CN110333637B - 基于马赫曾德尔干涉仪-微环耦合的可调非线性频率变换波导芯片 - Google Patents

基于马赫曾德尔干涉仪-微环耦合的可调非线性频率变换波导芯片 Download PDF

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Abstract

基于马赫曾德尔干涉仪‑微环谐振腔耦合的可调非线性频率变换波导芯片，在二阶或/和三阶非线性光学材料上加工出波导光路，设计波导MZI作为微环谐振腔的耦合波导，通过热光、电光、光光效应器件来调控干涉仪中两臂的相位差实现对微环品质因子即腔共振峰品质因子的调控，实现对微环中非线性变频过程的控制及优化，包括经典非线性参量过程和产生量子光源的自发参量过程；所述MZI‑微环耦合的芯片器件上由相位可调的MZI和微环谐振腔构成。该芯片是一种工艺误差容忍度高、动态可控、多用途的非线性频率转换器件，作为高效率非线性参量转换器件、高亮度单光子双光子和多光子光源产生器件。

Description

基于马赫曾德尔干涉仪-微环耦合的可调非线性频率变换波 导芯片
技术领域
本发明涉及集成光学、非线性光学、量子光学、非线性材料和光电子技术领域，是用集成光学理论和技术途径来实现高效率的非线性频率变换器件和高品质的量子光源产生器件。
背景技术
波导微环谐振腔是一种用途广泛、品质优异的集成光学器件，广泛应用于经典的传感、滤波、开关、延迟、非线性频率转换以及量子领域的量子光源产生[1]。微环谐振腔的基质材料有硅、铌酸锂、氮化硅、镓砷、铝镓砷等多种材料，其中铌酸锂[2-6]和硅[1]作为二阶和三阶非线性光学材料的代表，在波导微环谐振腔[1,5]的制备和应用方面各具有明显的优势。铌酸锂具有高的二阶非线性系数，并且可以进行周期极化实现相位匹配，实现高效率的非线性频率转换，同时具有高效快速的电光效应器件，可以实现低半波电压的高速电光调制[2,4]。当前，利用铌酸锂薄膜已经将半波电压降到2V[4]，调制速度达到100GHz以上[6]。而硅波导微环谐振腔因为和CMOS兼容的工艺优势，以及强的模式局域效果、较大的三阶非线性系数以及热调相位技术，所以已经成为一种非常有应用前景的微环谐振腔[1]。
一般的微环谐振腔的耦入耦出是通过直波导完成，即设计直波导和微环有一段靠近耦合的区域[见参考文献1的图2]，设计合适的耦合间距和耦合长度使得耦合系数达到一定的取值，比如临界耦合，即由耦合系数决定的外品质因子和由微环传播的本征损耗决定的内品质因子相等的耦合状态(外品质因子大称为欠耦合，内品质因子大称为过耦合)。或者由两根直波导和微环耦合形成的四端口结构，即In、Through、Add、Drop四个口[见参考文献1的图2]，两个直波导和微环分别有一个耦合系数，可以通过设计各自的耦合间距和耦合长度来分别设计微环的耦入和耦出状态。非线性频率转换和纠缠光子对的产生过程在理论上由微环的耦合状态决定[7-9]，一般需要根据不同的应用需求来设计不同的耦合系数。比如连续光的四波混频过程需要四波都处于临界耦合条件时转换效率最高[7]，而量子光源产生的自发四波混频过程则有更多不同的耦合要求[8,9]：比如当需要测到的光子符合数最高时，需要连续泵浦光处于临界耦合条件，而产生的信号和闲置光子要处于特定的过耦合条件，即外品质因子是内品质因子的0.75[8，9]；当需要微环内产生的光子对最多时，需要闲置和信号光子处于另一种过耦合条件，即外品质因子是内品质因子的0.5[8，9]；当需要产生的光子频谱纯度很高时，需要泵浦光的品质因子远低于信号和闲置光子的品质因子[10]。
以上都是理论研究结果，从实验上如何逼近所需的耦合条件是很有挑战的。一般的解决方案是根据前期测试的内品质因子，设计微环和直波导的耦合系数即外品质达到一定的取值，这样试图控制微环处于某种特定的耦合条件。然而，这种通过控制耦合间距和耦合长度的方法来控制耦合系数是难以成功的，原因是加工工艺存在误差、涨落，不同的微加工中心加工的样品也有很大差异，所以微环内品质因子和外品质因子都会有涨落，无法精确达到特定的耦合条件。有一种办法是，通过在一个芯片上设计出很多组耦合间距不同的直波导微环耦合单元，通过测试进行挑选[8]，还有一种串行的做法，就是设计多个不同耦合系数的微环进行串联[11]，从中挑选出接近目标耦合状态的微环进行使用。但是这些设计有明显的不足，一是设计的微环较多，占用空间较大，另一个是耦合参数不能连续调节，只能在设计的多个参数中择优，不能保证连续的对耦合系数进行优化，也就是不能准确达到目标耦合状态。
所以如果能有一种技术方案可以动态调节微环的耦合系数，可以在欠耦合、临界耦合、过耦合的较大范围内进行连续精确的调节，那么就可以动态的优化到不同的耦合条件，适应不同物理过程的需求，将成为提高非线性频率转换效率、量子光源亮度、纯度、全同性、可预知率等的关键器件，会在光通信、非线性光学、量子通信和量子计算等领域获得广泛应用。
参考文献
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发明内容
本发明的目的是，解决上述所提到的问题，采用马赫曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer，缩写为MZI)作为微环谐振腔的耦合波导，实现微环品质因子的动态调控，连续精确的逼近各种非线性过程所需的耦合条件，实现可调非线性频率变换，进而实现高非线性转换效率的经典参量过程以及实现高品质量子光源的芯片器件，达到优化转换光场的强度、纠缠光子的亮度、频谱纯度、全同性、可预知率等参数的目的。所述MZI耦合微环谐振腔的芯片器件可动态优化非线性光学频率转化效率和量子光源品质。
本发明的技术方案是：一种可动态优化非线性光学频率转化效率和量子光源品质的MZI耦合微环谐振腔的芯片器件，即MZI-微环耦合的可调非线性频率变换波导芯片，在二阶或/和三阶非线性光学材料上加工出波导光路，设计波导MZI作为微环谐振腔的耦合波导，所述MZI-微环耦合的芯片器件上主要由相位可调的MZI和微环谐振腔构成，还包括以此为主的扩展结构，例如级联MZI-微环耦合结构、多个独立MZI-微环耦合结构、MZI-微环-直波导耦合结构，如图1所示；通过热光、电光、光光效应器件来调控干涉仪中两臂起码在一条臂上的的相位差实现对环共振峰品质因子的调控，从而实现对微环中非线性变频过程的优化，包括经典非线性参量过程和产生量子光源的自发参量过程。
如图1所示，光从MZI的直波导端入射后经由与微环的耦合区进行耦合分束，分束后一束光场耦入到微环，另一束光场经由干涉仪的另一臂自由传输，两部分光场再次在微环上进行耦合发生干涉，干涉后一部分光场输出，另一部分光场留在环中传输最终稳定为微环的共振模式，共振模式相比于腔外入射波导具有增强的效果，提高腔内光场能量，进而提高微环中的非线性频率转换效率。本发明中的共振增强非线性变频过程受MZI两臂上相位差调控，是一个可以动态优化非线性转换过程的器件。
所述MZI-微环耦合芯片的面积约几十到几百微米见方；基质材料包括能制作成波导的所有二阶和三阶非线性光学材料，包括铌酸锂、硅、氮化硅、砷化镓、铝镓砷、氮化铝等；MZI-微环耦合芯片中优化的非线性过程包含所有的二阶和三阶非线性光学过程，包含倍频、差频、和频、参量放大、参量振荡、自发参量下转换、三倍频、四波混频、自发四波混频过程等；
MZI-微环耦合芯片中的相位通过热光、电光、光光效应器件来调控；微环的共振波长由微环上的热光、电光、光光效应器件来调控；所述MZI-微环耦合芯片还包括MZI-微环耦合结构之前和之后的波导集成光路，用于处理和操控入射到MZI耦合微环结构的泵浦激光以及从MZI耦合微环结构输出的参量光场和量子光源，这两部分波导集成光路都配有电光、热光、光光调制器。MZI-微环耦合芯片为通过干涉仪中相位调制得到高效率、高品质的经典参量光场以及量子光源产生器件。
本发明所述基于MZI-微环耦合的器件实现高非线性转换效率的经典参量过程以及实现高品质的量子光源。
光经由端耦合或者垂直耦合进入直波导后经由与微环的第一个耦合区进行耦合分束，分束后的一束光场耦入到微环，另一部分光场(第二束)经由干涉仪的另一臂自由传输，两部分(光束)光场在微环与波导的第二个耦合区进行耦合，发生干涉后一部分光场输出，另一部分光场留在环中传输最终稳定为环的共振模式；干涉仪两臂(其中一臂为微环中的部分区域，耦合进与耦合出之间)上设置电光、热光、光光调制器来调控两路光程差改变干涉仪的输出效果，即等价于动态调控微环的耦合系数、外品质因子和总品质因子，从而优化微环中非线性过程的效率和产生量子光源的品质。
MZI的两臂光程差根据需要设计成不同值。设置所述MZI-微环耦合的波导芯片的臂差为微环周长的整数倍，调节MZI两臂相位差能同步调节所有共振峰的品质因子，实现非线性过程中的几个波长同时达到临界耦合或其他特定的耦合状态；设置所述MZI-微环耦合的波导芯片的臂差为微环半周长的奇数倍时，实现微环中近邻共振峰的品质因子超相反方向变化，即一个共振峰品质因子提高的同时其左右近邻的品质因子在下降，最终实现两个波长品质因子达到一定的比值，进而优化量子光源的产率、频谱纯度等；设置所述MZI-微环耦合的波导芯片的臂差为其他值时，各共振峰的变化趋势各有不同，按需设计。
以Mach-Zehnder干涉仪和微环谐振腔为主，还包括其他相近的扩展结构，还包括以此为主的扩展结构，例如级联MZI-微环耦合结构、多个独立MZI-微环耦合结构、MZI-微环-直波导耦合结构：级联的Mach-Zehnder干涉仪，即干涉仪中有三个及以上的与微环耦合的区域，通过多个相位调制起来实现更大自由度的品质因子调控，还包括两个或两个以上独立的Mach-Zehnder干涉仪和微环的耦合，每个干涉仪分别控制不同共振波长的品质因子，还包括引入额外的耦合直波导，形成四端口的微环结构；所述MZI-微环耦合芯片包含MZI-微环耦合结构和其扩展结构的各种组合，提供阵列式的非线性变频器件和量子光源器件；所述MZI-微环耦合芯片还可包括对入射光场和出射光场进行线性光学处理的波导集成光路。
本发明的设计有两个技术要点：一是MZI中设有相位调制器来调控干涉仪的状态，即等价于动态调控微环的耦合系数，即外品质因子和总品质因子，二是干涉仪两臂的光程差按需设计，比如设计成微环周长的整数倍或整数分之一，或者设计成半周长的奇数倍以及奇数分之一，此时MZI的干涉周期与微环共振峰间距之间有一定的关系，使得MZI起到调节参与非线性过程的各共振峰的品质因子的作用。综合以上两点，MZI中相位调制器可以调制微环中参与非线性过程的几个波长的品质因子，进行按需调控，从而优化其非线性产生过程的效率和产生量子光源的品质。
本发明的关键是：(1)由MZI代替传统的直波导来实现微环的耦入耦出，(2)MZI内设有相位调制器，调节相位引起干涉仪的干涉结果变化，实现微环耦合系数的动态调节；(3)MZI的两臂臂长差按需设计，根据其中发生的非线性过程需要进行设计，设计不同共振峰的耦合系数具有特定的变化规律。
所述的可调非线性频率变换波导芯片的应用，MZI-微环耦合芯片通过其干涉仪中相位调制得到高效率的经典参量光场以及高品质的量子光源即可以制备得到高效非线性变频器件以及高亮度单光子、双光子、多光子、高预知率单光子源、高纯度单光子、双光子及多光子源等量子光源器件。
有益效果：本发明主要基于MZI对微环耦合系数的动态调控以及这种动态调控的波长依赖性，对非线性光学过程具有决定性的影响：(1)随着微纳加工技术的进步，波导的特征尺寸越来越小，比如硅波导、铌酸锂薄膜波导，1550nm的波导单模尺寸为几百纳米左右，那么微环的和MZI的尺寸都可以越来越小，控制在几百微米见方的空间内，使得微环器件具有很好的集成度和扩展性；(2)该发明利用波导芯片上的电光、热光、光光效应器件，实现MZI和微环之间耦合的动态调控，而且耦合系数可以在很大范围内精确调节，是一种可调控、可配置、集成度高、多用途的设计；(3)微环中的场增强效果明显，非线性效应器件提升明显，且非线性过程的效果由品质因子唯一决定，所以调节耦合系数即是操控了非线性光学过程，使得微环中的非线性过程按着需要的状态设计；(4)该设计具有普适性，不但适用于所有的二阶非线性过程，还包括所有的三阶非线性过程，不单适用于经典的非线性频率变换过程，还适用于量子光源的按需设计，比如量子光源亮度、纯度、全同性可以进行分别优化和协同优化。
基于以上特点，设计了一种可动态优化非线性光学频率转化效率和量子光源品质的Mach-Zehnder干涉仪耦合微环谐振腔的芯片器件，提供一种高效的变频芯片器件，也是一种高亮度、高纯度、高全同性、高可预知率量子光源的波导芯片器件。
通过热光、电光、光光效应器件来调控干涉仪中两臂的相位差，实现对环共振峰品质因子的调控，从而实现对微环中的经典非线性参量过程效率和量子光源的品质的调控和优化。该芯片是一种工艺误差容忍度高、动态可控、多用途的非线性频率转换器件，作为高效率非线性参量转换器件、高亮度单光子双光子和多光子光源产生器件、高预知率的单光子源器件、高频谱纯度的单光子双光子和多光子源器件等。
附图说明
图1基于耦合波导实现非线性频率变换的波导芯片结构示意图(其中每一区域的功能单元只作简单示意)；
图2硅基MZI-微环耦合的高效四波混频的芯片器件；
图3微环共振峰和MZI的干涉周期(两个FSR相等)；
图4理论计算MZI-微环耦合芯片中四波混频出来的闲置光转换效率(与入射信号光之比)随着MZI相位变化图，在两个相位(电压下)能优化到最高转换效率；
图5实验测试的连续光泵浦时的闲置光转换效率(红(淡)线是理论效率)；
图6实验测试的闲置光转换效率随泵浦光功率关系；
图7硅基MZI-微环耦合的高亮度双光子产生的芯片器件；
图8实验上调节MZI电压(外内品质因子比值)得到的双光子符合率；
图9微环共振峰和MZ干涉仪的干涉周期(微环FSR是MZI的FSR的1/2)；
图10理论上调节电压时泵浦、信号(闲置)品质因子的变化趋势，其比值是可以在很大范围内调节；
图11泵浦品质因子为信号(闲置)3倍时的信号光单光子的g(2)值；
图12基于双MZI-微环耦合的高全同性四光子产生的芯片器件；
图13为图12芯片中泵浦光随M1调制器电压变化从另一波导入口输出的能量，反应了顺、逆时针泵浦的能量分配状态；
图14泵浦、信号(闲置)的透射谱；
图15泵浦MZI的C1和C2耦合间距为160nm，信号闲置MZI的C3、C4耦合间距为260nm时的双光子关联频谱，接近解关联形式；
图16级联MZI-微环耦合的芯片器件结构图；
图17级联MZI-微环耦合结构中的双光子关联频谱。
具体实施方式：
Mach-Zehnder干涉仪(MZI)耦合微环谐振腔的芯片器件主要由相位可调的MZI-微环耦合的器件单元构成，还包括以此为主的扩展结构，例如级联MZI-微环耦合结构、多个独立MZI-微环耦合结构、MZI-微环-直波导耦合结构。这些构成芯片的核心模块，也就是图1中的区域II。区域II中有四个典型结构，自上到下的第一个和第二个结构是不同臂长的单MZI-微环耦合的结构，第三个是级联MZI-微环耦合的结构，第四个是多个独立MZI-微环的耦合结构。芯片上还包括除这一核心模块之前和之后的波导集成光路，用于处理和操控入射到MZI-微环耦合模块的泵浦激光以及从MZI-微环耦合模块出射的参量光场和量子光场，这两部分集成光路都配有电光、热光、光光调制器，II区域之前之后的波导集成光路分别称为区域I、区域III。
基质材料包括能制作成波导的所有二阶和三阶非线性光学材料，包括铌酸锂、钽酸锂、KDP、KTP、硅、氮化硅、砷化镓、铝镓砷、氮化铝等；
MZI-微环耦合芯片中优化的非线性过程包含所有的二阶和三阶非线性过程，包含倍频、差频、和频、参量放大、参量振荡、自发参量下转换、三倍频、四波混频、自发四波混频过程等；
MZI-微环耦合芯片通过干涉仪中相位调制得到高效率、高品质的经典参量光场以及量子光源产生器件，包括高效率变频器件、高亮度单光子双光子及多光子光源、高预知率的单光子源、高纯度单光子双光子及多光子源等器件；
MZI-微环耦合芯片中的相位通过热光、电光、光光效应器件来调控；
区域II中的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)耦合微环谐振腔的芯片单元是整个芯片的核心，是本发明的创新之处。
这里具体解释其工作原理：一般微环的耦入耦出由直波导和微环进行耦合，其耦合区可以用一个2*2的矩阵来表示，即
Figure BDA0002097910910000081
其中t为直波导入射的未进微环的光场，κ称为微环和直波导之间的耦合系数，也就是从直波导入射的光场有κ比例会耦合进微环，满足|κ|2+|t|2＝1；κ是决定微环的外品质因子也就是究竟处于临界耦合、过耦合还是欠耦合的关键参数。
现在本发明提出用MZI作为微环的耦合波导，那么可以将MZI和微环的耦合看成耦合、传输、耦合三个2*2矩阵的连乘，得到一个最终的等价耦合矩阵为
Figure BDA0002097910910000082
这里l1为MZI中两臂中微环那一臂的长度，l2是MZI中另一臂的长度，φ＝β(l2-l1)+θ是两臂的相对相位差，包含两部分，一部分是由臂长差决定的相对相位差β(l2-l1)，β是波导中的传播常数，另一部分是施加在MZI一臂上的电光、热光或光光效应器件引起的相位差θ。根据这个耦合矩阵，发现现在的等效耦合系数为
Figure BDA0002097910910000083
所以不同的臂长差l2-l1及相对相位可以有效调节微环的耦合系数。对于微环的某一共振峰，φ＝θ，即调节两臂的相位差会调节耦合系数即外品质因子，选择临界耦合、欠耦合和过耦合状态。而臂长差Δl＝l2-l1对不同波长来说其引起的相位差是不同的，即不同共振峰具有不同的相位差，即各自的品质因子变化规律将各不相同。所以可以通过臂长差的设置来设置参与非线性过程的几个频率各自的品质因子变化规律，达到按需设计的目的。但是，需要注意的是实际的等效耦合矩阵还需要考虑MZI中传输损耗不对称的问题，等效的耦合系数、内外品质因子等需要有稍许修正，但是其工作原理是不变的。
基于硅基波导的可动态优化非线性光学频率转化效率和量子光源品质的Mach-Zehnder干涉仪耦合微环谐振腔的芯片器件，以下具体实施例1-例5是以MZI耦合微环微核心器件的经典四波混频和量子光源产生器件。本发明实施例中所有芯片器件的基质材料都是硅，但并不限于硅材料，硅波导的截面尺寸为500nm×220nm，缓冲层是二氧化硅，这是针对1550nm的单模波导，微环曲率半径为28μm，在1550nm附近微环的微环共振峰间隔即自由光谱区为3.2nm(400GHz)。MZI的短臂长为l1，长臂长l2，两臂光程差设置为Δl。长臂上设置有长度为l3的热光调制器(l3<l2)，MZI和微环的先后两次耦合的区域都是以和微环相同的曲率半径相靠近耦合。
实施例1：基于硅基的MZI-微环耦合的高效四波混频的芯片器件。
实施例1是硅基MZI-微环耦合的高效四波混频的芯片器件，如图2。四波混频过程是指将两个泵浦光场与一个信号光场进行差频，得到另一个闲置光场，信号和闲置光场的要与两个泵浦光场之间满足能量守恒和动量守恒。对于微环结构，四个光场要都处于环的共振模式。MZI-微环的两臂光程差设置Δl＝2πR＝175.929μm，此时MZI的自由光谱区和微环相同，都是3.2nm(400GHz)，调节MZI相位时所有共振峰经历相同的变化，即品质因子同时增加或者减，如图3所示。MZI和微环的两个耦合区的耦合间距均为180nm，此时的每个耦合区的耦合系数为κ＝0.1443(波长为1550nm，保证MZI的等效耦合系数κ′的最大值达到过耦合条件)，调节两臂的相位差，可以使等效耦合系数从接近零到较大值再回到零附近，即从欠耦合状态连续调到过耦合状态再回到欠耦合，也就是一个相位调节周期2π会经历两次临界耦合状态。根据理论计算，连续光的四波混频过程在四波都是临界耦合条件时，得到最大的四波混频转换效率[7]，即最大的闲置光输出(信号光放大效果)。这里，通过调节MZI的相位就可以将微环优化到临界耦合状态，而且在一个周期内会出现两次临界耦合状态，所以预期在调节相位差时，差频光转换效率会在一个周期内出现两个极大值。
图4是理论计算该芯片中四波混频出来的闲置光转换效率(与入射信号光能量之比)随着MZI相位变化图，在临界耦合附近应有最高的转换效率，过耦合和欠耦合条件下，转换效率明显下降。
图5是实验上连续光泵浦时测量到的闲置光转换效率，泵浦光、信号光波长分别为1549.3nm、1546nm，功率(芯片耦入MZI之前的直波导中功率)分别88μw、22μw。实验发现调节MZI的电压也就两路相位差，发现确实有两个极大值，也都是在临界耦合条件附近。但是因为实际的MZI-微环芯片要考虑长短臂不同的损耗系数，导致内外品质因子的实际测量值较理想情况(长短臂损耗一致)有所偏差，所以极大值出现的位置有所偏差，但是趋势基本不变。图5中实验测试的连续光泵浦时的闲置光转换效率(红(淡)线是理论效率)。
图6是信号光功率不变并设置MZI电压处于闲置光最高转换效率处，提高泵浦光功率得到的闲置光转换效率，和泵浦功率基本呈平方关系。在接近0.7mW时，得到31dB的转换效率，这比发表的其他发表文章里的转换效率都要高很多，这证明了该结构确实可以提高四波混频转换效率。
实施例2：MZI-微环耦合的高亮度双光子产生的芯片器件
实施例2和实施例1的结构相同，图7，也是两臂处于Δl＝2πR＝175.929μm，但是不同的是这是用作高亮度双光子产生的芯片器件，其输入输出光的配置和性质不同。该芯片的入射端只有泵浦光，在微环中发生自发四波混频过程，两个泵浦光子湮灭产生一对信号、闲置光子对，这是产生纠缠光子对的过程，该过程是泵浦临界耦合、信号闲置过耦合且Qe＝0.75Qi时符合计数率最高。
图8是采用1549.3nm的连续泵浦光泵浦该结构时，实验上调节MZI电压(外内品质因子比值)得到的双光子符合率，将MZI上施加的电压对应到外内品质因子，发现确实在接近0.75比值时有个极大值，说明确实该结构起到了优化光子对产率的作用。同样单光子预知率、信噪比、单光子纯度g(2)等都能得到优化，一个结构可以满足多种光源的需要。
实施例3：MZI-微环耦合的高纯度双光子产生的芯片器件
实施例3和具体实施例1和例2的结构类似，但是MZI两臂处于Δl＝πR＝87.965μm，研究其中自发四波混频产生的双光子对的光谱纯度调控，即如何得到纯态频谱的光子源，这对于量子干涉、量子计算有重要意义。此时MZI的自由光谱区FSR是微环的两倍，所以当泵浦光设置在某个共振峰后，其产生的处于近邻共振峰的信号和闲置光子的品质因子和泵浦不同，也就是说随着MZI中一臂上电压的变化，信号、闲置品质大小和变化规律完全相同，而与泵浦的变化规律完全相反。所以可以调整电压得到一些特定的状态：即泵浦光的品质因子大于及远大于信号闲置光子，这正是频谱解关联的充要条件。
图9是微环谐振谱以及MZ干涉仪的频谱示意图，微环共振峰和MZ干涉仪的干涉周期(微环FSR是MZI的FSR的1/2)，即MZ干涉仪的干涉周期为微环谐振周期的两倍。图中的MZ干涉曲线，刚好使得相邻两个微环谐振波长分别在MZ干涉中相长和相消。通过调节微环上的相位调制器，可以使得图中的微环谐振谱左右移动。调节MZ干涉仪的相位调制器，图中MZI的干涉曲线也左右移动。
图10是理论上调节电压时泵浦、信号(闲置)品质因子的变化趋势，能看出他们的比值是可以在很大范围内调节。
图11是泵浦品质因子为信号闲置的3倍时的信号单光子的g(2)值，接近2。这是反应单光子频谱纯度的测试，g(2)为2时光子频谱纯度为100％。
实施例4：基于双MZI-微环耦合的高全同性四光子产生的芯片器件。
实施例4是制备了一种基于硅基的双MZI-微环耦合的双向传输的四光子源芯片。两个MZI和微环构成四端口系统，两个MZI分别调节泵浦光和产生的信号闲置光，两个MZI的臂差都设置为Δl＝πR＝87.965μm,微环大小28μm，和前面都相同，也能就是环的共振峰可以被周期性的抑制，抑制周期是两倍的微环自由光谱区，研究其中的自发四波混频产生四光子的过程。调节两个MZI的相位可以分别让他们抑制不同波长，实现对泵浦波长以及产生光子对波长的选择，比如一个MZI抑制泵浦光从环里耦出，另一个抑制信号闲置从微环里耦出，这样可以分别管理他们的品质因子，两个MZI的耦合间距设计成不同取值，设置泵浦光MZI的耦合系数偏大，使得其外品质因子远小于信号闲置的外品质因子，那么可以得到频谱解关联的光子对。同时，该结构采用顺时针和逆时针双向泵浦的方式，泵浦光从一个MZI耦入微环，另一个MZI的两个口分别得到顺时针和逆时针的双光子对，共四光子。因为用到了同一个微环的顺逆时针方向，所以两对光子的频谱全同，所以双MZI双向泵浦的设计使得该芯片器件能够输出全同的纯态四光子对。
芯片划分为三个区域：泵浦激光分束区域A、微环谐振腔区域B和片上滤波和干涉区域C。泵浦激光分束区域A由波导MZ干涉仪结构实现，分束比由MZ干涉仪的相位调制器调控。泵浦激光分束后，进入区域B，分别从顺时针方向和逆时针方向进入MZI-微环，两个方向分别产生一对纠缠光子，两对纠缠光子分别沿顺时针和逆时针方向，通过输出端的MZ干涉仪耦出谐振腔，从MZI的两个方向的直波导分别耦出，这是本芯片的核心区域。然后进入芯片区域C即片上滤波干涉区域。片上滤波区域由不等臂MZ干涉仪实现，臂差πR，干涉周期为微环谐振周期的四倍，用于将泵浦光与信号闲置进行分离，后面再对信号、闲置用πR/2的不等臂干涉仪进行分离，然后将两个闲置光子或者两个信号光子在预知条件下进行两光子干涉实验，进行光子纯度检验，这实际上是四光子符合实验。
我们对图12芯片中各个单元进行标号。抽运激光从波导1输入，经过MZI进行分束。分束MZ包括50:50分束器2、5，波导3、4，以及相位调制器M1。通过调节相位调制器M1的相位值，可以实现可调分束比。分束后的激光进入波导6、7，即微环谐振腔区域B。微环谐振腔区域B主要结构包括微环波导9，微环相位控制器M3，输入端MZI(由长臂波导8、耦合区C1、耦合区C2、相位控制器M2构成)，输出端MZI(由长臂波导10、耦合区C3、耦合区C4、相位控制器M4构成)。抽运激光从波导6、7进入，通过调整相位控制器M2、M3、M4使得抽运激光通过输入端MZI耦入、耦出微环，并在微环中能够沿顺时针、逆时针方向谐振，产生的光子对从输出端MZI耦出进入波导11、12。其中耦合区C1、C2的耦合强度和耦合区C3、C4的耦合强度的设置，分别影响泵浦光和转换光的品质因子Q，设计泵浦MZI和微环的耦合间距较小，降低其品质因子。波导11中的一对转换光子和波导12中的一对转换光子随后进入片上滤波和干涉区域C。片上滤波区域由上下两个不等臂MZ干涉仪构成，干涉周期均为微环谐振周期的四倍。上半部分的MZI包括50:50分束器13、19，波导15、16，相位控制器M5。下半部分的MZ干涉仪包括50:50分束器14、20，波导17、18，相位控制器M6。通过相位调制器调控相位，可使得不等臂MZI区分信号和闲置光子波长。四倍于微环谐FSR的干涉周期，可以分离相差两倍2FSR的光子，使得分别从干涉仪的两个输出端口输出。配置M5、M6使得闲置(信号)光子从外21、24波导输出，信号(光子)从22、23波导输出后再进入到一个MZI进行干涉，这个干涉仪包括分束器25、28，波导26、27和相位调制器M7，干涉结果输出到波导29、30，波导21、24、29、30耦出到单光子探测器进行探测。
图13图12芯片中泵浦光随M1调制器电压变化从另一波导入口输出的能量，反应了顺逆时针泵浦的能量分配状态。
图14是泵浦MZI的C1和C2耦合间距为160nm，信号闲置MZI的C3、C4耦合间距为260nm时的泵浦、信号(闲置)的透射峰，测得半宽分别为：0.082nm、0.034nm。
图15是在图14条件下测得的双光子关联频谱，具有近解关联形式，得到了纯度较高的光子对。同时也测量到了顺逆时针产生的四光子符合。
实施例5：级联MZI-微环耦合的高频谱纯度光子源产生的芯片器件
实施例5是一种级联MZI-微环耦合结构，目的是用级联MZI中的两个相位变化来操控各共振峰的品质因子，比前面单MZI-微环耦合结构多了一个相位调制器，可以实现品质因子的灵活可控设计。
图16是级联MZI-微环耦合结构图。级联MZI的两个长臂比在微环上的短臂都是长πR。图17是两个相位调制器的电压取在特定值使得信号(闲置)品质因子是泵浦品质因子的2.94倍时，测到的信号闲置光子的关联频谱强度，这是一个比较好的解关联形式，也就是说信号、闲置的频谱比较纯。

Claims (7)

1.一种基于马赫曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInteferometer，MZI)-微环耦合的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，所述MZI-微环耦合的芯片器件由相位可调的MZI和微环谐振腔构成，在二阶或/和三阶非线性光学材料上加工出波导光路，设计波导MZI作为微环谐振腔的耦合波导，通过热光、电光、光光效应器件来调控MZI干涉仪中两臂的相位差实现对微环品质因子即腔共振增强效果的调控，实现对微环中非线性变频过程的控制及优化，非线性过程包括经典非线性参量过程和产生量子光源的自发参量过程；
MZI的分束的两臂设有一定的光程差，而且两臂上起码在一条臂上的相位差能动态调节；两臂上相位差由MZI-微环耦合芯片中的相位调制器来调控，即通过热光、电光、光光效应器件来调控；微环的共振波长由微环上的热光、电光、光光效应器件来调控；
相位可调的MZI和微环谐振腔的结构，包括级联MZI-微环耦合结构，即干涉仪中有三个及以上的与微环耦合的区域，通过多个相位调制起来实现更大自由度的品质因子调控，包括两个或两个以上独立的Mach-Zehnder干涉仪和微环的耦合，每个MZI干涉仪分别控制不同共振波长的品质因子。
2.根据权利要求1所述的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，引入额外的耦合直波导，形成四端口的微环结构；所述MZI-微环耦合芯片包含MZI-微环耦合结构和其扩展结构的各种组合，提供阵列式的非线性变频器件和量子光源器件；所述MZI-微环耦合芯片还包括对入射光场和出射光场进行线性光学处理的波导集成光路。
3.根据权利要求1所述的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，所述MZI-微环耦合芯片的基质材料包括能制作成波导的所有二阶和三阶非线性光学材料，包括铌酸锂、硅、氮化硅、砷化镓、铝镓砷、氮化铝、氧化钽；MZI-微环耦合芯片中优化的非线性过程包含所有的二阶和三阶非线性光学过程，包含倍频、差频、和频、参量放大、参量振荡、自发参量下转换、三倍频、四波混频、自发四波混频过程。
4.根据权利要求1-3任一所述的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，所述MZI-微环耦合芯片还包括MZI-微环耦合结构之前和之后的波导集成光路，用于处理和操控入射到MZI耦合微环结构的泵浦激光以及从MZI耦合微环结构输出的参量光场和量子光源，这两部分波导集成光路都配有电光、热光、光光调制器。
5.根据权利要求4所述的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，光经由端耦合或者垂直耦合进入直波导后经由与微环的第一个耦合区进行耦合分束，分束后的一束光场耦入到微环，另一束光场经由干涉仪的另一臂自由传输，两束光场在微环与波导的第二个耦合区进行耦合，发生干涉后得到新的两束光场，一束光场经由直波导输出，另一束光场留在环中传输最终稳定为环的共振模式；干涉仪两臂上起码一臂上设置电光、热光、光光调制器来调控两路光程差改变干涉仪的输出效果，即等价于动态调控微环的耦合系数、外品质因子和总品质因子，从而优化微环中非线性过程的效率和产生量子光源的品质。
6.根据权利要求4所述的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，MZI的两臂光程差根据需要设计成不同值：设置所述MZI-微环耦合的波导芯片的臂差即光程差为微环周长的整数倍，调节MZI两臂的光程差即相位差能同步调节所有共振峰的品质因子，实现非线性过程中的几个波长同时达到临界耦合或其他特定的耦合状态；设置所述MZI-微环耦合的波导芯片的臂差为微环半周长的奇数倍时，实现微环中近邻共振峰的品质因子朝相反方向变化，即一个共振峰品质因子提高的同时其左右近邻的品质因子在下降。
7.根据权利要求1-6任一所述的可调非线性频率变换波导芯片的应用，其特征是，MZI-微环耦合芯片通过其干涉仪中相位调制得到高效率的经典参量光场以及高品质的量子光源即可以制备得到高效非线性变频器件以及高亮度单光子、双光子、多光子、高预知率单光子源、高纯度单光子、双光子及多光子源量子光源器件。
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