CN110646882B - 极化无关的宽带波导分束器 - Google Patents

极化无关的宽带波导分束器 Download PDF

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Abstract

一种极化无关的宽带波导分束器，包括：两个波导组成的至少一个交叉耦合区域和一个平行耦合区域，具体包括：至少一个交叉耦合区域、至少一个平行耦合区域和第二个交叉耦合区域组成或一个交叉耦合区域和至少一个平行耦合区域。本发明能够实现大规模光量子计算的内核——实现多粒子量子随机行走网络的芯片。由于结构的极化无关特性支持不同极化编码的入射光，可实现更高维的量子计算。

Description

极化无关的宽带波导分束器
本申请为申请号201810632397.4，申请日2018/6/19，名称为极化无关的宽带波导分束器的分案申请。
技术领域
本发明涉及的是一种光信息的技术，具体涉及一种分束比例被动可调的极化无关的宽带波导分束器。
背景技术
极化无关分束器件是光信息领域非常重要的基础元件，在光通信、量子通信、量子计算等诸多领域应用广泛。然而现有的可集成的波导型分束器件进行耦合分束时由于波导存在双折射效应，对于不同极化入射的光信号耦合强度存在差异，无法进行完美的极化无关分束，这将给对后续及整体实验带来难以测量的影响。
经过对现有技术的检索发现，Alexander Szameit等在《Control of directionalevanescent coupling in fs laser written waveguides(飞秒激光写入波导中方向性倏逝耦合的控制)》,19February 2007/Vol.15,No.4/OPTICS EXPRESS 1579，中公开了椭圆波导在耦合方面表现出强烈的各向异性，但该技术中涉及的各向同性的圆波导阵列的性能依旧难以满足目前光通信领域的需求。
发明内容
本发明克服了现有基于双折射波导引起的系列问题，提出一种极化无关的宽带波导分束器，可为波分复用提供基础支撑。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种极化无关的宽带波导分束器，包括：两个波导组成的至少一个交叉耦合区域和一个平行耦合区域，其中：
所述的宽带极化无关分束器的一种优选结构为：至少一个交叉耦合区域、至少一个平行耦合区域和第二个交叉耦合区域组成或一个交叉耦合区域和至少一个平行耦合区域，其中：两个波导以S型弯曲形式进行交叉耦合，经平行耦合后再次进行交叉耦合。
所述的S型弯曲采用两段曲率半径最大的圆弧在相切处重合的衔接方式以实现辐射损耗最小。
所述的耦合，满足光在波导中的传输满足亥姆霍兹方程：
Figure GDA0002242056790000011
其中，A(x,y)是模场直径，neff是传输模式的有效折射率，x、y均根据本领域技术人员常识定义；。
所述的两个波导为全同波导，考虑无微扰的同向平行单模耦合情形下，该两根波导之间的耦合满足：
Figure GDA0002242056790000021
其中：A、B分别为归一化振幅，A(z)为光注入口，即A(0)＝1，B(0)＝0，对应A(z)＝coscz，B(z)＝isincz，能量将在两根波导间互相转移，耦合系数
Figure GDA0002242056790000022
即耦合系数c随着耦合间距的变化发生非线性变化，z根据本领域技术人员常识定义。
所述的极化无关的宽带波导分束器为比例分束可调，具体为：由于在于耦合系数c值曲线交叉点处的H光与V光的耦合系数强度相等，当交叉耦合的耦合间距小于c值曲线交叉点处的耦合间距时，H光的耦合系数强度大于V光，反之，V光大于H光。因此总能调整两根S型弯曲臂的结构，实现H光与V光耦合能量转移情况相等。此时，经过交叉后第一波导与第二波导的位置互换，但这并不影响它们之间平行耦合的能量转移。为了实现更稳定的极化无关，平行耦合区域的耦合间距等于H光和V光的c值曲线相同时的耦合距离，那么调整平行区域的耦合长度即可实现任意分束比例的调控。
优选地，所述的能量将在两根波导间互相转移，经过耦合实现接近50/50分束的位置将第一波导与第二波导再次进行交叉耦合进行调谐后分开，使得经过两次交叉耦合一次平行耦合的对称结构能够实现非常稳定的任意比例分束的极化无关分束、光的极化相关损耗可调整为一致，并且该结构的被动调控操纵较为容易实现，无需额外的电压电流调制等，是良好的集成光学无源器件。
本发明涉及一种光量子计算芯片，包括若干个上述比例分束可调的宽带极化无关分束器。
本发明涉及上述光量子计算芯片的应用，将其用于接收直接对光子极化自由度编码的任意光量子比特。
技术效果
与现有技术相比，本发明实现了宽带波导型极化无关分束器，属于片上无源器件。该发明对不同注入口具有对称相同的效果，并且极化相关损耗可调谐为一致。该发明能够在同一个平面内实现，方便与其他器件进行串联或并联，适合集成印刷、或混合集成等大规模使用。该发明对各个波长通用，可为波分复用提供基础支撑。本发明能够实现大规模光量子计算的内核——实现多粒子量子随机行走网络的芯片。由于结构的极化无关特性支持不同极化编码的入射光，可实现更高维的量子计算。
附图说明
图1为本发明两个交叉耦合加平行耦合的结构示意图；
图中：a为俯视图；b为A向示意图；c为B向示意图；
图2为本发明一个交叉耦合加平行耦合的结构示意图；
图中：a为俯视图；b为A向示意图；c为B向示意图，x、y、z均根据本领域技术人员常识定义；
图3a与图3b为本发明多级串联的结构实现大规模光量子计算芯片示意图，其中所含的极化无关分束器的数量可根据情况进行调整；
图4为S型弯曲示意图；
图5为不同极化情况的c值曲线示意图；
图6a为置于基底的波导交叉后折射率的分布示意图；图6b为通过束传播法、采用透明边界条件进行模拟得到的波导内光强演化示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种两个交叉耦合加平行耦合的结构，其具体包括：第一和第二波导101、102，该结构为一个交叉耦合区域1、一个平行耦合区域2和第二个交叉耦合区域1。
所述的波导不限于圆形截面、方型截面等的波导；该波导的制备方式不限于飞秒激光直写、UV直写、蚀刻或离子交换等。
所述的交叉耦合为波导101与波导102的完全交叉重叠，交叉处折射率有一定增加。交叉区域的弯曲为两个圆弧相切衔接，如图4所示。图6a为置于基底的类光纤波导极化无关分束结构的波导折射率的分布示意图，折射率在交叉点处会有一个渐变到近似为原来两倍的增加。图6b为通过束传播法、采用透明边界条件进行模拟得到的波导内光强演化示意图。
所述的平行耦合的间距应为能实现波导间极化无关能量振荡的间距，如图5中实线与虚线交叉点处的间距值。不同属性波导可实测出相应不同的C值曲线，得到对应的交叉点处的间距值。
如图4所示，所述的第一波导101和第二波导102均为具有一定双折射性质的单模波导。
本实施例宽带极化无关分束器对于不同极化输入状态对应相同的能量分束输出，损耗小于等于3dB，误差10％以内。
实施例2
如图2所示，本实施例涉及一种一个交叉耦合加平行耦合的结构，其具体包括：第一和第二波导101、102，该结构为一个交叉耦合区域1和一个平行耦合区域2组成。
所述的交叉耦合区域的尺寸要求细节为：为波导101与波导102的完全交叉重叠，交叉处折射率有一定增加。交叉区域的圆弧为两个圆弧相切衔接，如图4所示。图6a为置于基底的类光纤波导极化无关分束结构的波导折射率的分布示意图，折射率在交叉点处会有一个渐变到近似为原来两倍的增加。图6b为通过束传播法、采用透明边界条件进行模拟得到的波导内光强演化示意图。
所述的平行耦合的间距应为能实现波导间极化无关能量振荡的间距，如图5中实线与虚线交叉点处的间距值。不同属性波导可实测出相应不同的C值曲线，得到对应的交叉点处的间距值。
所的第一波导101和第二波导102均为具有一定双折射性质的单模波导。
本实施例宽带极化无关分束器对于不同极化输入状态对应相同的能量分束输出，损耗小于等于3dB，误差10％以内。
实施例3
如图3所示，本实施例涉及一种多级串联等的结构实现大规模光量子计算芯片，其具体包括：多个全同的极化无关分束器等间距串并联组成的对称结构，具有多个输入口。图a与图b分别为不同指数加速的量子随机行走结构。用户可通过自由空间或光纤耦合的方式随机地将m个光量子(Quantum Walker)注入不同的口同时进行量子随机行走。由于该大规模集成量子随机行走结构对极化不敏感，因此将布洛赫球的线偏振光等分为n份，那么该芯片支持对n种线偏模式同时进行稳定的量子随机行走。用户只需在芯片输出后进行相应的补偿与投影等操作即可分析得到结果。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
上述本领域技术人员，以符合专利法及相关规定中“知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力”的基本要求，了解背景技术中的相关文献以及本领域常规基础知识。

Claims (5)

1.一种极化无关的宽带波导分束器，其特征在于，包括：两个波导组成的至少一个交叉耦合区域和一个平行耦合区域，具体包括：至少一个交叉耦合区域、至少一个平行耦合区域和第二个交叉耦合区域组成或一个交叉耦合区域和至少一个平行耦合区域；
所述的两个波导为全同波导，考虑无微扰的同向平行单模耦合情形下，该两个波导之间的耦合满足：
Figure FDA0002598383890000011
其中：A、B分别为归一化振幅，A(z)为光注入口，即A(0)＝1，B(0)＝0，对应A(z)＝coscz，B(z)＝isincz，能量将在两个波导间互相转移，耦合系数
Figure FDA0002598383890000012
即耦合系数c随着耦合间距的变化发生非线性变化；
所述的极化无关的宽带波导分束器为比例分束可调，具体为：由于在耦合系数c值曲线交叉点处H光与V光的耦合系数强度相等，当波导的交叉耦合的耦合间距小于c值曲线交叉点处的耦合间距时，通过调整两个S型弯曲臂的结构，可实现H光与V光耦合能量的同步转移；此时经过交叉后第一波导与第二波导的位置互换进行平行耦合，使平行耦合区域的耦合间距等于H光和V光的c值曲线交叉点处的耦合距离，那么调整平行区域的耦合长度可实现任意分束比例的调控；
所述的能量将在两个波导间互相转移，经过耦合实现接近50/50分束的位置将第一波导与第二波导再次进行交叉耦合进行调谐后分开，使得经过两次交叉耦合一次平行耦合的对称结构能够实现非常稳定的任意比例分束的极化无关分束、且光的极化相关损耗一致。
2.根据权利要求1所述的极化无关的宽带波导分束器，其特征是，所述的两个波导以S型弯曲形式进行交叉耦合，经平行耦合后再次进行交叉耦合。
3.根据权利要求2所述的极化无关的宽带波导分束器，其特征是，所述的S型弯曲采用两段曲率半径最大的圆弧在相切处重合的衔接方式以实现辐射损耗最小。
4.一种光量子计算芯片，其特征在于，包括若干个权利要求1～3中任一所述的极化无关的宽带波导分束器。
5.一种基于权利要求4所述光量子计算芯片的应用，其特征在于，将其用于接收直接对光子极化自由度编码的任意光量子比特。
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