CN103675993A - 基于光子晶体自准直效应的可集成光量子行走器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体自准直效应的可集成光量子行走器件，其利用四方晶格空气孔或介质柱光子晶体的能带结构和等频线，取第一或第二能带，沿Γ-X或Γ-M方向构建分束器，沿Γ-M或Γ-X方向排布分束器，其中，每经过一段固定的光传输距离，沿Γ-X或Γ-M方向的分束器节点增加一个。本发明利用光子晶体中自准直光束的传输不发散及交叉无串扰的优势，采用3dB分束器阵列构成可用于光量子行走的微纳光子学器件，属于半导体集成光学技术和量子信息科学领域。

Description

基于光子晶体自准直效应的可集成光量子行走器件

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自准直效应的可集成光量子行走器件。

背景技术

微电子技术的发展一直遵循着摩尔定律，但根据国际半导体技术蓝图(ITRS)2009年发布的半导体技术路线图预测，到2024年时世界集成电路闪存线宽将减小至6.3nm，接近理论极限。届时，以电子为信息载体的微电子技术，将遭遇发展的理论与技术瓶颈，很难继续遵循摩尔定律来发展。与电子相比，光子作为信息载体具有巨大优势：光子没有静止质量，光子之间也几乎没有干扰，光的不同波长可用于多路同时通信，光信号处理速度高，且不受电磁场干扰。这些优点使得光子技术在未来的信息化社会中必将扮演非常重要的角色。

量子信息科学是利用量子力学效应处理和传输信息的新兴学科。量子计算是量子信息处理的核心，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，以及利用量子行走模拟量子系统的演化。当前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，不容易受外界干扰，传播损耗低，适用于大规模网络的构建。2008年英国布里斯托大学的Jeremy O'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(C-NOT)门、Shor算法、纠缠光子对的制备和操控等等一系列实验；特别的，量子行走已在波导结构中得到实现。

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，量子行走的研究表明可用经典光场模拟单光子的行走行为，同时只有多光子行走、干涉(如双光子干涉)才能表现与众不同的量子特性。基于光子的量子信息实验已经表明，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。基于此，可使用经典光学理论设计量子行走芯片。

已有的集成光量子器件都是基于普通波导结构，一般尺寸在毫米或百微米量级，不利于集成。光子晶体被认为是光子集成的理想平台，其最大优势就在于小型化，光子晶体集成芯片的尺寸比已有的基于普通波导的光学集成芯片小一到两个量级。另外，利用光子晶体的特殊色散效应，可以构建新机制下的光量子行走方案。光子晶体自准直现象指的是在完美光子晶体内传输的光对入射光束的发散角不敏感，能够在保持很小束孔径的情形下直线传输。它是利用光子晶体的色散曲面可以在某个区域表现为一个平面，当光的传播方向垂直于该色散曲面时，落在此区域内的光将自动校正传输方向，实现自准直传输。

光子晶体自准直效应的优势在于光可以在完美光子晶体中沿着特定方向无扩展传输而不需要构建如线缺陷波导这样的物理约束边界，具有很大的空间和校准容限，耦合效率高；另外一个显著的优势在于光在光子晶体中交叉传输时不会出现一般波导中传输出现的串扰问题。2010年，H.M.Nguyen等人实验上报道了工作在自准直波长范围的硅光子晶体Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。他们通过对光子能带结构的剪裁来确定完美光子晶体以及分束器、反射镜的参数，把这些元件整合后形成MZI所占的面积仅为20×20μm²，单向输出自准直光的输出比例高达25。

把光子晶体的自准直效应应用于光量子行走，可以有效利用自准直效应的优势，形成小尺寸、耦合效率高、空间布局灵活的光量子行走新器件。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明设计了一种基于光子晶体自准直效应的可集成光量子行走器件，需要找准光子晶体的自准直中心波长，在这一波长下光的自准直传输损耗和分束器的插入损耗最小。分束器阵列的优化以避免反射扰动以及古斯-汉森位移的影响，也是要解决的技术问题之一。

(二)技术方案

本发明基于光子晶体自准直效应，利用自准直光束的传输不发散和交叉无串扰的优势，构建应用于光量子行走的新型集成光子学器件。

本发明提出的一种基于光子晶体自准直效应的可集成光量子行走器件，其利用四方晶格空气孔或介质柱光子晶体的能带结构和等频线，取第一或第二能带，沿Γ-X或Γ-M方向构建分束器，沿Γ-M或Γ-X方向排布分束器，其中，每经过一段固定的光传输距离，沿Γ-X或Γ-M方向的分束器节点增加一个。

(三)有益效果

本发明具有以下有益效果：

1、器件核心区的尺寸在几十至几百微米量级，比现有普通波导结构的集成光量子器件小1到2个量级。小尺寸的结构更有利于光子集成。

2、提供了光量子随机行走的新方案，即利用光子晶体的自准直效应，其光束传输无发散和交叉无串扰以及与波导的耦合效率高的优势，将为随后设计多功能的光子集成芯片带来益处。

3、自准直光束交叉无串扰的优势使得信号输出端口的布局更加灵活，有效避免如光子晶体耦合波导阵列由于波导之间耦合距离短而导致信号检测的精度要求高和波导到光纤的空间受限问题。

附图说明

图1为本发明实施例中基于分束器阵列的可应用于光量子行走的自准直行走器件结构示意图；

图2是本发明中完美光子晶体与输入输出波导集成时自准直光传输的场分布及效率；

图3是本发明中空气狭槽型自准直光束分束器及局部放大图；

图4是本发明中空气狭槽型自准直光束分束器效果图；

图5是本发明中基于分束器阵列的自准直光束行走效果图；

图6是本发明中不同波长的光行走之后在各端口的输出效率。

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。

图1示出了本发明提出的基于分束器阵列的可应用于光量子行走的自准直行走器件。基于四方晶格空气孔或介质柱光子晶体的能带结构和等频线，取第一(或第二)能带，由于光沿Γ-M(或Γ-X)方向自准直传输，则沿Γ-X(或Γ-M)方向构建分束器，沿Γ-M(或Γ-X)方向排布分束器，使光每经过一段固定的传输距离，即每行走一步，沿Γ-X(或Γ-M)方向的分束器节点增加一个，从而为光量子行走提供一种基于光子晶体自准直效应的可实现方案。

所述的光子晶体可以是准三维的平板光子晶体，在平板面内，一般为空气孔或介质柱按四方晶格排列而成的二维周期性阵列，但不限于四方晶格(如六角晶格)。光子晶体平板可以悬浮在空气中或者其他流动性物质(如有机油、液氮等等)中；也可以位于衬底材料之上，同时另一侧是空气或者其他以上所述的流动性材料；光子晶体平板两侧也可以都有介质材料包覆。最终都形成对称的或者非对称的三层平板结构。

所述的分束器，是一种对自准直光束形成的透射和反射比例为1∶1的沿Γ-X(或Γ-M)构造的缺陷空气孔或介质柱(去掉孔或柱，或二者半径改变)或空气狭槽等结构。

所述的分束器阵列，是按照自准直光束的传输方向，即沿Γ-M(或Γ-X)方向排布分束器，相邻的分束器之间距离相等。光量子每行走一步，沿Γ-X(或Γ-M)方向的分束器节点增加一个，且与上一步的分束器节点相交错，整个分束器的排列沿该方向呈金字塔形状，亦即等腰直角三角形，顶角为90°。

所述输入输出端口一般为介质波导，输入波导的数目、位置等没有限制，以左上的第一个分束器为参照，可以有一个从左到右的输入波导，也可以有一个从上到下的输入波导；输出端口即分束器阵列结构中输出波导，其数目等均没有限制，如图1所示，4步行走有1-8共8个输出波导，5步行走则会有10个输出波导。

上述方案中，可以选用的材料不限于硅材料，可以是任何折射率大于2的介电材料，如半导体GaAs、InP、GaN及其他有源材料，铌酸锂等非线性晶体材料，聚合物材料等，实现光子产生和行走一体化的器件。

所述的光量子自准直传输，是综合考虑了光子晶体的各种色散特性，依据能带结构和等频线，构建完美光子晶体和分束器、反射器等基本元件，使光量子在器件中能够自准直地传输、分束或弯折等，优化之后使传输损耗和插入损耗最小。

所述的光子晶体分束器阵列设计方案，利用了光子晶体自准直光束的传输无发散和交叉无串扰的优势，在器件布局中，信号输入端如左边波导输出的光量子进入完美光子晶体中的分束器阵列，完成行走后，虽然有光路交叉传输，但不会影响1-8输出端口如右边及下边波导输出的信号测量。

所述的可用于光量子行走的设计方案，是首次将自准直的基本元件即分束器经过特殊的阵列排布后形成的使光量子出现随机行走的特殊效能。

图1所示为光子晶体分束器按照Γ-M方向排布形成的阵列结构，其展示了由分束器阵列构成的4步光量子行走器件示意图。SP_1∶1表示分束比为1∶1的分束器，左上的介质波导为输入波导，右边及下边编号为1-8的介质波导为输出波导。图中的白色箭头线为光在器件中的传输路径。光量子每行走一步，沿Γ-X方向的分束器节点增加一个，整个分束器的排列沿该方向呈金字塔形状，亦即等腰直角三角形，顶角为90°。四方晶格空气孔型光子晶体的周期为294.5nm，空气孔半径为103.1nm，介质材料采用硅，其折射率为3.464。

图2展示了波导输入输出情况下一种完美光子晶体中自准直光束的场分布及传输效率。所示完美光子晶体上下集成波导，波导宽度设为2μm，方便与光纤的对准耦合。波长为1.55μm的光从下部入射波导输入，从上部出射波导收集得到的归一化光能量达到91.2％。

图3所示为沿Γ-X方向构建的空气槽形成的自准直光束分束器结构，由沿着Γ-X方向构造的空气狭槽构成，空气槽宽度为50nm，对1.55μm的入射光来说，透射光和反射光形成的分束比为1∶1。

图4为分束之后的稳态磁场分布及效率图，其中向左传输的光为右边光子晶体与输出波导界面反射回的光。测得的透射率和反射率分别为39.6％和40.1％。由于右端输出波导与光子晶体之间的界面反射，使得分束器的左边出现了较明显的反射光束。

采用准三维的平板光子晶体作为光量子行走器件的制作平台。这里的计算结果虽然是二维的，但可以通过等效折射率近似过渡到平板光子晶体上去。

根据对特定r／a的光子晶体计算得到的等频线，利用光能量传输与群速度方向的一致性以及由对称性得到的倒格矢空间与实空间的一致性，判断处于第一能带或第二能带的光在光子晶体中自准直传输的方向以及评估传输损耗的大小。确定出最佳完美光子晶体的参数，在此基础上通过引入特殊方向的线缺陷进一步构造光的分束器，这个线缺陷可以是空气孔或介质柱型，也可以是空气狭槽型，一方面要实现3dB的光分束，另一方面尽量减小分束器的插入损耗。

依据自准直光的传输方向，对多个3dB分束器进行适当的排列，光每经过一个分束器均按1∶1的比例分束，处于一些特定位置的分束器将光分束后会发生显著的光的干涉现象，对于四方晶格的光子晶体来说，干涉之后的效果使得Γ-M水平(或垂直)方向传输达到极大，而垂直(或水平)方向的光传输达到极小，从而对下一级分束器的光分束造成影响，形成了光从入射端口输入到最终从出射端口输出的特殊的中间随机行走过程。

图5为自准直光束在器件中行走的稳态磁场分布，光每经过一个分束器均按1∶1的比例分束，处于一些特定位置的分束器将光分束后会发生显著的光的干涉现象，对于四方晶格的光子晶体来说，干涉之后的效果使得Γ-M水平(或垂直)方向传输达到极大，而垂直(或水平)方向的光传输达到极小，从而对下一级分束器的光分束造成影响，形成了光从入射端口输入到最终从出射端口输出的特殊的中间随机行走过程。

图6为不同波长的光行走之后在各输出端口的输出效率，可以看出波长不同，效率则呈现不同程度的起伏，其中输出端口2的效率最高，起伏也最大，但每个波长总的输出效率低于80％，其损耗来源于光的自准直传输损耗、分束器的插入损耗、波导与光子晶体间的界面反射损耗以及古斯-汉森位移造成的波导与光子晶体界面的散射损耗。

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，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 (6)

1.一种基于光子晶体自准直效应的可集成光量子行走器件，其利用四方晶格空气孔或介质柱光子晶体的能带结构和等频线，取第一或第二能带，沿Γ-X或Γ-M方向构建分束器，沿Γ-M或Γ-X方向排布分束器，其中，每经过一段固定的光传输距离，沿Γ-X或Γ-M方向的分束器节点增加一个。

2.根据权利要求1所述的光量子行走器件，其特征在于，所述光子晶体是四方晶格的空气孔或介质柱结构，其是二维光子晶体或准三维的平板光子晶体。

3.根据权利要求1所述的光量子行走器件其特征在于，所述分束器是一种对自准直光束形成的透射和反射比例为1∶1的沿Γ-X或Γ-M构造的缺陷空气孔或介质柱或空气狭槽结构。

4.根据权利要求1所述的光量子行走器件，其特征在于，所述分束器阵列中的分束器按照自准直光束的传输方向方向排布，且相邻的分束器之间距离相等，光量子每行走一步，沿自准直光束的传输方向的分束器节点增加一个，且与上一步的分束器节点相交错，整个分束器的排列沿该方向呈金字塔形状，顶角为90°。

5.根据权利要求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输入输出端口为介质波导。

6.根据权利要求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的介电材料。

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