空气孔半径，也只是为了描述如何利用光子带隙效应调整耦合强度。

采用有效折射率近似方法(对于图1中的结构，有效折射率为3.1)，将真实的三维结构近似为二维结构，然后使用二维有限差分时域(FDTD)方法对所设计器件的性能进行模拟，得到器件中的稳态经典场分布和输出端经典光场强度沿垂直出射方向(z方向)的分布(亦即输出端经典干涉图样)，结果见图2～5中的(b)图和(c)图。模拟结果证实了所涉及器件具有经典光场干涉功能，因此也能使量子态光子在其中发生干涉，可用于光子的量子行走的研究和应用。

光子的量子行走过程如下：

光子由输入波导进入，沿着波导传输时会有一定几率耦合到相邻波导中，同时继续向前传播。光子在相邻波导之间的耦合过程就是光子的行走过程，在输出端口光子在不同的波导中的分布即为量子行走的最终结果。采用本例中图4(a)、5(a)中的结构，选择多条输入波导同时输入光子，可实现多光子的量子行走。

本例中所示的干涉图样(图2～5中的(c))为连续的光强分布，是一种连续量子行走的结果。也可将输出波导离散化，例如将图2(a)中的输出波导从下到上依次编号(1～11)，然后将每一个波导中的强度对应于相应编号并离散化，就得到了离散量子行走的结果。

这两种结构中，耦合区中的的基本单元为光子晶体波导。利用光子带隙效应，可调整耦合元素(光子晶体波导)之间的耦合强度，从而影响器件输出端口处的干涉图样，进而决定器件量子行走的最终结果。主要包括两种方法。一是利用光子带隙的大小，例如r＝0.32a的结构的光子带隙大于r＝0.28a，因而对位于带薪中央的1550nm的光场，前者的限制作用更强，这可从图4(b)和图2(b)的比较中看出。据此，可选择不同大小的带隙获得不同的耦合强度，亦即光子行走时“拐弯”的几率幅。二是利用输入光波长在光子带隙中的位置，例如可以选择波长偏离光子带隙中心的光，光子带隙对它们的限制较弱，如此可增加耦合强度。图3(b)和图5(b)中的场分布分别与图2(b)和图4(b)中的场分布比较，可反映出这一点：耦合强度弱的结构中，光场更容易耦合到相邻波导中，即光场的扩展更显著。

这两种结构中，耦合区外围都有光子晶体限制层，为量子行走提供了发射边界。对图4(a)、5(a)中的结构，去掉外围的限制层，器件实现的将是无发射边界的量子行走。

另一方面，光子晶体的周期只影响光子带隙所对应的波长(中心波长、带边波长等)，因此可选则不同的周期来对应不同的输入波长，避免了重复设计。如本例中405nm的光子晶体周期对应1550nm的输入光，则可按比列为1650nm的输入光选择479nm的光子晶体周期，而空气孔的半径与周期的比值仍保持不变。这也属于光带隙效应。

实施例2

图6(a)和图7(a)示出了另一种量子行走器件的结构——耦合微腔阵列。采用图1中的三层平板结构，六角晶格空气孔光子晶体周期为420纳米，空气孔半径为0.32×光子晶体周期。输入波导AB为特殊的Γ-M波导，便于与微腔阵列匹配以减小反射。在完整晶格的光子晶体中，按照一定点阵规律逐个地去掉空气孔可得到耦合微腔阵列，其中每一个空气孔对应点阵中的一点。图6(a)和7(a)中的结构所采用的点阵是等边三角形按两种不同的规律排列而成的。图6(a)和7(a)中整体器件的尺寸依次为16×13.8um²和25.6×10.9um²，均在几十微米量级。

同样的，此处所选光子晶体周期、耦合微腔阵列的大小以及输入波导的长度并不决定器件是否具有量子行走功能。

耦合微腔阵列的输出端口由阵列末端的微腔整体组成。

耦合微腔阵列必须包含输入端(输入波导AB)、耦合区(C)以及输出端口，微腔外围的光子晶体限制层并不是必须的。它的存在只是为量子行走提供了反射边界，反射边界下的量子行走只是量子行走众多形式中的一种。

采用与例1中相同的模拟方法，模拟得到的稳态场分布分别如图6(b)和图7(b)所示，输出端干涉图样如图6(c)和图7(c)所示。这些结果证实了耦合微腔阵列具有量子行走功能。

光子的行走过程的描述与例1相同。需要强调的是可以在耦合波导阵列上添加更多的输入波导(如图6(a)中黑色实线箭头所指位置和方向)，以实现多光子的量子行走。

这种耦合微腔整列提供了更大范围的光场之间的相互耦合，对行走的光子而言，每一步行走的随机性更强，行走的过程也较耦合波导阵列复杂。这两种结构中，微腔对光场的限制较弱，如果把每个微腔周围的空气孔增加到两圈或三圈，则能得到光场限制更强的微腔，将显著的增强非线性效应，同样可用于设计光子产生于随机行走一体化的结构。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于光子晶体的可集成量子行走器件，其包括相互耦合的波导阵列或微腔阵列，以及输入端口和输出端口，利用光子带隙效应对器件的结构进行优化，以及简化器件设计流程；其中，所述相互耦合的波导由相互平行且靠近的光子晶体波导组成；所述微腔阵列由从完美光子晶格中按一定点阵规律去除光子晶体空气孔或介质柱组成的耦合微腔阵列；

其中，所述光子晶体周期为420纳米，空气孔半径为0.32乘以光子晶体周期；微腔阵列的输入波导为Γ-M波导。

2.根据权利要求1所述的基于光子晶体的可集成量子行走器件，其特征在于，所述利用光子带隙效应对器件结构进行优化包括：选择禁带宽度较大的光子晶体结构增强光子晶体对光场的限制作用，实现弱耦合；选择禁带宽度较窄的光子晶体结构以减弱光子晶体对光场的限制作用，实现强耦合；选择光场中心频率位于带隙中央，增强光子晶体对光场的限制作用，实现弱耦合；选择光场中心频率靠近带边，减弱光子晶体对光场的限制作用，实现强耦合。

3.根据权利要求1所述的基于光子晶体的可集成量子行走器件，其特征在于，所述利用光子带隙效应对器件进行优化的过程中，利用光子晶体周期与带隙中心波长简单的对应关系来避免不同波长结构的再次设计。