JP2016532875A - 光マイクロ波量子変換器 - Google Patents

Abstract

光マイクロ波量子変換器は、光信号を送受信するように構成されたテーパ型光ファイバ（１０）を含み得る。光マイクロ波量子変換器は、ナノフォトニック結晶（１４）を含む光空洞（１６、１８）を含み得るカンチレバー（１２）も含み得る。光空洞は、テーパ型光ファイバから放射された光子によって誘発された電磁励起に応じて機械的励起をもたらすように構成し得る。カンチレバーは、機械的励起に応じて超伝導空洞（６）上にて電気変調を誘発するように構成された機械的カプラ（２６）も含み得る。また、機械的カプラは、超伝導空洞からの光子によって誘発された電磁励起に応じて機械的励起をもたらすように構成し得る。光空洞は、機械的励起に応じてテーパ型光ファイバ上に光変調を誘発する電磁励起をもたらすように更に構成し得る。

Description

本開示は、光マイクロ波量子変換器に関する。特に、本開示は、機械的カプラを備えた光マイクロ波量子変換器に関する。

ナノフォトニクス（又はナノ光学）は、ナノメートルスケールにおける光の挙動に関する。ナノフォトニクスは、深サブ波長の長さスケールの粒子又は物質と光の相互作用に関する光工学の部門と見なされる。ナノ光学の領域における技術は、近接場走査型光学顕微鏡法（ＮＳＯＭ）、光支援走査型トンネル顕微鏡法、及び表面プラズモン光学を含む。産業界が、数ナノメートルスケールの材料及び現象の特徴に一層関心を持つようになるのと共に、ナノフォトニクスに対する関心が高まり続けている。

超伝導マイクロ波工学は、光の波長が、典型的には回路コンポーネントの空間スケールをはるかに超えるＧＨｚ周波数における、又はその周波数近くにおける電磁励起の挙動に関する。超伝導体回路のコンポーネントは、超伝導材料から作製され、ほぼゼロ抵抗で動作させることができる。超伝導工学は、多くの類似の特徴をマイクロ波工学と共有する。

マイクロメカニクス及びナノメカニクスは、マイクロメートル及びナノメートルスケールにおける機械的共振器の研究に関する。主な関心は、機械的なモード周波数が、減衰率よりはるかに大きい動作、例えば高品質係数である。機械的共振器のかかる研究は、メソスケールにおける量子限界測定及び量子動力学に対する洞察につながっている。

一実施例は、光信号を送受信するように構成されたテーパ型光ファイバを含む光マイクロ波量子変換器に関する。光マイクロ波量子変換器は、ナノフォトニック結晶を含む光空洞を含み得るカンチレバーも含み得る。光空洞は、テーパ型光ファイバから放射された光子によって誘発された電磁励起に応じて機械的励起をもたらすように構成し得る。カンチレバーは、機械的励起に応じて超伝導空洞上にて電気変調を誘発するように構成された機械的カプラも含み得る。また、機械的カプラは、超伝導空洞からの光子によって誘発された電磁励起に応じて機械的励起をもたらすように構成し得る。光空洞は、機械的励起に応じてテーパ型光ファイバ上に光変調を誘発する電磁励起をもたらすように更に構成し得る。

別の実施例は、光マイクロ波量子変換器に関する。光マイクロ波量子変換器は、超伝導空洞に電気的に結合された機械的カプラを含み得る。機械的カプラは、超伝導空洞から放射された光子によって誘発された電気パルスに応じて機械的に励起するように構成されている。光マイクロ波量子変換器は、ナノフォトニック結晶に形成された少なくとも２列の穴を有し、且つ機械的カプラに機械的に結合された光空洞も含み得る。ナノフォトニック結晶における所与の穴は、その所与の穴の中心を通って延び、且つテーパ型光ファイバと交差する軸を有している。光空洞は、機械的カプラの機械的励起に応じてテーパ型光ファイバ上に光変調を誘発するように構成し得る。

更に別の実施例は、超伝導温度で光マイクロ波量子変換器を収容する冷凍ユニットを含むシステムに関する。光マイクロ波量子変換器は、ナノフォトニック結晶を含む光空洞を含み得る。光空洞は、光ファイバから放射された光子によって誘発された電磁励起に応じて機械的励起をもたらすように構成し得る。機械的カプラは、機械的励起に応じて超伝導空洞上に電気変調を誘発するとともに、超伝導空洞からの光子によって誘発された電磁励起に応じて機械的励起をもたらすように構成し得る。光空洞は、機械的励起に応じて光ファイバ上に光変調を誘発する電磁励起をもたらすように更に構成し得る。また、システムは、光ファイバを含む光チャネル上で光パルスを送受信するように構成されたノードを含み得る。ノードは、冷凍ユニットの外部に存在する。

光チャネルに沿って伝搬する光信号を超伝導回路にて伝搬される電気信号に変換するための（逆も同様である）システムの例を示す。 機械的カプラに結合された超伝導回路の例を示す。 光マイクロ波量子変換器の例を示す。 図３に示された光マイクロ波量子変換器の三次元図を示す。 光マイクロ波量子変換器の別の例を示す。 光マイクロ波量子変換器の更に別の例を示す。 図６に示されている光マイクロ波量子変換器の側面図を示す。 光マイクロ波量子変換器の更に別の例を示す。 図８に示されている光量子変換器の断面図を示す。

光マイクロ波量子変換器は、テーパ型光ファイバを含み得る光チャネルから放射された光パルスを、機械的カプラ（例えば、コンデンサ又は圧電アクチュエータ）における機械エネルギ（例えば、振動又はシフティング（shifting））に変換するように構成し得る。そして、かかる機械エネルギによって、機械的カプラが超伝導回路（例えば超伝導空洞）での電気（量子）変調を誘発することによって、機械エネルギを電気エネルギに変換することができる。同様に、超伝導回路における電気的量子は、機械的カプラにおいて機械エネルギに変換することができる。それによって、機械的カプラは、テーパ型光ファイバ上で光変調を誘発することができる。このようにして、超伝導回路を冷凍ユニットに収容することができ、超伝導回路は光チャネルを介して別のノードと通信することができる。

光マイクロ波量子変換器は、フォトニック結晶（例えば、一次元又は多次元フォトニック結晶カンチレバー）を備えた光空洞を含み得る。フォトニック結晶は、電磁モード（例えば励起）及び機械モード（例えば励起）の両方を支援することができる。電磁モードと機械モードとの間の結合は、入射光放射及び／又は電波によって制御することができる。光マイクロ波量子変換器は、単一光子で動作することができ、完全に可逆レベルである。

図１は、光チャネル４に沿って伝搬する光信号を、超伝導回路６において伝搬される電気信号に変換するための（逆も同様である）光マイクロ波量子変換器２を含むシステム１の例を示す。システム１は、回路コンポーネントをそれに収容できる冷凍ユニット８を含み得る。幾つかの例において、冷凍ユニット８は、回路コンポーネントの温度を臨界温度（Ｔ_ｃ）未満の温度に下げることができる。回路コンポーネントを形成する材料の臨界温度は、その回路コンポーネントが超伝導を実現する温度かまたはその温度よりも低い温度である。幾つかの例において、冷凍ユニット８は、回路コンポーネントの温度を約１０〜約３０ミリケルビン（ｍＫ）に下げることができる。

光チャネル４は、光ファイバから形成することができる。光ファイバは、テーパ型光ファイバ１０と呼ばれるテーパ型領域１０を含み得る。テーパ型光ファイバ１０を形成するために、光ファイバは伸ばすことができ、それによって、所与のセクション１０における光ファイバの断面面積を低下させることができる。ここで、光ファイバのテーパ部は、テーパ型光ファイバ１０と呼ぶことができる。テーパ型光ファイバ１０は、カンチレバー１２（例えばナノフォトニックカンチレバー）に結合することができる。

カンチレバー１２は、フォトニック格子を備えたナノフォトニック結晶１４を含み得る。ナノフォトニック結晶１４は、例えば、機械モード（例えば励起）を支援するカンチレバー設計にて実現することができる。フォトニック格子は、ナノフォトニック結晶１４内に形成可能な（例えば、穴を開けるか又はエッチングされる）複数の穴の列から形成することができる。幾つかの例において、ナノフォトニック結晶１４は、例えば約２００ナノメートル（ｎｍ）×約２００ｎｍの断面面積を有することができる。他の例において、より大きい又は小さいナノフォトニック結晶を用いることが可能である。ナノフォトニック結晶１４は、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）など、約２の屈折率からなる材料で形成することができる。ナノフォトニック結晶１４における穴の各々は、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの半径を有することができる。

フォトニック格子は、少なくとも１つのギャップ領域１６と、非ギャップ領域１８とを有し得る。本例においては、２つのギャップ領域１６が示されているが、他の例においては、より多くの又はより少ないギャップ領域１６が存在していてもよい。ギャップ領域１６における穴は円形を有するものであってよく、また、比較的均一な間隔（例えば約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ）を有し得る。非ギャップ領域１８における穴は、異なる間隔、異なる半径、異なる形状（例えば楕円）を有するものであってもよく、及び／又はシリコン（Ｓｉ）などの、異なる屈折率を持つ異なる材料で形成することができる。これらの非ギャップ領域１８及び少なくとも１つのギャップ領域１６は、光空洞を形成することができる。

上記したように、カンチレバー１２は、テーパ型光ファイバ１０に結合することができる。テーパ型光ファイバ１０は、レーザ又は他の光マイクロ波量子変換器など、システム１のノード２０の送信機２２から送信される光を供給することができる。同様に、テーパ型光ファイバ１０は、フォトダイオード又は他の光マイクロ波量子変換器など、ノード２０の受信機２４で光を受信することができる。送信機２２及び受信機２４は、冷凍ユニット８の外部に存在することができる。従って、送信機２２及び受信機２４は、冷凍ユニット８内で整列される必要はなく、これにより、散乱を回避することができる。

幾つかの例において、テーパ型光ファイバ１０は、散乱を低減するために、離れてフォトニック格子を通るようにルーティングし得る。或いは、テーパ型光ファイバ１０は、フォトニック格子に直接結合することができる。いずれの場合も、テーパ型光ファイバ１０がフォトニック格子を覆い得る（例えば、部分的に覆う）ように、フォトニック格子における所与の穴は、その所与の穴の中心を通って延び、且つテーパ型光ファイバ１０と交差する軸を有し得る。

テーパ型光ファイバ１０は、光ファイバの非テーパ部よりも多くの光子を放射する。テーパ型光ファイバ１０によって放射された光子は、かなりの数の放射された光子（例えば、約９７％まで）がフォトニック格子の非ギャップ領域１８に捕獲され得るように、フォトニック格子の非ギャップ領域１８と結合するエバネッセント場を形成することができる。また、フォトニック格子のギャップ領域１６は、比較的少数の放射された光子のみをギャップ領域１６の穴内に捕獲するように構成することができる。

幾つかの例において、入力及び出力光フィールドは、ナノフォトニック結晶１４において又はその近くで一致するモードを介して、光ファイバ４とカンチレバー１２との間でエバネッセントに結合され得る。従って、光ファイバ４は、カンチレバー１２の表面とほぼ平行に走ることができる。他の例において、入力及び出力光フィールドは、カンチレバー１２の表面に離れて装着できる劈開光ファイバの使用によってナノフォトニック結晶１６に結合でき、また、ナノフォトニック結晶１４にルーティングすることができる。劈開光ファイバ（cleaved optical fiber）は、切断され且つカンチレバー１２の表面に直接接着できる磨かれた端部を有する光ファイバとすることができる。かかる状況において、劈開光ファイバから放射された光は、カンチレバー１２の表面上のエッチングされた導波路によって収集し、ナノフォトニック結晶１４など、所望の位置にルーティングすることができる。

フォトニック格子の非ギャップ領域１６の穴における光子の捕獲は、光圧のためにフォトニック格子におけるシフティング（例えば、振動及び／又は移動）をもたらし、それによって、機械的励起をもたらすことができる。フォトニック格子は、圧電アクチュエータ、コンデンサなど、機械的カプラ２６（例えば機械的共振器）に結合することができる。従って、光エネルギは、機械エネルギに変換することができる。式１は、フォトニック格子と機械的カプラ２６との間の結合強度を特徴付ける。

ここで、
ｇ_omは、フォトニック格子と機械的カプラとの間の結合強度であり、
Ｘ_ZPは、機械的カプラのゼロ点変位であり、
ω_LCは、光マイクロ波量子変換器の（ラジアン単位の）共振周波数（約１０〜１００ギガヘルツ（ＧＨｚ））であり、
ｘは、フォトニック格子及び機械的カプラの変位であり、
ｎ_dは、駆動強度を定量化する光子数である。

幾つかの例において、機械的カプラ２６は、フォトニック格子を含むナノフォトニック結晶１４に直接結合することができる。他の例において、カンチレバー１２は、機械的カプラ２６及びフォトニック格子を光学的に更に分離するために、フォトニック格子から漏れている放射された光子が機械的カプラ２６に達するのを防ぐことができるバッファ２８（例えば、シリコンなどの固有の材料）を含み得る。フォトニック格子のシフトと同時に、機械的カプラ２６もシフト（例えば振動又は移動）することができ、機械的カプラ２６のこのシフトは、結合された超伝導回路６の共振回路３０における電気変調（量子パルスなど）（例えば電磁励起）を誘発することができる。共振回路３０は、例えば、ＬＣ共振器やジョセフソン接合などの超伝導マイクロ波空洞として実現可能である。式２及び３は、機械的カプラ２６と超伝導回路６の共振回路３０との間の結合強度を特徴付けることができる。

ここで、
ｇ_meは、機械的カプラと超伝導回路の共振回路との間の結合強度であり、
ηは、超伝導回路の共振回路における静電容量と比較された機械的カプラの静電容量の関与率であり、
ｄは、機械的カプラのプレート間の距離（最大で約１０ｎｍ）である。

式１〜３を用いることにより、超伝導回路６と機械的カプラ２６の協同性を式４で計算することができる。協同性は、共振回路３０の全体的静電容量の機械的運動に対する容量結合の有効な寄与を特徴付けることができる（例えば共振の「クリーン性」）。

ここで、
Ｃ_opは、超伝導回路及び光チャネルと機械的カプラの協同性であり、
Γは、電気減衰率（線幅）（約１００キロヘルツ（ｋＨｚ））であり、
ｇは、機械的カプラと超伝導回路の共振回路との間の結合強度（ｇ_me）であり、
κは、機械的カプラの消散率である。

反対に、機械的カプラ２６は、超伝導回路６の共振回路３０によって伝搬された電気パルス（例えば量子パルス）に応じて振動することができる。機械的カプラ２６のかかる振動によって、フォトニック格子の非ギャップ領域１８において光子を誘発することができる。また、かかる誘発された光子によって、テーパ型光ファイバ１０において光パルスを誘発することができ、光パルスは、ノード２０の受信機２４に送信することができる。このように、光通信は、超伝導回路６とノード２０との間で確立することができ、そのノード２０は、冷凍ユニット８の外部に存在することができる。

光マイクロ波量子変換器２を用いることによって、変換は、単一光子で機能することができ、完全に可逆レベルである。変換は、マイクロ波と光学光子との間で機能することができ、変換は、共通の機械的共振器（例えばカンチレバー１２）への結合によって媒介される。マイクロ波光子は、超伝導回路６の共振回路３０（例えばマイクロ波空洞）の励起であり、光学光子は、ナノフォトニック結晶１４の励起である。

光マイクロ波量子変換器２は、対称的な装置と考えることができる。従って、光マイクロ波量子変換器２は、光ファイバ４、ナノフォトニック結晶１４、機械的カプラ２６、超伝導回路６の共振回路３０、及びコヒーレントマイクロ波放射を伝達できる超伝導回路６の超伝導伝送路によって伝達されるコヒーレント光学放射を含み得る。変換は、ナノフォトニック結晶１４、機械的カプラ２６及び共振回路３０において行うことができる。カンチレバー２は、コヒーレント光学放射によるコヒーレントマイクロ波放射の破損を回避するために（逆もまた同様）、変換のこれらのコンポーネント間に幾らかの空間的分離をもたらすように動作することができる。

このように、超伝導回路６は、光チャネル４に結合されたノード２０と通信することができる。ノード２０は、例えば、別の冷凍ユニット８に収容された別の超伝導回路６に結合された別のカンチレバー１２として実現することができる。従って、ノード２０及び冷凍ユニット８が、数キロメートルにわたって分離可能なように、２つの超伝導回路は、光チャネル４を介して通信することができる。

他の例において、ノード２０は、光信号を送信及び受信できる光トランシーバを含むように実現することが可能である。かかる状況において、ノード２０は、例えば、マイクロプロセッサ、光ハブ（例えば、中継器、ルータ等）など、（非超伝導）回路を含み得る。従って、ノード２０は、光チャネルｌ４を介して超伝導回路６と通信することができる。

図２は、例えば、図１に示されている超伝導回路６として用いることが可能な超伝導回路５０の例を示す。超伝導回路５０は、例えば、超伝導アルミニウム又は他の超伝導材料から形成することができる。超伝導回路５０は、約１０ｍＫ〜約３０ｍＫの温度を達成できる冷凍ユニットに収容することができる。超伝導回路５０は、電気的に中性なノード（例えばグランド）に結合できる地板５４を含み得る。超伝導回路５０はまた、共振ＬＣ回路５６を含み得る。

共振ＬＣ回路５６は、示されている方法でパターン化されたトレースから形成することができる。共振ＬＣ回路５６は、例えば、超伝導マイクロ波空洞読み出し回路として実現することができる。他の例において、共振ＬＣ回路５６は、ＬＣ回路と同様の方法で動作するジョセフソン接合で形成することができる。従って、幾つかの例において、超伝導回路５０は、量子コンピュータにおいてなど、量子ビットとして実現することができる。共振ＬＣ回路５６は、図１に示されているカンチレバー１２などのカンチレバー５８に結合することができる。カンチレバー５８は、光信号を機械信号に変換することができ、結果としての機械信号は、超伝導回路５０によって使用し処理することができる電気的量子を誘発することができる。更に、カンチレバー５８は、共振ＬＣ回路５６（又はジョセフソン接合）から伝搬された電気（量子）信号を機械信号に変換することができる。かかる例において、結果としての機械信号は、別のノード（例えば、図１に示されているノード２０）に供給できる光チャネル上の光量子を誘発することができる。

図３は、図１に示されている光マイクロ波量子変換器２を実現するために用いることが可能な光マイクロ波量子変換器１００の例を示す。光マイクロ波量子変換器１００は、例えば、図１のカンチレバー２を実現するために用いることが可能なカンチレバー１０１を含み得る。図４は、図３に示されている光マイクロ波量子変換器１００の三次元図を示す。説明の簡略化のために、図３及び４における同じ参照番号は、同じ構造を示すために用いられる。光マイクロ波量子変換器１００は、２つの（一次元）平行ナノフォトニック結晶１０４から形成できるフォトニック格子１０２を含むことができ、各ナノフォトニック結晶１０４は、それに穴を開けるか又はエッチングした単一の列の穴を備えている。２つの平行ナノフォトニック結晶１０４は、光マイクロ波量子変換器１００の共振周波数（式１のω_LC）を設定するために利用できる距離のギャップによって分離することができる。ギャップは、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの幅とすることができる。フォトニック格子１０２は、「ジッパー空洞」と呼ぶことができる。フォトニック格子１０２は、放射された光子を捕獲しないギャップ領域及び放射された光子を捕獲する非ギャップ領域１０６を含み得る。

テーパ型光ファイバ１０８は、説明された方法で、非ギャップ領域１０６の少なくとも一部を覆うことができる。テーパ型光ファイバ１０８は、光を放射できる送信機１１０、及び光を受信できる受信機１１２を含み得る。送信機１１０及び受信機１１２は、光マイクロ波量子変換器１００を収容する冷凍ユニットの外部にあるエリアに収容することができる。送信機１１０によって送信された光の伝搬は、テーパ型光ファイバ１０８を介して、フォトニック格子１０２の非ギャップ領域１０６において又はその近くで光子を解放させることができる。「ジッパー空洞」を備えたフォトニック格子１０２を実現することによって、テーパ型光ファイバ１０８は、フォトニック格子１０２に効率的に結合することができる。更に、「ジッパー空洞」ジオメトリは、高品質光学モード（Q_o）及び高品質機械モード（Q_m）が結合されることに備える。

ナノフォトニック結晶１０４のそれぞれは、バッファ１１４に結合することができ、バッファ１１４は、ナノフォトニック結晶１０４が全内部反射条件を保持できるように、シリコンなど、ナノフォトニック結晶１０４より低い屈折率（例えばｎ＝１．５）を備えた材料から形成することができる。バッファ１１４はまた、超伝導アルミニウムなどの超伝導材料１１６に結合することができる。超伝導材料は、結合コンデンサの第１のプレート１１６を形成することができる。結合コンデンサは、例えば、図１の機械的カプラ２６を実現するために用いることが可能である。結合コンデンサの第２のプレート１１８は、超伝導回路上に形成することができる。幾つかの例において、結合コンデンサの第１のプレート１１６及び第２のプレート１１８は、誘電体１２０によって分離することができる。他の例において、コンデンサの第１のプレート１１６及び第２のプレート１１８は、（空気）ギャップによって分離することができる。結合コンデンサの静電容量は、式５によって定義することができる。

ここで、
Ｃは、機械的カプラと超伝導回路との間に形成される結合コンデンサの静電容量であり、
ε₀は、自由空間の誘電率であり、
ｄは、結合コンデンサの第１のプレートと第２のプレートとの間の距離であり、
Ａは、結合コンデンサの第１のプレートの面積（約１００，０００ｎｍ^２（１００ｎｍ×１０００ｎｍ））である。

フォトニック格子１０２、バッファ１１４、及び結合コンデンサの第１のプレート１１６は、ギャップによって分離された一対の平行梁１２２を覆い得る。これらの平行梁１２２は、例えばＳｉ_３Ｎ_４で形成することができる。一対の平行梁１２２は、同様にＳｉ_３Ｎ_４で形成可能なプレート１２４を覆い得る。平行梁１２２間のギャップは、テーパ型光ファイバ１０８を通って伝搬する光信号をフォトニック格子１０２のギャップ領域に閉じ込めることができる。

テーパ型光ファイバ１０８は、フォトニック格子１０２の非ギャップ領域１０６においてエバネッセント場を生成することができる。テーパ型光ファイバ１０８によって放射された光子は、フォトニック格子１０２の非ギャップ領域１０６に捕獲することができる。このように、電磁モード（例えば励起）は、一対の平行梁１２２内に、すなわち平行梁１２２間に存在することができる。かかる捕獲は、光子からの光エネルギが機械エネルギに変換されるように、フォトニック格子１０２を振動（例えば機械的に励起）させることができる。フォトニック格子１０２の振動は、１２６の矢印で示されている方向においてなど、コンデンサの第１のプレート１１６を同様に振動させることができる。コンデンサの第１のプレート１１６の振動は、機械エネルギを電気エネルギに変換できるように、超伝導回路上で電気パルスを誘発することができる。

逆に、超伝導回路上を伝搬する電気パルスは、機械的カプラにおけるコンデンサの第１のプレート１１６の振動を誘発し、それによって電気エネルギを機械エネルギに変換することができる。更に、コンデンサの第１のプレート１１６の振動は、フォトニック格子１０２の非ギャップ領域１０６において光子を誘発することができ、それらの誘発された光子はテーパ型光ファイバ１０８上に光パルスを誘発し、それによって機械エネルギを光エネルギに変換することができる。

図５は、図１に示されている光マイクロ波量子変換器２を実現するために用いることが可能な光マイクロ波量子変換器１５０の別の例を示す。光マイクロ波量子変換器１５０は、例えば図１のカンチレバー１２を実現するために用いることが可能なカンチレバー１５１を含み得る。光マイクロ波量子変換器１５０は、２つの（一次元）平行ナノフォトニック結晶１５４から形成できるフォトニック格子１５２を含むことができ、各ナノフォトニック結晶１５４は、それに穴を開けるか又はエッチングした単一の列の穴（ジッパー空洞）を備えている。２つの平行ナノフォトニック結晶１５４は、光マイクロ波量子変換器１５０の共振周波数（式１のω_LC）を設定するために利用できる距離を備えたギャップによって分離することができる。フォトニック格子１５２は、放射された光子を捕獲しないギャップ領域及び放射された光子を捕獲する非ギャップ領域１５６を含み得る。

テーパ型光ファイバ１５８は、説明された方法で、非ギャップ領域１５６の少なくとも一部を覆うことができる。テーパ型光ファイバ１５８は、光を放射できる送信機１６０、及び光を受信できる受信機１６２を含み得る。送信機１６０及び受信機１６２は、光マイクロ波量子変換器１５０を収容する冷凍ユニットの外部にあるエリアに収容することができる。送信機１６０によって送信された光の伝搬は、フォトニック格子１５２の非ギャップ領域１５６において又はその近くで光子を解放させることができる。「ジッパー空洞」を備えたフォトニック格子１５２を実現することによって、テーパ型光ファイバ１５８は、フォトニック格子１５２に効率的に結合することができる。更に、「ジッパー空洞」ジオメトリは、高品質光学モード（Q_o）及び高品質機械モード（Q_m）が結合されることに備える。

ナノフォトニック結晶１５４の各々は、例えば、結晶又は圧電セラミック材料から形成可能な一対の圧電アクチュエータ１６４に結合することができる。圧電アクチュエータ１６４は、一対のナノフォトニック結晶１５４の対向する端部に結合することができる。圧電アクチュエータ１６４は、例えば図１の機械的カプラ２６を実現するために用いることができる。圧電アクチュエータ１６４は、超伝導回路の共振回路１６６（例えば図１の共振回路３０）に結合することができる。

テーパ型光ファイバ１５８は、フォトニック格子１５２の非ギャップ領域１５６においてエバネッセント場を生成することができる。テーパ型光ファイバ１５８によって放射された光子は、フォトニック格子１５２の非ギャップ領域１５６に捕獲することができる。このように電磁モード（例えば励起）は、一対のナノフォトニック結晶１５４内に、すなわち一対のナノフォトニック結晶１５４間に存在することができる。かかる捕獲は、光子からの光エネルギが機械エネルギに変換されるように、フォトニック格子１５２を振動（例えば機械的に励起）させることができる。フォトニック格子１５２の振動は、圧電アクチュエータ１６４における機械的圧力をもたらすことができ、それは機械エネルギを電気エネルギに変換できるように、共振回路１６６上に電圧を誘起することができる。

逆に、共振回路１６６上を伝搬する電気（例えば量子）パルスは、フォトニック格子１５２上の機械的圧力を圧電アクチュエータ１６４に誘発させ得る電圧を圧電アクチュエータ１６４に誘起し、それによって電気エネルギを機械エネルギに変換することができる。更に、圧電アクチュエータ１６４の機械的圧力はフォトニック格子１５２を振動させ、それによってフォトニック格子１５２の非ギャップ領域１５６に光子を誘発することができる。それらの誘発された光子はテーパ型光ファイバ１５８上に光パルスを誘発し、それによって機械エネルギを光エネルギに変換することができる。このように、カンチレバー１５１は、圧電効果によって電気機械結合のメディエータとして動作することができる。従って、光マイクロ波量子変換器１５０において、結合は、図３に関連して図示され説明されたように、コンデンサプレート及び／又は誘導ループにおいて発生する結合と対照的に、圧電効果を介してカンチレバー１５１の材料内で行うことができる。

図６は、例えば、図１の光マイクロ波量子変換器２を実現するために用いることが可能な光マイクロ波量子変換器２００の例を示す。図７は、図１のカンチレバー１２を実現するために用いることが可能なカンチレバー２０１を示す図６の光マイクロ波量子変換器２００の側面図を示す。説明の簡略化のために、同じ参照番号が、同じ構造を示すために図６及び７において用いられる。光マイクロ波量子変換器２００は、穴を開けるか又はエッチングされた複数の穴の列（例えば約１０以上）を含み得るフォトニック格子２０４を備えたプレートを含むナノフォトニック結晶２０２を含み得る。フォトニック格子２０４は、放射された光子を捕獲しないギャップ領域及び放射された光子を捕獲する非ギャップ領域２０６を含み得る。

テーパ型光ファイバ２０８は、上記のように、非ギャップ領域２０６の少なくとも一部を覆い得る。テーパ型光ファイバ２０８を含む光ファイバは、光を放射できる送信機２１０及び光を受信できる受信機２１２に結合することができる。送信機２１０及び受信機２１２は、光マイクロ波量子変換器２００を収容する冷凍ユニットの外部にあるエリアに収容することができる。送信機２１０によって送信された光の伝搬は、フォトニック格子２０４の非ギャップ領域２０６において、又はその近くで光子を解放させることができる。

フォトニック格子２０４は、真空ギャップコンデンサの第１のプレート２１６の基板２１４に結合することができる。真空ギャップコンデンサは、例えば、図１の機械的カプラ２６を実現するために用いることができる。基板２１４は、シリコン（Ｓｉ）などの固有の材料から形成することができ、真空ギャップコンデンサの第１のプレート２１６として実現可能な超伝導アルミニウムなどの可撓性超伝導材料の境界を定める領域を含み得る。真空ギャップコンデンサの第１のプレート２１６は、超伝導回路（例えば図１に示されている超伝導回路６）と統合できる真空ギャップコンデンサの第２のプレート２１８を覆うことができる。真空ギャップコンデンサの第２のプレート２１８もまた、超伝導アルミニウムなどの超伝導材料で形成することができる。真空ギャップコンデンサの第１のプレート２１６及び第２のプレート２１８は、真空ギャップによって分離することができる。真空ギャップコンデンサの静電容量は、式６によって定義することができる。

ここで、
Ｃは、真空ギャップコンデンサの静電容量であり、
ε₀は、自由空間の誘電率であり、
ｄは、真空ギャップコンデンサの第１のプレートと第２のプレートとの間の距離であり、
Ａは、真空ギャップコンデンサの第１のプレートの面積（約１００μｍ^２（１００μｍ×１００μｍ））である。

真空ギャップコンデンサの基板２１４は、回転軸２２２を中心に真空ギャップコンデンサ及びフォトニック格子２０４の捻回を可能にするアンカー２２０（例えばポスト）に繋ぐことができる。例えば、テーパ型光ファイバ２０８は、フォトニック格子２０４の非ギャップ領域２０６にエバネッセント場を生成することができる。テーパ型光ファイバによって放射された光子は、フォトニック格子２０４の非ギャップ領域２０６において捕獲することができる。かかる捕獲は、矢印２２４によって示された方向にフォトニック格子２０４を移動させ、それによって、光子からの光エネルギが機械エネルギに変換されるように、矢印２２６によって示された反対方向に真空ギャップコンデンサの第１のプレート２１６を移動させることができる。フォトニック格子２０４の非ギャップ領域２０６において放射される光子が低減すると、フォトニック格子２０４及び真空ギャップコンデンサの第１のプレート２１６の元の位置は、回復することができる。このように、光マイクロ波量子変換器２００は、ねじれ振動子（例えば「シーソー」）として動作することができる。光マイクロ波量子変換器２００によって誘発されるトルク量は、式７で特徴付けることができる。

ここで、
τは、光マイクロ波量子変換器によって誘発されたトルクであり、
Ａ_fpは、真空ギャップのフットプリント（面積）（約１０，０００ｎｍ^２）であり、
ｌは、回転軸に対するフォトニック格子の非ギャップ領域の距離であり、
ε₀は、自由空間の誘電率であり、
Ｅは、フォトニック格子の非ギャップ領域における電界強度である。

真空ギャップコンデンサの第２のプレートに対する真空ギャップコンデンサの第１のプレート２１６の移動は、超伝導回路の共振回路へ伝搬され得る電気パルス（例えば量子パルス）を真空ギャップコンデンサの第２のプレート上に誘発し、それによって機械エネルギを電気エネルギに変換することができる。幾つかの例において、第１のプレート２１６及びナノフォトニック結晶２０２は、第１のプレート２１６及びナノフォトニック結晶２０２が軸２２２を中心にねじれるときに剛性のままであり得る。

逆に、超伝導回路上を伝搬する電気（例えば量子）パルスは、矢印２２６によって示された方向に真空ギャップコンデンサの第１のプレート２１６の移動を引き起こし、それにより、矢印２２４によって示された反対方向にフォトニック格子２０４の移動が引き起こされ、それによって電気エネルギを機械エネルギに変換することができる。更に、フォトニック格子２０４の移動はテーパ型光ファイバ上に光パルスを誘発し、それによって機械エネルギを光エネルギに変換することができる。図６及び７に示されている光マイクロ波量子変換器２００において、比較的高い関与率及び高い協同性を達成することができる。これは、真空ギャップコンデンサの第１のプレート２１６及び第２のプレート２１８が比較的大きくなり得、それによって、大きな電気機械結合に対応できる比較的高い静電容量を達成できるためである。更に、高い関与率は、光マイクロ波量子変換器２００を準粒子ノイズにそれほど影響されなくすることができる。

このように光マイクロ波量子変換器２００を実現することによって、二次元誘電体（例えば第１のプレート２１６）は浮遊され得る。更に、光マイクロ波量子変換器２００は、優れた機械的品質係数（Q_o）を有するねじり機械モード（例えば励起）を実現することができる。

図８は、例えば図１のカンチレバー１２を実現するために用いることが可能な光マイクロ波量子変換器２５０の例を示す。図９は、図１のカンチレバー１２を実現するために用いることが可能なカンチレバー２５１を含む、ラインＡ−Ａに沿って得られた図７の光マイクロ波量子変換器２５０の断面図を示す。説明の簡略化のために、同じ参照番号が、同じ構造を示すために図７及び８において用いられる。光マイクロ波量子変換器２５０は、穴を開けるか又はエッチングしてなる複数の穴の列（例えば約１０以上）を含み得るフォトニック格子２５４を備えたプレートを含むナノフォトニック結晶２５２を含み得る。フォトニック格子２５４は、放射された光子を捕獲しないギャップ領域及び放射された光子を捕獲する非ギャップ領域２５６を含み得る。

テーパ型光ファイバ２５８は、上記のように、非ギャップ領域２５６の少なくとも一部を覆い得る。テーパ型光ファイバ２５８を含む光ファイバは、光を放射できる送信機２６０及び光を受信できる受信機２６２を含み得る。送信機２６０及び受信機２６２は、光マイクロ波量子変換器２５０を収容する冷凍ユニットの外部にあるエリアに収容することができる。送信機２６０によって送信された光の伝搬は、フォトニック格子２５４の非ギャップ領域２５６において又はその近くで光子を解放させることができる。

フォトニック格子２５４は、真空ギャップコンデンサの第１のプレート２６６の基板２６４に結合することができる。真空ギャップコンデンサは、例えば図１の機械的カプラ２６を実現するために用いることができる。基板２６４は、Ｓｉで形成でき、且つ真空ギャップコンデンサの第１のプレート２６６として実現可能な可撓性超伝導アルミニウムなどの超伝導材料の境界を定める領域を含み得る。真空ギャップコンデンサの第１のプレート２６６は、超伝導回路（例えば図１に示されている超伝導回路６）と統合できる真空ギャップコンデンサの第２のプレート２６８を覆い得る。真空ギャップコンデンサの第２のプレート２６８も、超伝導アルミニウムなどの超伝導材料で形成することができる。真空ギャップコンデンサの第１のプレート２６６及び第２のプレート２６８は、真空ギャップによって分離することができる。真空ギャップコンデンサの静電容量は、式６によって定義することができる。

真空ギャップコンデンサの基板２６４は、基板２６４の端部に沿って延び、且つ真空ギャップコンデンサの第１のプレート２６６の中央領域が真空ギャップコンデンサの第２のプレート２６８に対して移動できるようにするレール２７０に繋ぐことができる。例えば、テーパ型光ファイバ２５８は、フォトニック格子２５４の非ギャップ領域２５６においてエバネッセント場を生成することができる。テーパ型光ファイバ２５８によって放射された光子は、フォトニック格子２５４の非ギャップ領域２５６において捕獲することができる。かかる捕獲は、矢印２７２によって示された方向にフォトニック格子２５４を移動させ、それにより、光子からの光エネルギが機械エネルギに変換されるように、矢印２７４によって示された（同じ）方向に真空ギャップコンデンサの第１のプレート２６６を移動させることができる。フォトニック格子２５４の非ギャップ領域２５６において放射される光子が低減すると、フォトニック格子２５４及び真空ギャップコンデンサの第１のプレート２６６の元の位置に復帰することができる。このように、光マイクロ波量子変換器２５０は、ドラム振動子として動作することができる。真空ギャップコンデンサの第２のプレートに対する真空ギャップコンデンサの第１のプレート２６６の移動は、超伝導回路の共振回路へと伝搬され得る電気パルス（例えば量子パルス）を真空ギャップコンデンサの第２のプレート２６８上に誘発し、それによって機械エネルギを電気エネルギに変換することができる。このように、光マイクロ波量子変換器２５０を実現することによって、二次元誘電体（例えば第１のプレート２６６）が浮遊され得る。

逆に、超伝導回路上を伝搬する電気（例えば量子）パルスは、矢印２７２によって示された方向に真空ギャップコンデンサの第１のプレート２６６の移動を引き起こす。それにより、矢印２７４によって示された方向にフォトニック格子２５４の移動が引き起こされ、それによって、電気エネルギを機械エネルギに変換することができる。更に、フォトニック格子２５４の移動はテーパ型光ファイバ２５８上に光パルスを誘発し、それによって機械エネルギを光エネルギに変換することができる。

図８及び９に示されている光マイクロ波量子変換器２５０において、比較的高い関与率及び高い協同性を達成することができる。これは、真空ギャップコンデンサの静電容量が比較的大きくなり得るように、真空ギャップコンデンサの第１及び第２のプレート２６８が比較的大きくなり得るからである。更に、基板２６４の端部をレール２７０で固定することによって、真空ギャップコンデンサの比較的正確な静電容量を達成することができる。更に、高い関与率は、光マイクロ波量子変換器２５０を準粒子ノイズにそれほど影響されなくすることができる。

上記の説明は例である。コンポーネント又は方法のあらゆる考えられる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、多くの更なる組み合わせ及び置き換えが可能であることを理解し得る。従って、本開示は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に入る全ての変更、修正、及び変形形態を包含するように意図されている。

Claims (21)

1. 光マイクロ波量子変換器であって、
   光信号を送受信するように構成されたテーパ型光ファイバと、
   カンチレバーと、を備え、
   前記カンチレバーは、
   ナノフォトニック結晶を含み、前記テーパ型光ファイバから放射された光子によって誘発された電磁励起に応じて機械的励起をもたらすように構成された光空洞と、
   前記機械的励起に応じて超伝導空洞上にて電気変調を誘発するとともに、前記超伝導空洞からの光子によって誘発された電磁励起に応じて機械的励起をもたらすように構成された機械的カプラと、を含み、
   前記光空洞は、前記機械的励起に応じて前記テーパ型光ファイバ上に光変調を誘発する電磁励起をもたらすように更に構成されている、光マイクロ波量子変換器。
2. 前記光空洞は、平行に配置されるとともにギャップによって分離された一対のナノフォトニック結晶を含み、前記一対のナノフォトニック結晶の各々が穴の列を有する、請求項１に記載の光マイクロ波量子変換器。
3. 前記一対のナノフォトニック結晶の所与の１つと前記機械的カプラとの間に結合されたバッファを更に備える請求項２に記載の光マイクロ波量子変換器。
4. 前記機械的カプラは、前記バッファに結合された第１のプレートと、前記超伝導空洞に結合された第２のプレートとを備えたコンデンサを含む、請求項３に記載の光マイクロ波量子変換器。
5. 前記光空洞は、前記テーパ型光ファイバから放射された光子の捕獲に応じて振動するように構成されている、請求項４に記載の光マイクロ波量子変換器。
6. 前記コンデンサの第１のプレートが前記光空洞の振動に応じて振動し、前記コンデンサの第１のプレートの振動が前記コンデンサの第２のプレート上に前記電気変調を誘発する、請求項５に記載の光マイクロ波量子変換器。
7. 前記機械的カプラは、前記一対のナノフォトニック結晶と前記超伝導空洞とに結合された圧電アクチュエータを含む、請求項２に記載の光マイクロ波量子変換器。
8. 前記光空洞は、前記テーパ型光ファイバから放射された光子の捕獲に応じて前記圧電アクチュエータに圧力を印加するように構成されている、請求項７に記載の光マイクロ波量子変換器。
9. 前記圧電アクチュエータは、前記圧電アクチュエータに印加された圧力に応じて前記超伝導空洞上に電圧を誘起するように構成されている、請求項８に記載の光マイクロ波量子変換器。
10. 前記光空洞は、少なくとも１０列の穴を含む二次元フォトニック格子を含み、前記ナノフォトニック結晶はプレートを含み、前記プレートが前記機械的カプラの基板に結合されている、請求項１に記載の光マイクロ波量子変換器。
11. 前記機械的カプラが真空ギャップコンデンサを含み、
    前記真空ギャップコンデンサは、
    前記基板によって境界が定められた第１のプレートと、
    真空ギャップによって前記第１のプレートから分離され且つ前記超伝導空洞に電気的に結合された第２のプレートと
    を含む、請求項１０に記載の光マイクロ波量子変換器。
12. 前記機械的カプラは、前記基板に繋がれた一組のアンカーを更に含み、前記一組のアンカーは、回転軸を中心とした前記フォトニック格子及び前記真空ギャップコンデンサの第１のプレートの捻回を可能にするように構成されている、請求項１１に記載の光マイクロ波量子変換器。
13. 前記フォトニック格子に捕獲された光子によって前記フォトニック格子が第１の方向にシフトすることにより、前記回転軸を中心に、前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記真空ギャップコンデンサの第１のプレートがシフトする、請求項１２に記載の光マイクロ波量子変換器。
14. 前記真空ギャップコンデンサの第１のプレートがシフトすることにより、前記真空ギャップコンデンサの第２のプレートにより前記超伝導空洞上に前記電気変調が誘発される、請求項１３に記載の光マイクロ波量子変換器。
15. 前記機械的カプラは、前記基板の対向する端部に沿って繋がれた一組のレールを更に含み、前記一組のレールは、前記フォトニック格子の中央領域及び前記真空ギャップコンデンサの第１のプレートのシフトを可能にするように構成されている、請求項１１に記載の光マイクロ波量子変換器。
16. 前記フォトニック格子に捕獲された光子によって前記フォトニック格子が所与の方向にシフトすることにより、前記真空ギャップコンデンサの第１のプレートが前記所与の方向にシフトする、請求項１５に記載の光マイクロ波量子変換器。
17. 光マイクロ波量子変換器であって、
    超伝導空洞に電気的に結合される機械的カプラであって、前記超伝導空洞から前記機械的カプラ上に放射された光子によって誘発された電気パルスに応じて機械的に励起するように構成された機械的カプラと、
    ナノフォトニック結晶に形成された少なくとも２列の穴を有し且つ前記機械的カプラに機械的に結合された光空洞であって、前記ナノフォトニック結晶における所与の穴が、その所与の穴の中心を通って延び且つテーパ型光ファイバと交差する軸を有しており、前記機械的カプラの機械的励起に応じて前記テーパ型光ファイバ上に光変調を誘発するように構成された光空洞と
    を備える光マイクロ波量子変換器。
18. 前記光空洞は、平行に配置されるとともにギャップによって分離された一対のナノフォトニック結晶を含み、前記一対のナノフォトニック結晶の各々が少なくとも２列の穴の列を有する、請求項１７に記載の光マイクロ波量子変換器。
19. 前記光空洞がフォトニック格子を含み、前記少なくとも２列の穴が少なくとも１０列の穴を含み、前記ナノフォトニック結晶がプレートを含み、及び前記プレートが前記機械的カプラの基板に結合され、前記機械的カプラが真空ギャップコンデンサを含み、
    前記真空ギャップコンデンサは、
    前記基板によって境界が定められた第１のプレートと、
    真空ギャップによって前記第１のプレートから分離され且つ超伝導回路の共振回路に電気的に結合された第２のプレートと
    を含む、請求項１８に記載の光マイクロ波量子変換器。
20. システムであって、
    超伝導温度で光マイクロ波量子変換器を収容する冷凍ユニットであって、前記光マイクロ波量子変換器が、
    ナノフォトニック結晶を含み、光ファイバから放射された光子によって誘発された電磁励起に応じて機械的励起をもたらすように構成された光空洞と、
    前記機械的励起に応じて超伝導空洞上にて電気変調を誘発するとともに、前記超伝導空洞からの光子によって誘発された電磁励起に応じて機械的励起をもたらすように構成された機械的カプラであって、前記光空洞が、前記機械的励起に応じて前記光ファイバ上に光変調を誘発する電磁励起をもたらすように更に構成されている、前記機械的カプラと
    を含む前記冷凍ユニットと、
    前記光ファイバを含む光チャネル上で光パルスを送受信するように構成され、前記冷凍ユニットの外部に存在するノードと
    を備えるシステム。
21. 前記ノードは、超伝導温度で別の光量子変換器を収容する別の冷凍ユニットを含む、請求項２０に記載のシステム。