CN108604764A - 具有应变诱导电光材料的集成的微波到光单光子换能器 - Google Patents

具有应变诱导电光材料的集成的微波到光单光子换能器 Download PDF

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Abstract

换能器及其制造方法包括具有腔的衬底，该腔具有支持输入信号的频率处的回音壁模式的直径。腔中的聚焦结构聚焦输入信号的电场。直接位于聚焦结构下方的谐振器具有晶体结构，当暴露于电场时，该晶体结构产生电光效应。输入信号的电场通过电光效应调制谐振器中的输出信号。

Description

具有应变诱导电光材料的集成的微波到光单光子换能器
背景技术
技术领域
本发明涉及微波和光域之间的转换，更具体地涉及将单光子微波信号转换为光信号的换能器。
相关技术的说明
多种通信协议依赖于光纤，因为光纤具有低损耗、高带宽、低背景噪声以及易于布线。光纤还可用于以单光子或相干态的形式发送量子信息。另一方面，许多可行的量子处理架构在微波频率处工作。微波结构的高振幅稳定性允许精确控制量子比特(quantum bit，qubit)，从而实现高保真门操作。然而，由于当这些信号在波导中传播时的高热背景噪声和高损耗，微波光子更难以用于远程通信目的。
在微波信号和光信号之间转换的现有方法是复杂的，其难以在固态系统中实现，或者难以优化。一些现有的换能器使用电光晶体光谐振器来执行微波到光转换。使用这种谐振器的问题之一是其他共存的非线性特性，例如热电和压电，阻碍了微波谐振器的微制造过程。另一个问题是微制造同样可能会污染晶体电光光谐振器并降低品质因数。这些谐振器还具有高微波损耗并且难以在低温下对准。
因此，本领域中需要解决上述问题。
发明内容
从第一方面看，本发明提供了一种换能器，包括：具有腔的衬底，所述腔具有支持输入信号频率处的回音壁模式的直径；腔中的聚焦结构，被配置为聚焦输入信号的电；和直接在聚焦结构下面的谐振器，具有当暴露于电场时产生电光效应的晶体结构，其中输入信号的电场通过电光效应调制谐振器中的输出信号。
从另一方面来看，本发明提供了一种用于形成换能器的方法，包括：在第一衬底上制造谐振器，以第一频率谐振，通过在谐振器材料上沉积应变材料以在暴露于电场时应变谐振器材料的晶体结构以产生电光效应；制造具有腔的第二衬底，所述腔具有支持第二频率处的回音壁模式的直径；在第一衬底上对齐第二衬底，使得微波腔中的聚焦结构与光谐振器对齐。
从另一方面来看，本发明提供了一种量子计算设备，包括：量子比特，被配置为以第一频率提供第一信号；和本发明的换能器。
换能器包括具有腔的衬底，该腔具有支持输入信号频率处的回音壁模式的直径。腔中的聚焦结构聚焦输入信号的电场。直接位于聚焦结构下方的谐振器具有晶体结构，当暴露于电场时，该晶体结构产生电光效应。输入信号的电场通过电光效应调制谐振器中的输出信号。
量子计算设备包括量子比特，其被配置为以第一频率提供第一信号。一种耦合到量子比特的换能器，包括具有圆柱形腔的衬底，该圆柱形腔具有支持第一频率处的回音壁模式的直径。腔中有一个中心引脚。谐振器直接位于中心引脚下方。谐振器具有晶体结构，当暴露于电场时该晶体结构产生电光效应。输入信号的电场通过电光效应调制谐振器中第二频率的第二信号。波导光耦合到谐振器并且被配置为将调制的第二信号远离谐振器传送。
一种用于形成换能器的方法包括在第一衬底上制造谐振器，以第一频率谐振，通过在谐振器材料上沉积应变材料以在暴露于电场时应变谐振器材料的晶体结构以产生电光效应。第二衬底被制造为具有腔。腔具有支持第二频率处的回音壁模式的直径。在第一衬底上对齐第二衬底，使得微波腔中的聚焦结构与光谐振器对齐。
通过下面说明性实施例的详细描述，这些和其他特征和优点将变得显而易见，其将结合附图来阅读。
附图说明
本公开将参考以下附图在下面优选实施例的描述中提供细节，其中：
图1是根据本原理的微波到光换能器的截面图；
图2是根据本原理的微波到光换能器的一部分的俯视图；
图3是根据本原理的微波到光换能器的一部分的自下而上的示意图；
图4是根据本原理的微波到光换能器的一部分的详细横截面图；
图5是根据本原理的微波到光换能器的示意图；
图6是根据本原理的应变诱导电光光谐振器的详细截面图；
图7是根据本原理制造微波到光换能器的方法的框图/流程图；
图8是根据本原理的另一种微波到光换能器的一部分的俯视图；以及
图9是根据本原理的另一种微波到光换能器的一部分的详细横截面图。
具体实施方式
本发明的实施例通过使用超导微波和光腔的电光效应提供单光子微波信号和单光子红外/光信号之间的耦合。每个腔都包含电光材料，电光效应由应变材料引起。耦合发生在量子水平，信号水平约为单个光子。本实施例可以在可以使用标准半导体制造工艺制造的一个芯片上实现。
现在参考附图，其中相同的数字表示相同或相似的元件，并且首先参考图1，图1示出了微波到光换能器100的截面图。底部衬底102被示出为具有例如量子计算设备104(“量子比特”)，其沿着超导通道106向换能腔130提供例如单光子级微波信号。特别考虑到底部衬底102可以由硅形成，但是可以在其位置使用任何其他适当的衬底材料。在将微波信号转换成换能腔130中的光信号之后，光信号与波导108耦合并传输到其目的地。腔130电容地耦合到超导通道106，超导通道106可以是微波传输线，或者是其他谐振结构(例如，量子比特104本身)。
顶部衬底120包括圆柱形腔112和中心引脚114。在一个实施例中，腔可以具有大约2.5mm的半径，并且中心引脚114可以具有大约2mm的半径和大约2mm的高度。特别考虑的是，顶部衬底120可以由硅形成，但是可以在其位置使用任何其他合适的衬底材料。腔112和中心引脚114的侧壁涂有超导膜。腔112与底部衬底102上的类似腔111连接，以形成微波谐振器122，微波谐振器122连接到地。底部腔111具有0.67mm的示例性深度和1.98nm的示例性半径。应注意，顶部衬底120不应与底部衬底接触，至少在具有超导膜或通道106的区域中不接触，以防止损坏那些结构。中心引脚114接近而不接触底部衬底102中的基座115上的光谐振器110。特别考虑光谐振器110由硅和硅-锗形成，硅-锗在硅材料上提供应变。在一个实施例中，光谐振器110可具有约2mm的半径和约0.1mm的厚度。该应变在硅中产生电光效应，因为它使硅的晶体结构变形。
由于光谐振器110和波导108之间的耦合由微制造限定时，本实施例的集成设计使光谐振器110和波导108之间的对齐误差最小化。否则，如果光耦合器未集成到器件中，例如在使用棱镜进行耦合的系统中，则会发生这种对准误差。特别地，在毫开尔文温度的低温环境中，可以减少或完全避免由于不同材料的不同热膨胀系数引起的未对齐误差。
在操作期间，来自量子比特104的微波信号耦合到微波谐振器122，其中在腔的外圆周和内圆周上形成驻波，在边界处具有强磁场并且在腔的中间具有可忽略的场强度。超导膜产生具有非常高Q的低损耗谐振器。在中心引脚114与光谐振器110的连接处，微波模式的场调制光谐振器110中的光信号。借助于施加到光谐振器的光泵浦信号，可以在单个光子水平上将微波信号转换成光信号。
在一个实施例中，微波谐振器可以形成在片上、传输线腔或共面波导腔中。传输线腔或共面波导腔的中心引脚或高压电极具有圆形形状，其可以将微波信号传递到光谐振器。
光谐振器110可以形成为圆盘形状，如图所示，或者形成为环形，在两个实施例中支持多个频率处的回音壁模式。选择光谐振器110的直径以为红色边带提供频率ωop-ωq处的三种模式，为载波提供ωop，为蓝色边带提供ωop+ωq，其中ωq是微波谐振器122的微波频率。在一个实施例中，ωop/2π可以是大约193THz(1550nm波长)并且ωq可以是大约10GHz。该实施例可以通过选择自由光谱范围为ωq来实现，该自由光谱范围由光谐振器110的折射率和直径确定。使用边带模式，实现耦合微波光子和光光子的三波混频器。
现在参考图2，示出了底部衬底102的俯视图。超导量子比特104和超导通道106形成在衬底102之中或之上。通过任何适当的工艺在底部衬底102中形成下腔111，包括，例如微机械加工或蚀刻。超导膜沉积在下腔111的内表面上。超导膜可包括，例如铝，铌，钛，铟，或在所需温度范围内表现出超导特性的任何其他材料或合金。可以通过，例如溅射或通过真空室中的热蒸发，来沉积超导膜。如下面进一步详细描述的，由例如具有硅-锗层的锯齿状硅盘或环成光谐振器110，以向硅的晶体结构提供应变。光波导108与光谐振器110耦合以在芯片外传输光信号，并且在一个实施例中，光波导108位于距光谐振器110小于1微米的位置以促进耦合。
现在参照图3，示出了顶部衬底120的仰视图。通过任何适当的工艺(包括，例如微机械加工或蚀刻)在顶部衬底120中上腔形成112。也通过微机械加工工艺形成中心引脚114，并且在上腔112和中心引脚114的表面上沉积超导膜。沿着中心引脚的面对圆的外边缘形成脊302。脊302沿着该边缘集中回音壁模式的场以与光谐振器110耦合。可以通过任何适当的工艺(包括微机械加工或蚀刻)形成脊30。当顶部衬底120放置在底部衬底102上方时，脊部302与光谐振器110的外边缘对齐。
现在参考图4，示出了引脚114和光谐振器110之间的连接的更详细的横截面图。脊302位于光谐振器的略微上方，两个结构之间具有小间隙，以防止光信号通过超导膜的等离子体损失。中心引脚114的面的小部分内部部分被切除，切口深度约为0.5mm，切口半径约为1.9mm。另外，超导表面402被示出具有较粗的线，其上沉积有超导膜。
应该注意的是，中心引脚114也相对于腔112的侧壁凹进。凹槽的深度为光谐振器110提供了空间以及小的附加间隙以防止引脚114和谐振器110之间的等离子体模式。腔112和间隙可以填充空气，或者可以是真空或适当的惰性气体。
应理解，将根据具有晶片的给定说明性架构来描述本发明；然而，在本发明的范围内，可以变化其他架构、结构、衬底材料以及工艺特征和步骤。
还应当理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为在另一元件“上”或“上方”时，它可以直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另一个元件上或“直接在”另一个元件上方时，不存在中间元件。还应该理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。
用于集成电路芯片的设计可以以图形计算机编程语言创建，并且存储在计算机存储介质(例如磁盘、磁带、物理硬盘驱动器、或诸如存储访问网络中的虚拟硬盘驱动器)中。如果设计者没有制造芯片或用于制造芯片的光刻掩模，则设计者可以通过物理手段(例如，通过提供存储设计的存储介质的副本)或电子地(例如，通过因特网)将所得到的设计直接或间接地传输给这些实体。然后将存储的设计转换成适当的格式(例如，GDSII)，用于制造光刻掩模，其通常包括要在晶片上形成的所讨论的芯片设计的多个副本。利用光刻掩模来限定要蚀刻或以其他方式处理的晶片(和/或其上的层)的区域。
如本文所述的方法可用于制造集成电路芯片。得到的集成电路芯片可以由制造商以原始晶片形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、裸芯片或封装形式分发。在后一种情况下，芯片安装在单芯片封装(例如塑料载体，带有固定到母板或其他更高级别载体的引线)或多芯片封装(例如具有表面互连或埋置互连中任一或两者的陶瓷载体)中)。在任何情况下，芯片然后与其他芯片、分立电路元件、和/或其他信号处理装置集成，作为(a)中间产品(例如母板)或(b)最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，从玩具和其他低端应用到具有显示器、键盘或其他输入设备、以及中央处理器的高级计算机产品。
说明书中对本原理的“一个实施例”或“实施例”及其其他变型的引用意味着在本原理的至少一个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构、特性等。因此，在整个说明书中出现在各处的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”以及任何其他变型的出现不一定都指代相同的实施例。
应当理解，使用以下任何“/”、“和/或”以及“至少一个”，例如，在“A/B”、“A和/或B”、以及“A和B中的至少一个”的情况下，旨在包括仅选择第一个列出的选项(A)、或仅选择第二个列出的选项(B)、或选择两个选项(A和B)。作为另一个例子，在“A、B和/或C”以及“A、B和C中的至少一个”的情况下，这种措辞旨在包括仅选择第一个列出的选项(A)、或仅选择第二个列出的选项(B)、或仅选择第三个列出的选项(C)，或仅选择第一个和第二个列出的选项(A和B)、或选择仅第一个和第三个列出的选项(A和C)、或仅选择第二个和第三个列出的选项(B和C)、或选择所有三个选项(A和B和C)。如本领域和相关领域的普通技术人员显而易见的，这可以针对所列出的许多项目扩展。
现在参考图5，示出了光载体的电光调制的抽象图。光束508被显示为穿过半透明的、部分镜面的板502，穿过电光调制器(electro-optic modulator，EOM)区域506，并从镜子504反射。镜子502和504形成Fabry-Perot腔。在本实施例中，EOM区域506是光波长处的谐振器。电感器514和电容器512的板形成微波频率处的谐振器，量子比特510的输出通过电容器516注入谐振器。当微波信号在谐振器中振荡时，电荷构建并接通EOM区域506周围的电容器板512。这些电荷产生振荡电场，该电场引起光信号的相移。
相移是由外部电场(Ej)引起的EOM 506中的折射率的变化引起的。这一变化表征为：
其中n是EOM 506介质的折射率，rij是电光系数。相移表征为：
其中L是电感器514的电感，ωa是光信号的频率。频率的变化表征为：
其中τ是光往返时间，c是光速。指数i和j是电光材料晶轴的指数。
该实施例具体利用Pockels效应，其中使用来自微波腔112的微波场调制光谐振器110的谐振频率。通过沉积破坏衬底晶体对称性的应变材料，在光谐振器110中引起电光效应。微波信号和光信号之间的耦合由耦合哈密顿(Hamilton)描述：
其中以及是分别在光腔110中用于红边带、载波、和蓝边带模式的湮灭(创建)算子，是量子比特104的微波光子的湮灭(创建)算子，g是光和微波光子之间的耦合强度。在应用旋转波近似之后，包括红色和蓝色边带模式的电光器件100的哈密顿量(Hamiltonian)变为：
其中ωop是光载波频率，ω_和ω+是红色和蓝色边带频率，ωq是量子比特104的微波频率。
耦合哈密顿量表示载波和边带上的光学光子与超导量子比特104的微波光子之间的三波混频。通过在ω+＝ωop+ωq处应用强泵浦音调，运算符可以被经典驱动α+(c-number)替代，其中|α+|2表示在ω+处的泵浦光子数的平均值，其在量子微波节点和基本光学模式之间以ΩR＝g|α+|的速率提供有效的耦合率。在一个实施例中，利用实际参数，该速率可以是大约10MHz，具有对应于谐振器中的106个光子的耦合强度g～10kHz以及α＝1000。这设置了通信信道速度的上限。通常，耦合强度可估计为：
其中V67V是超导腔零点电压(具有约0.1μV至约1μV的范围)，d是光谐振器110的厚度(具有约1μm至约100μm的范围)，fa是光通信频率(例如，约193THz)，n是泵浦光子的数量，r是电光材料的电光系数。应注意，可通过上述光波导108提供泵信号。
现在参考图6，示出了光谐振器110的结构的细节的横截面图。衬底102具有在其上形成的附加材料(例如硅)的环602。环602的材料在顶表面上图案化，而另一种材料604(例如硅锗)沉积在间隙中。选择附加材料604以具有与环602不同的晶格结构，这导致环602的晶格结构中的应变。正是该应变使得环602易受电光效应的影响。可以通过任何适当的沉积工艺沉积应变材料604，包括例如化学气相沉积、物理气相沉积和原子层沉积。
预期可以采用光谐振器110的其他实施例。如上所述，环602仅是一种结构，并且可以使用盘实施例替代，只要它支持所讨论的光频率处的回音壁模式即可。另外，可以使用不同的材料。上述实施例利用谐振器110的晶格结构中的应变来产生Pockels电光效应，但应注意一些自然缺乏晶体反转对称性的材料也表现出这种效果，并且可以被代替使用。可以通过任何适当的制造技术形成光谐振器110，包括机械加工、微制造、蚀刻等。
现在参考图7，示出了形成微波到光换能器的方法。方框702制造光谐振器110。具体地，通过例如方框704中沉积谐振器材料(或者，从大容量衬底102蚀刻谐振器材料)，如上所述方框706中图案化谐振器表面以形成脊，并且方框708中沉积应变材料604以在光谐振器110的晶体结构中产生应变，方框702在底部衬底102中或上形成光谐振器。或者，方框702可以从自然地表现出电光(Pockels)效应的材料来制造光谐振器110。
方框710构造顶部衬底120中的微波腔。方框712通过任意适当的微制造技术(包括微加工或蚀刻)加工顶部衬底120中的微波腔112。微波腔112可以是，例如，微波同轴腔(如上所示)、微波共面波导、微波微带腔等，并且形成为具有光滑的内表面，其直径支持量子比特104的微波频率处的回音壁模式。通过例如加工引脚114的表面或通过蚀刻工艺，方框714在中心引脚114的表面上形成脊302，以将微波信号的电场集中到光谐振器110上。方框716在微波腔112的内表面和中心引脚114的外表面上形成超导膜。
方框716在下衬底102上制造量子比特104。应当注意，量子比特104可以用超导材料制成，并且可以与如上所述的相同衬底102集成，或者可以被形成在单独的封装中，随后连接或附加到设备上。
方框718在例如底部衬底102中形成波导，其耦合到光谐振器110并且提供从光谐振器110到片上或片外的其他设备的调制信号的通信。方框720形成将量子比特104耦合到微波腔112中的微波电场的超导耦合路径106。耦合路径可以包括例如微波天线或超导信道。块722组装换能器，将顶部衬底120放置在底部衬底102上并将微波腔112的中心引脚114对准光谐振器110上方，使得来自中心引脚114上的回音壁模式的电场应用于光谐振器110。
现在参考图8，示出了可选的底部衬底802的俯视图。量子比特104、超导通道106和波导108被示出为与图2的实施例类似地放置。然而，代替具有光谐振器110放置在顶部上方的下腔111，该实施例具有直接放置在底部衬底802上而没有下腔的环形光谐振器804。可选地，该实施例可以具有盘形振荡器作为光谐振器804。
现在参考图9，示出了引脚114和光谐振器804之间的连接的更详细的横截面图。可以看出，谐振器804直接搁置在底部衬底102上，并且在脊302的正下方的横截面中示出。
已经描述了集成微波到光单光子换能器的优选实施例(其旨在是说明性的而非限制性的)，应注意，本领域技术人员可以根据上面的教导进行修改和变化。因此，应该理解，可以在所公开的特定实施例中进行改变，这些改变在所附权利要求所概述的本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种换能器，包括：
具有腔的衬底，所述腔具有支持输入信号的频率处的回音壁模式的直径；
所述腔中的聚焦结构，被配置为聚焦输所述入信号的电；以及
直接位于所述聚焦结构下方的谐振器，所述谐振器具有晶体结构，当暴露于电场时所述晶体结构产生电光效应，其中所述输入信号的电场通过所述电光效应调制所述谐振器中的输出信号。
2.根据权利要求0所述的换能器，其中所述腔是圆柱形的，并且所述聚焦结构是与所述腔同轴的中心引脚。
3.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，还包括超导膜，所述超导膜直接形成在所述腔的内表面上和所述聚焦结构的外表面上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述谐振器由第一材料形成，所述第一材料在顶表面中具有凹槽，在所述凹槽中形成有第二材料，其中所述第二材料在所述第一材料的晶体结构中产生应变以在所述谐振器中产生电光效应。
5.根据权利要求4所述的换能器，其中所述谐振器包括光盘结构。
6.根据权利要求4所述的换能器，其中所述谐振器包括光环结构。
7.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述聚焦结构是圆柱形引脚，所述圆柱形引脚包括面向所述谐振器的表面，所述表面具有沿着外圆周的脊。
8.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，还包括位于所述光谐振器下方的第二腔，所述第二腔具有与所述衬底中的腔相同的直径。
9.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述腔与微波频率处的回音壁模式共振，并且所述谐振器在光频率处共振。
10.一种量子计算设备，包括：
量子比特，被配置为在第一频率处提供第一信号；以及
耦合到所述量子比特的根据权利要求1至9中任一项所述的换能器。
11.一种用于形成换能器的方法，包括：
通过在谐振器材料上沉积应变材料以使谐振器材料的晶体结构应变以在暴露于电场时产生电光效应，在第一衬底上制造以第一频率谐振的谐振器；
制造具有腔的第二衬底，所述腔具有支持第二频率处的回音壁模式的直径；以及
在所述第一衬底上对准所述第二衬底，使得微波腔中的聚焦结构与光谐振器对准。
12.根据权利要求1所述的方法，其中制造所述谐振器包括：
图案化所述谐振器以形成凹槽；以及
将所述应变材料沉积在所述凹槽中。
13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括在所述腔中沉积超导膜。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，还包括在所述聚焦结构的面向所述谐振器的表面的外边缘上形成脊。
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