CN115524789A

CN115524789A - 集成波导的光学组件及光芯片

Info

Publication number: CN115524789A
Application number: CN202210838040.8A
Authority: CN
Inventors: 陈林; 赵晨明
Original assignee: Turing Quantum Technology Beijing Co ltd; Shanghai Turing Intelligent Computing Quantum Technology Co Ltd
Current assignee: Turing Quantum Technology Beijing Co ltd; Shanghai Turing Intelligent Computing Quantum Technology Co Ltd
Priority date: 2022-07-17
Filing date: 2022-07-17
Publication date: 2022-12-27

Abstract

本申请实施例涉及集成波导的光学组件及光芯片。根据本申请的一些实施例，一种集成波导的光学组件，其包括：第一波导，其具有第一端；第二波导，其具有第二端，且与所述第一波导平行，所述第二波导的所述第二端耦接所述第一波导的所述第一端；以及光器件，其位于所述第二波导内部，其中所述第一波导的所述第一端和所述第二波导的所述第二端中的至少一者沿其末端方向表面渐缩使得光能够从所述第一波导通过倏逝波耦合的方式进入所述第二波导。本申请另一实施例提供了一种光芯片，其包括一或多个所述的光学组件。本申请实施例提供的集成波导的光学组件及光芯片可有效解决传统技术中遇到的问题。

Description

集成波导的光学组件及光芯片

技术领域

本申请属于光通信技术领域，具体涉及一种集成波导的光学组件及光芯片。

背景技术

光量子计算等领域经常使用光器件来分析光量子态。然而现有的光器件都是与波导集成在一起，其高效率、低时间抖动等优点在光量子计算等领域受到广泛应用。

然而将波导与光器件集成在一起时，光器件通常放置在波导的表面，并沿着波导的长度方向延伸。将光器件放置在波导表面，需要通过吸收波导模场的倏逝波来实现光探测，同时为了获得较高的光吸收效率，要将光器件的长度设置的很长。但是，随着光器件长度的增长，其电感效应也会相应增大，使得光器件探测到单光子形成的电脉冲的衰减时间相应增多，从而导致光器件无法及时对下一个单光子产生响应，使得光器件在整个波导的探测效率降低，无法实现光器件的高探测速率。

因此，本申请提出一种新的集成波导的光学组件及光芯片。

发明内容

本申请是为了解决上述问题而进行的，目的之一在于提供一种集成波导的光学组件及光芯片。

本申请提供了一种集成波导的光学组件，其包括：

第一波导，其具有第一端；

第二波导，其具有第二端，且与第一波导平行，第二波导的第二端耦接第一波导的第一端；以及

光器件，其位于第二波导内部，

其中第一波导的第一端和第二波导的第二端中的至少一者沿其末端方向表面渐缩使得光能够从第一波导通过倏逝波耦合的方式进入第二波导。

上述的光学组件中，其中第一波导或第二波导包括铌酸锂波导和氮化硅波导，硅波导和氮氧化硅波导中的至少一者。

上述的光学组件中，其中光器件包括超导纳米线单光子探测器(SNSPD)。

上述的光学组件中，其中第一波导的第一端的表面宽度沿其末端方向渐减。

上述的光学组件中，其中第二波导的第二端的端面与第一波导的第一端的端面相匹配耦接。

上述的光学组件中，其中第二波导的第二端的至少一部分位于第一波导的第一端的至少一部分之上并重叠。

上述的光学组件中，其还包括位于第一波导和第二波导中的至少一者的下方的包层。

上述的光学组件中，其还包括位于第一波导和第二波导下方的基底。

上述的光学组件中，其中第一波导为铌酸锂波导，第二波导为氮化硅波导。

本申请还提供一种光芯片，其包括前述任一一项的光学组件。

本申请还提供一种集成SNSPD的波导，其包括：波导芯层；位于波导芯层内部的SNSPD。

申请的作用与效果

根据本申请提供的一种集成波导的光学组件，其包括：第一波导，其具有第一端；第二波导，其具有第二端，且与第一波导平行，第二波导的第二端耦接第一波导的第一端；以及光器件，其位于第二波导内部，其中第一波导的第一端和第二波导的第二端中的至少一者沿其末端方向表面渐缩使得光能够从第一波导通过倏逝波耦合的方式进入第二波导。因为在该光学组件中，光器件位于第二波导内部，因此可以提升光器件对光场的吸收效率，从而可使用长度较短的光器件来同时实现高效率的光吸收与接近GHz的高探测速率，提高系统的工作效率。

附图说明

图1是本申请实施例中的集成波导的光学组件100的俯视图(上部分)和侧视图(下部分)。

图2是本申请实施例中的的集成波导的光学组件200的俯视(上部分)图和侧视图(下部分)。

图3是本申请实施例中的的集成波导的光学组件300的俯视图(上部分)和侧视图(下部分)。

图4是本申请另一实施例中的集成SNSPD的波导的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例与附图对本申请提供的集成波导的光学组件、光芯片及集成SNSPD的波导作具体阐述。

本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。在本申请说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。

如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质”、“约”及“左右”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”相同。

在本说明书中，除非经特别指定或限定之外，相对性的用词，例如：“垂直”、“侧面”、“上部”、“下部”以及其衍生性的用词(例如“上表面”等等)应该解释成引用在讨论中所描述或在附图中所描示的方向。这些相对性的用词仅用于描述上的方便，且并不要求将本申请以特定的方向建构或操作。

另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。

再者，为便于描述，“第一”、“第二”等可在本文中用于区分一个组件或一系列组件的不同操作。“第一”、“第二”等等不意欲描述对应组件。

<实施例>

参见图1中的光学组件100，该光学组件100包括第一波导10，其具有第一端11；第二波导20，其具有第二端21，第二波导20与第一波导10平行，第二波导20的第二端21耦接第一波导10的第一端11；光学组件100还包括光器件30，其位于第二波导20内部，第一波导10的第一端11和第二波导20的第二端21中的至少一者沿其末端方向表面渐缩使得光(例如图1中光传输方向a)能够从第一波导10通过倏逝波耦合的方式进入第二波导20。

本申请中的“耦接”可理解为光学耦接或机械耦接，例如附接或固定第一波导和第二波导，或仅仅接触而无任何固定,并且应理解,可以提供直接耦接或间接耦接(换言之,并未直接接触的耦接)。

本申请中的“光器件”包括有源器件和无源器件，都需要有光通过，可以对光进行控制，比如路由、调制、产生或吸收光等等。

参见图1中的光学组件100，该光学组件100可包括第一波导10、第二波导20、光器件30、包层40。第一波导10可包括铌酸锂波导，第二波导20可包括氮化硅波导，在其它实施例中，第一波导10、第二波导20也可包括其它波导，例如硅波导或氮氧化硅波导。光器件30可包括超导纳米线单光子探测器SNSPD，例如可包括氮化铌超导纳米线单光子探测器SNSPD。

光量子计算等应用使用的集成量子光芯片需要使用超导纳米线单光子探测器(SNSPD)以分析光量子态。相比较传统的垂直入射的SNSPD，与波导集成在一起的Waveguide-Integrated SNSPD(WI-SNSPD)具有高效率、低时间抖动等优点。在现有的WI-SNSPD结构中，SNSPD在波导表面沿着波导方向延伸，通过吸收波导模场的倏逝波实现对入射光子的探测。SNSPD越长，吸收光比例越高，从而片上探测效率也越高。但是当SNSPD长度增大时，其电感也相应增大，使得探测到单个光子形成的电脉冲的衰减时间跟着变长。在一次探测(吸收一个光子产生电脉冲)后的脉冲衰减时间内，SNSPD电路系统无法对吸收的下一个光子产生响应，从而使得SNSPD的光探测速率受限于SNSPD的长度。然而现有的WI-SNSPD结构为了实现较高探测效率，SNSPD的长度通常为数十或上百微米，脉冲衰减时间为数个纳秒，因此无法实现GHz水平的高速探测。

因此，本申请实施例将SNSPD放置在波导内部或波导光强最大的中心处，通过增强SNSPD的光吸收效率，从而可使得SNSPD所需的长度更短，SNSPD的长度越短，系统响应越快，工作频率越高，从而可实现接近GHz的高探测速率，提高系统的工作效率。

本申请实施例中的SNSPD呈U形结构，具有两个用于外接电路的接线端。在其它实施例中，光器件30也可包括其它光器件，例如一般的光探测器PD。包层40可包括二氧化硅包层，在其它实施例中，包层40也可包括其它材料，例如氮氧化硅或低折射率聚合物等。同时，第一波导10和第二波导20的上表面也可包覆有二氧化硅等包层。

第一波导10与第二波导20平行设置，第一波导10的第一端11与第二波导20的第二端21耦接，例如第一波导10的第一端11的端面与第二波导20的第二端21的端面之间相匹配耦接。第一波导10的第一端11的表面宽度沿其末端方向渐减，使光(沿a方向)能够从第一波导10通过倏逝波耦合的方式进入第二波导20，从而可以降低第一波导10与第二波导20之间的光损耗。光器件30位于第二波导20的内部，例如光器件30可位于第二波导20的厚度方向上的中心处，从而增强光器件30的光吸收效率。在其它实施例中，光器件30也可位于第二波导20与包层40之间。包层40位于第一波导10与第二波导20下方。光学组件还可包括基底，该基底位于包层下方。

参见图1中的光学组件100，该光学组件100的制备方法可包括如下步骤：

S1、先沉积制备二分之一厚度的第二波导20；

S2、在沉积制备的二分之一厚度的第二波导20上沉积、刻蚀、制备光器件30；

S3、在光器件30上沉积制备另一二分之一厚度的第二波导20；

S4、在基底上沉积制备第一波导10，制得光学组件100。

参见图2中的光学组件200，该光学组件200的第一波导201的第一端2011的端面与第二波导202的第二端2021的端面相匹配耦接，第二波导202的厚度可大于第一波导201的厚度，从而可以减少第一波导201与第二波导202之间的光传输损耗。第一波导201的第一端2011的表面宽度沿其末端方向渐减。第二波导202的第二端2021的表面宽度沿其末端渐减，例如可由第一宽度2021a渐减到第二宽度2021b。光从光学组件200的左端射入，经过第一波导201，通过绝热渐变的末端，传输至第二波导202的第二宽度2021b所在的区域后，被光器件203吸收，第一波导201的渐缩结构可以减小第一波导201和第二波导202之间的光耦合损耗，第二波导202的渐缩结构(厚度渐变)可以增强光器件203的光吸收效率。

图3中实施例中的光学组件300中，第二波导302的第二端3021的至少一部分位于第一波导301的第一端3011的至少一部分之上。第一波导301的第一端3011的表面宽度沿其末端方向渐减，第二波导302的第二端3021的表面宽度沿其末端方向渐减。第一波导301与第二波导302的渐缩结构可以增强第一波导301与第二波导302之间的光传输效率，光器件303位于第二波导302内部。例如光器件303可位于第二波导302的厚度方向上的中心处，从而增强光器件303的光吸收效率。在其它实施例中，光器件303也可位于第二波导302与包层304之间。

图3中的光学组件300还可包括基底305，该基底305位于包层304的下方，例如该基底305可包括硅基底或二氧化硅基底。

本申请实施例还提供一种光芯片，该光芯片包括前述多个光学组件。

图4是本申请另一实施例中的集成SNSPD的波导的结构示意图。

参见图4中的集成SNSPD的波导400，该波导400包括波导芯层401以及位于波导芯层401内部的SNSPD(超导纳米线单光子探测器)402。该波导400的波导芯层401可包括氮化硅材料，在其它实施例中，波导芯层401也可包括其它可生长在基底500上的材料，例如氮氧化硅材料。SNSPD 402位于波导芯层401的内部，例如SNSPD 402可位于波导芯层401的厚度的中心处，在其它实施例中，SNSPD 402也可位于靠近波导芯层401上表面或下表面的内部，或者位于波导芯层401水平方向的中心处，因此本实施例中SNSPD 402位于波导芯层401内部包括但不限于上述提及的内部。本实施例四中将SNSPD放置在波导芯层401的内部，可以有效增强SNSPD的光吸收效率。

因此，本申请的上述实施例中将SNSPD放置在第二波导的厚度的中心处或附近可形成波导集成的WI-SNSPD。因为第二波导中心处的光强较强，并强于其倏逝波的光强，因此可以提升SNSPD对光场的光吸收效率。本申请的实施例以氮化铌(NbN)SNSPD进行吸收模拟计算，该氮化铌SNSPD仅需要10微米长度(相比较传统的数百微米的SNSPD)即可实现超99.8％的光吸收效率。当SNSPD长度为10微米时，可实现GHz以上的探测速率。因此利用本申请实施例提供的光学组件，所需的SNSPD的长度更短、光吸收效率更高，可实现SNSPD在GHz以上的高速探测速率。

以上通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述申请提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本申请的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本申请的意图和范围内。

Claims

1.一种集成波导的光学组件，其包括：

第一波导，其具有第一端；

第二波导，其具有第二端，且与所述第一波导平行，所述第二波导的所述第二端耦接所述第一波导的所述第一端；以及

光器件，其位于所述第二波导内部，

其中所述第一波导的所述第一端和所述第二波导的所述第二端中的至少一者沿其末端方向表面渐缩使得光能够从所述第一波导通过倏逝波耦合的方式进入所述第二波导。

2.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述第一波导或所述第二波导包括铌酸锂波导和氮化硅波导，硅波导和氮氧化硅波导中的至少一者。

3.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述光器件包括超导纳米线单光子探测器SNSPD。

4.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述第一波导的所述第一端的表面宽度沿其末端方向渐减。

5.根据权利要求4所述的光学组件，其中所述第二波导的所述第二端的端面与所述第一波导的所述第一端的端面相匹配耦接。

6.根据权利要求4所述的光学组件，其中所述第二波导的所述第二端的至少一部分位于所述第一波导的所述第一端的至少一部分之上并重叠。

7.根据权利要求1所述的光学组件，其还包括位于所述第一波导和所述第二波导中的至少一者的下方的包层。

8.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述第一波导为铌酸锂波导，所述第二波导为氮化硅波导。

9.一种光芯片，其包括根据前述权利要求1-8中任一权利要求所述的光学组件。

10.一种集成SNSPD的波导，其包括：

波导芯层；

位于所述波导芯层内部的SNSPD。