TW202415993A - 光學裝置與產生壓縮光的方法 - Google Patents

Abstract

一種光學裝置，包括：位於第一平面中的第一環共振器；位於所述第一平面中的第一光波導，且用於向所述第一環共振器提供光子；位於在所述第一平面下方中的第二平面中的第二環共振器；和位於所述第二平面中的第二光波導。第二光波導被配置為接收從所述第二環共振器逸出的光子。

Description

光學裝置與產生壓縮光的方法

光學共振器已在經典光通信系統中得到廣泛應用。例如，光學共振器非常有希望為光通信系統中的波長劃分多工(wavelength division multiplexing，WDM)技術（包括密集波長劃分多工(dense WDM，DWDM)技術）提供高數據速率、超低功耗和小尺寸（或尺寸）。最近，光學共振器還在光子量子技術中找到了應用，例如量子計算。例如，光學共振器可以被實現為用於提供壓縮光（squeezed light）的源。壓縮光是指某些相的電場強度具有小於相干態電場強度的量子不確定性（也稱為雜訊）的光。許多應用可以受益於高品質的壓縮光源。為了充分利用壓縮光在光子量子技術中的潛力，希望壓縮光源具有可擴展性、可調諧性並與現有光學技術兼容。因此，需要進一步改進提供高光譜純度和高光功率效率的光學共振器結構。經典的光通信系統也可能受益於光共振器結構的這種改進。

以下公開內容提供了許多不同的實施例或示例，用於實現所提供主題的不同特徵。下面描述組件和佈置的具體示例以簡化本公開。當然，這些僅是示例而不是限制性的。例如，在以下描述中在第二特徵之上或之上形成第一特徵可以包括其中直接接觸地形成第一和第二特徵的實施例，並且還可以包括其中可以在兩者之間形成附加特徵的實施例。第一和第二特徵，這樣第一和第二特徵可能不會直接接觸。此外，本公開可以在各種示例中重複參考數字和/或字母。這種重複是為了簡單和清楚的目的，並且其本身並不規定所討論的各種實施例和/或配置之間的關係。

為了便於描述，可以在本文中使用諸如“下方”、“下方”、“下方”、“上方”、“上方”等空間相關術語來描述一個元素或特徵與另一個元素的關係或功能，如圖所示。除了附圖中描繪的方位之外，空間相關術語旨在涵蓋設備在使用或操作中的不同方位。該設備可以以其他方式定向（旋轉90度或以其他方向），並且本文中使用的空間相關描述符同樣可以相應地解釋。

此外，當用“大約”、“大約”等描述一個數字或一個數字範圍時，該術語旨在涵蓋合理範圍內的數字，考慮到製造過程中固有出現的變化，正如其中一位所理解的那樣本領域的普通技能。例如，基於與製造具有與數字相關聯的特徵相關聯的已知製造公差，數字的數量或範圍包含合理範圍，包括所描述的數量，例如所描述數量的+/–10%以內。例如，厚度為“約5nm”的材料層可涵蓋從4.5nm到5.5nm的尺寸範圍，其中與沈積材料層相關的製造公差被本領域的普通技術人員已知為+/–10%。

本公開涉及光子電路（或光子結構），特別是具有堆疊光學共振器的光子電路。在一些示例性實施例中，具有堆疊光學共振器的光子電路被實施為產生壓縮光（也稱為壓縮狀態的光）以用於光子量子力學，例如量子計算。光子電路的示例性實施例提供具有高光譜純度和高光功率效率的光子源。同時，本公開不限於此。基於經典處理單元的各種光通信系統或網路技術也同時使用光學元件和電子電路，並且可以實現光子電路的示例性實施例以提高性能。例如，具有堆疊式光共振器（stacked optical resonators）的示例性光子電路可以在各種光通信系統中實現，例如在波長劃分多工（WDM）應用中。

量子力學在信息的編碼、傳輸和處理方面具有許多優勢。例如，可以使用量子密鑰分發來實現高度安全的通信。量子計量學可用於實現不使用量子力學就無法實現的精確測量。特別是，基於量子力學效應的量子電腦可以提供指數級更快的計算或更高的計算吞吐量。由於完成計算所需的時間，某些計算問題（例如大數因式分解）無法使用傳統計算機輕鬆解決。然而，已經表明，量子電腦可以使用非經典算法方法為這些類型的計算問題中的某些問題提供有效的解決方案，等等。

量子電腦中量子信息的基本單位稱為量子位元（quantum bit）或qubit。量子電腦可以利用物理粒子來表示或實現量子位元。在電子方法中，“0”或“1”可以由電子的自旋來表示，其中向上或向下的自旋可以對應於“0”、“1”或電子自旋同時向上和向下的狀態疊加。類似地，在量子計算的光子方法中，“0”可以表示為在給定路徑（或波導）中觀察單個光子的可能性，而在不同路徑中觀察相同光子的可能性可能表示“1”。光子是出色的量子信息載體，因為它們結合了高速和室溫下的長相干時間（coherence time）。因此，一些量子信息處理系統中的一種實現是利用光子的量子可觀察量來編碼量子位元中的信息。

在這種基於光子的量子計算系統中，一種用於確定光子可以位於特定空間間隔的時間間隔的方法是實施“先驅”系統（heralded system）。先驅系統由兩個具有已知時間重合（temporal coincident）窗口的光子組成，其中第一光子稱為“信號”（signal）光子，第二光子稱為“閒頻”（idler）光子。為了確保（信號、閒頻）光子對在特定的預定和時間重合窗口內重合，根據系統採用特定的已知物理過程。然而，這種先驅系統通常效率很低。大多數基於光子的先驅量子計算系統的架構只能利用從源產生的光子對，而實際產生這種光子對的時間只有一小部分。因此，這種量子電路的耦合效率或光功率效率受到嚴重損害。大多數基於光子的先驅量子計算系統的架構也受到誘發雜散光的有限品質因數的影響。因此，這種量子電路的光譜純度也經常受到損害。那麼所需要的是提高基於光子的量子電路中先驅系統的光功率效率和品質因數。

為了生成（信號、閒頻）光子對，可以採用具有光學共振器的光子結構，例如環共振器（或稱為圓形共振器）。通用的環共振器由一個自身環回（looped back）的光波導組成，這樣當共振器的光程長度正好是波長的整數倍時就會發生共振。環共振器因此支持多重共振，並且這些共振之間的間隔，即自由光譜範圍(free spectral range，FSR)，取決於共振器的長度。通過利用特定類型或配置的環共振器結合某些光子源，或將光子源耦合到環共振器，可以產生具有區分屬性（例如，波長）的（信號，閒頻）光子對。然後，基於光子的量子電路可以利用這些光子對來執行量子計算。

啟用先驅系統的第一特殊物理過程採用“自發參數下轉換”(spontaneous parametric down conversion，SPDC)原理。SPDC過程可以採用非線性光學材料（通常是晶體）來實現信號光子和對應閒頻光子的時間同步生成，作為非線性光學過程的產物。SPDC的發生是由於非線性材料的介電極化的非零第二階電極化率項。SPDC在相位匹配條件下利用單個入射光子，此處稱為“泵”光子（pump photo），其特徵在於頻率ω _pump。具有頻率ω _pump的泵光子入射到非線性光學材料，該材料可以自發地將單個泵光子能量轉換為一對（信號，閒頻）時間重合光子，每個光子分別具有頻率ω _signal和ω _idler其中ω _pump=ω _signal+ω _idler。因為第二階非線性效應幾乎是瞬時的，所以檢測到所創建的一對中的一個可以預示另一個的產生。

啟用先驅系統的第二特定物理過程採用“自發四波混頻”(spontaneous four-wave mixing，SFWM)原理。SFWM製程可以採用一種結構作為諧振腔，相應的“品質因數”用Q表示。SFWM的發生是由於腔體材料的介電極化的非零第三階電極化率項。值得注意的是，由各向同性材料（一個例子是石英玻璃）製成的空腔具有零值第二階項，因此此類材料的非線性響應由非零第三階項支配。一種這樣的諧振腔結構是“環共振器”。在適當的結構或介質中，SFWM可以被視為對頻率為ω _1pump和ω _2pump的兩個泵光子的虛擬吸收（virtual absorption），具有適當的相位匹配條件，導致自發產生（信號，閒頻）對。因為第三階非線性效應幾乎是瞬時的，所以檢測到所創建的一對中的一個可以預示另一個的產生。由於混合關係，兩個泵光子的頻率和由此產生的（信號，閒頻）對的頻率相關為ω _1pump+ω _2pump=ω _signal+ω _idler。

在先驅系統中，希望信號光子和閒頻光子具有它們之間不同的屬性，從而允許將一個光子與另一個光子區分開來，並且進一步地，以不同於另一個光子的方式路由光子。這種特性的一個示例是使相位匹配標準出現輕微偏差，從而導致與兩個泵光子的波長相比，自發產生的（信號、閒頻）對的波長出現輕微的可預測偏差。(信號、閒頻)對的可預測波長偏差使得使用SFWM能夠生成第一波長的信號光子，該信號光子與第二波長的閒頻光子在時間上重合，其中信號光子的第一波長不同於閒頻光子的第二波長。

參考圖1A和1B，示出了可以用作光子對源的具有環共振器的一些示例性光子電路。圖1A示出了光子電路10的上視圖，其包括環共振器12和單軌形式的光波導（或稱為總線光波導（bus optical waveguide））14。環共振器12可以被認為是一種環形光波導。還示出了光子電路10沿著穿過環共振器12的中心的線A-A的截面圖。環共振器12和光波導14各自可以包括佈置在半導體基底19（例如矽基底）上，被氧化物層18(例如二氧化矽)圍繞的非線性光學材料(例如氮化矽或其他合適的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN)。此外，環共振器和光波導可以具有不同的材料組成。

環共振器12可以包括波導迴路，使得當環共振器的光程長度是光子波長的整數倍時，可以發生對於具有特定波長的光子的共振。環共振器12可以支持多個波長的多個共振，這些波長可以滿足共振條件。光譜中這些共振之間的間隔可稱為自由光譜範圍(FSR)，並且可取決於環共振器的光程長度。環共振器12可具有小於約毫米(mm)的半徑，例如約5-12微米(um)，也稱為微環共振器（micro-ring resonator）。術語“環共振器”和“micro-環共振器”在本公開中可互換使用。

光子源通過表示為埠A的輸入埠向光波導14提供光子。光子在朝向光波導14的輸出埠的方向上傳播，表示為埠B。穿過一個光波導的光子可以耦合到相鄰的光波導中。這種現象稱為漸逝耦合（evanescent coupling）。當光子通過光波導14傳播時，一部分將耦合到環共振器12中。為了增加耦合到環共振器12中的光子的部分並相應地增加耦合效率，將環共振器12靠近光波導14定位以增強漸逝耦合。因此，這種漸逝耦合也稱為近場耦合（near-field coupling）。

一個區域表示為近場耦合區16，它代表光子電路10的一部分，其中近場耦合發生在環共振器12和光波導14之間。從光波導14耦合的一部分光子傳播到環共振器12中，並且剩餘部分的光子繼續在光波導14中傳播並從埠B離開光波導14。在耦合到環共振器12的部分光子中，有一部分更經歷了自發的物理過程。例如，自發四波混頻(SFWM)或自發參量下變頻(SPDC)過程可能發生在環共振器12中。在SFWM製程中，兩個泵光子可被轉換成非線性光學材料中的一對子光子（例如，信號光子和閒頻光子）。由於能量守恆，產生的信號光子和閒頻光子的頻率可能圍繞泵頻率對稱分佈。通常，由於這種光譜相關性，先驅光子可能處於混合狀態（mixed state）。在環共振器12內生成的信號和閒頻光子可以耦合出環共振器12並返回到光波導14並朝埠B射出，這在近場耦合區16中以一定的耦合效率發生。光波導14和環共振器12中光子的傳播方向可以如圖1A中的箭頭所示。

圖1B圖示了光子電路10的另一個實施例，其還包括單軌形式的第二光波導14’。還示出了光子電路10沿著穿過環共振器12的中心的線A-A的截面圖。環共振器12和光波導14和14’各自可以包括佈置在半導體基底19（例如矽基底）上，被氧化物層18(例如二氧化矽)圍繞的非線性光學材料(例如氮化矽或其他合適的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN)。此外，環共振器和光波導可以具有不同的材料組成。在環共振器12內生成的信號光子和閒頻光子可以從環共振器12耦合到第二光波導14’並朝埠B射出，這在第二近場耦合區16’中以一定的耦合效率發生。光子在第一光波導14、環共振器12和第二光波導14’中的傳播方向可以如圖1B中的箭頭所示。

圖2是一個虛擬能階圖，說明了在光子對源（photon-pair source）中發生的自發四波混頻(SFWM)過程的示例。具有第一頻率ω1的泵光子和具有第二頻率ω2的泵光子可以混合產生一對分別具有頻率為ω3和ω4的光子。兩個泵光子可以具有相同的頻率或波長（即，ω1=ω2），例如由單個光子源提供。兩個泵光子可能具有不同的頻率或波長（即，ω1≠ω2），例如由兩個組合光子源提供。由於能量守恆，所產生的一對光子的ω3和ω4的頻率可以相對於光譜中泵光子的頻率對稱（即，|ω3-ω1|=|ω1-ω4|）。請注意，關於圖1A和1B，耦合到埠A的可能是單個源（即ω1=ω2）或兩個（或更多）組合源（即ω1≠ω2）的輸出。

參考圖3A和3B，進一步檢查通過組合兩個光子源將光子泵送到光子電路的輸入埠的壓縮光生成過程。特別地，圖3A示出了根據一個實施例的通過組合兩個光子源以耦合到單軌光波導，藉由通過 SFWM 過程產生壓縮光的光子電路20。出於本領域技術人員將理解的多種原因，組合兩個光子源在特定應用中可能是有用的。作為第一步，將一個脈衝雷射形式的源與另一個作為外部泵雷射的源組合起來可能很有用，以產生用於經典領域的複合泵脈衝源。作為第二步，將產生不同頻率光子的兩個源組合為單個埠的輸入以控制可能在光學共振器內發生的物理過程（例如SFWM）可能很有用。

壓縮光（也稱為位於壓縮態的光）是指某些相的電場強度具有小於相干態電場強度的量子不確定性（也稱為雜訊）的光。許多應用可以受益於高品質的壓縮光源。例如，在計量學中，使用壓縮光可以讓某些光學傳感器克服散粒雜訊限制（shot noise limit），並實現比傳統光源高出許多倍的靈敏度。在量子通信中，壓縮光可用於分發糾纏（entanglement），從而協助加密密鑰分發協議。壓縮光源還可用於確定性地生成大量高度糾纏的量子態，從而能夠使用連續變量編碼（continuous variable encoding）構建在光域中運行的可擴展量子模擬和計算設備。

光子電路20包括以第三階非線性光學極化率為特徵的環共振器22。驅動光源24與環共振器22進行光通信並且被配置為經由光波導32將驅動光束28發送到環共振器22。驅動光束28可以包括連續波(continuous wave，CW)光束。泵光源26與環共振器22光通信並配置為通過光波導32將泵光束30發送到環共振器22。泵光束30包括脈衝光束。泵光束30和驅動光束28被配置為通過在環共振器22中發生的SFWM過程在壓縮狀態下產生信號光束。

在一些實施例中，光子電路20可以構建在集成奈米光子平台上。例如，驅動光源24(例如CW半導體雷射)、泵光源26(例如脈衝半導體雷射)、環共振器22和光波導32可以製作在同一個半導體基底上，從而形成集成的壓縮光源。在進一步的一些實施例中，驅動光源24和/或泵光源26可以包括半導體雷射。在一些實施例中，驅動光源24和/或泵光源26可以包括雷射、發光二極管(light emitting diode，LED)或任何其他適當類型的光源。在一些實施例中，環共振器22包括具有強第三階極化率的適當材料。例如，環共振器22和波導32各自可以包括佈置在半導體基底19（例如矽基底）上，被氧化物層18(例如二氧化矽)圍繞的非線性光學材料(例如氮化矽或其他合適的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN)。此外，環共振器和光波導可以具有不同的材料組成。

在一些實施例中，驅動光束28的功率可以是泵光束30的功率的十倍或更大。在一些實施例中，驅動光束28的功率可以是約20mW或更大。在一種實施方式中，來自驅動光束28的大約100mW的驅動功率可以耦合到環共振器22。來自泵光束30的僅幾mW或更少的脈衝泵功率可以產生壓縮因子（或壓縮級別）為幾dB的壓縮光。通過基於 (Mach-Zehnder interferometer，MZI)的耦合區域34對脈衝泵共振（即泵光束30和環共振器22之間的過耦合（over-coupling））進行過耦合，可以將生成的壓縮態設計為具有單時間模式特性並以短脈衝持續時間驅動四波混頻，而不會嚴重影響效率。更多信號諧振的適度過耦合（即信號光束36和環共振器22之間的過耦合）可以減輕損耗，從而允許生成幾乎純的狀態（nearly pure state）。如本文所用，此處的純態是指不與其他自由度（例如，散射模式）糾纏的量子力學態。

在一些實施例中，驅動光源24和/或泵光源26是可調的以便控制信號光束36的特性。壓縮參數的大小和角度可以由驅動光束28和泵光束30的振幅的乘積來確定。因此，可以通過調製輸入光束28和光束30之一或兩者來控制壓縮的大小和角度。此外，壓縮角可以鎖定為驅動光束28和泵光束30的和相位。此外，壓縮因子可以通過兩個輸入光束28和光束30的功率乘積來控制。因此，壓縮輸出可以根據輸入功率和相位進行校準和控制。

在一些實施方式中，驅動光源24和/或泵光源26的輸出頻率是可調的，以改變信號光束36的壓縮因子。在一些實施方式中，驅動光源24和/或泵光源26的功率是可調的，以改變信號光束36的壓縮因子。在一些實施方式中，驅動光源24和泵光源26之間的相對相位是可調的，以改變信號光束36的相位。

光子電路20下的壓縮機制自然適用於設計具有可控時間模式結構的高度可調諧器件。更具體地說，驅動光束28和泵光束30的波長可以很容易地調諧。此外，去除不需要的泵光和抑制不需要的雜散光（spurious light）也可以相對容易地實現（例如，通過耦合器）。因此，由此產生的壓縮光源適用於量子計算應用。

環共振器22可以容納多個共振光學模式J，每個共振光學模式都分配有一個量子力學湮滅算符b _J。在環共振器22中，這裡關注三種光學模式，即驅動模式D、信號模式S和泵模式P，具有相應的光學角頻率ω _D、ω _S和ω _P。這些諧振在它們的本徵配置中可能不是均勻分佈的（例如，由於材料和模態色散）。因此，對於量子力學湮滅算子b _J，b _D表示驅動光束28的共振光模（resonance optical mode），b _P表示泵光束30的共振光模，b _S表示信號光束36的共振光模。

圖3B示出了根據一個實施例的用於產生壓縮光的雙泵自發四波混頻的虛擬能階圖。在存在這種有效的第二階非線性的情況下，P模式中較弱的相干泵脈衝從而通過參量螢光產生光子對進入S模式。使用強CW泵結合本徵χ3響應可以在集成共振器中調節有效的χ2相互作用（在圖3中標記為χ ₂ ^eff）。特別是，為了使所需的參量螢光過程進入共振狀態，可以使用強CW驅動光束通過交叉相位調製引起非線性失諧，將D、S和P共振推入頻率均勻分佈的配置。泵模式P由足夠弱的泵光束30驅動，它只會引起可忽略不計的自相位調製和交叉相位調製。信號模式S攜帶感興趣的生成的壓縮光。諧振腔材料的第三階非線性光學響應導致包含一個係數Λ的相互作用哈密頓量（代表四波系統的能量），係數Λ與諧振腔結構和諧振腔的第三階光學非線性強度有關。對於環共振器，係數Λ可以寫為Λ≈ ω _Sν _g ²γ _NL/2L，其中 是普朗克常數，ω _S是信號光束36的頻率，ν _g是群速度，L是共振器長度，γ _NL是波導非線性參數。已知這種相互作用哈密頓量會通過參量螢光導致共振器內信號S模式的壓縮狀態。該模式耦合到通道場（即，波導32內的光場），產生傳播的壓縮光輸出。

在壓縮光生成過程中，環共振器可以容納數百甚至數千個共振。在這些共振（也稱為輔助共振（auxiliary resonance）或不需要的共振）中，至少有兩個過程與產生壓縮光的表現相關。第一會產生不需要的自發四波混頻，導致S模式中產生雜散光子。第二產生布拉格散射四波混頻（Bragg-scattering four-wave mixing），成為S模式中產生的壓縮態的額外損耗源。因此，抑制這些不需要的光子有利於產生高純度低雜訊壓縮輸出（或稱為更高壓縮級別，以dB為單位）。

因此，可以仔細挑選環共振器拓撲和尺寸以生成具有高光譜純度和高光功率效率的壓縮光。壓縮光輸出的品質，就由不需要的雜散產生的光造成的污染和由於損失導致的過度反壓縮而言，可以通過幾種方法進行優化。一種方法是向環共振器結構添加一個或多個額外的環共振器。與具有單個環共振器的已知壓縮光源相比，添加額外的環共振器帶來了多重優勢。在一些實施例中，第二環共振器引入額外的耦合以增加從源光束到信號光束的躍遷率。在一些實施例中，第二環共振器用作為抑制不需要的光子的輔助耦合器。通過來自單泵過程的其他自發四波混合在S模式中生成不需要的光子通常涉及除S、P或D模式之外的輔助共振。因此，可以通過構建一個破壞所涉及的相應額外共振的裝置來抑制這種產生，或者通過使它們脫離能量守恆條件，降低它們的品質因數，或者完全消除不需要的共振。多個環共振器可能分佈在同一平面上。或者，可以堆疊多個環共振器。堆疊環共振器在環共振器之間帶來更強的耦合。下面參考圖4-圖11說明具有堆疊環共振器的光子電路的各種實施例。

圖4示出了光子電路100a的透視圖和截面圖。光子電路100a包括第一環共振器104a、第二環共振器104b、第一光波導102a和第二光波導102b。橫截面視圖位於平面（或橫截面平面）106中，該平面（或橫截面平面）106穿過第一環共振器104a和第二環共振器104b的中心並垂直於基底112，第一環共振器104a和第二環共振器104b設置在基底112上方。

在橫截面106中，第一環共振器104a、第二環共振器104b、第一光波導102a和第二光波導102b的橫截面被描繪為正方形，但也可以是其他合適的形狀，例如矩形、圓形或橢圓形。第一環共振器104a和第一光波導102a位於第一水平面中。第二環共振器104b和第二光波導102b位於第二水平面中。在所示實施例中，第二水平面在第一水平面之下。或者，第二水平面可以在第一水平面之上。

在所示實施例中，環共振器104a和環共振器104b的中心在光子電路100a的俯視圖中對齊。換句話說，連接環共振器104a和環共振器104b中心的虛擬線103垂直於環共振器104a和環共振器104b分別所在的水平面。環共振器104a和環共振器104b在光子電路100a的俯視圖中也被稱為同心的。或者，環共振器104a和環共振器104b的中心在俯視圖中可以彼此偏移。換句話說，連接環共振器104a和環共振器104b的中心的虛擬線103可以相對於環共振器104a和環共振器104b分別所在的水平面傾斜。

第一環共振器104a、第二環共振器104b、第一光波導102a和第二光波導102b各自可以包括佈置在半導體基底19（例如矽基底）上，被氧化物層18(例如二氧化矽)圍繞的非線性光學材料(例如氮化矽或其他合適的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN)。進一步地，環共振器可以具有第一材料成分，光波導可以具有不同於第一材料成分的第二材料成分，這取決於器件性能需要。

第一光波導102a為具有兩個埠的單軌形式，即埠A和埠A’。第一光波導102a為來自單個光子源或組合光子源的源（入射）光子提供路徑，如上文所討論的。第二光波導102b為直軌形式，具有兩個埠，即埠B和埠B’。第二光波導102b的直軌與第一光波導102a的直軌平行。第二光波導102a提供用於收集和輸出信號（壓縮）光子的路徑。在光子電路100a的俯視圖中，堆疊的環共振器104a和環共振器104b位於光波導102a和光波導102b之間。

第一環共振器104a有一個半徑R1和一個寬度W1。第二環共振器104b有一個半徑R2和一個寬度W2。第一光波導102a具有寬度W1’和離第一環共振器104a的圓周最近的距離D1。第一環共振器104a懸掛在第二環共振器104b上方的垂直距離ΔH中。第二光波導102b具有寬度W2’和離第二環共振器102b的圓周最近的距離D2。在一些實施例中，R1和R2各自在約5μm至約12μm的範圍內。在一些實施例中，W1、W2、W1'和W2'各自在約1um至約2um的範圍內。在一些實施例中，D1和D2各自在約100nm至約1um的範圍內。在一些實施例中，一對內兩個環共振器之間的垂直距離ΔH為約1um至約10um。這個範圍不是微不足道的。如果ΔH小於約1um，則兩個環共振器可能太近並過度耦合D和P共振；如果ΔH大於10um，成對的兩個環共振器之間的近場耦合可能會變得太弱。上述數值是示例性的，考慮到入射光的波長和期望的壓縮水平，可以不同地形成環共振器104a和環共振器104b以及光波導102a和光波導102b的尺寸和間隔。

在圖示的實施例中，環共振器104a和環共振器104b是相同的（R1=R2和W1=W2），使得兩個環共振器的圓周在俯視圖中重疊並且這對內部的近場耦合最強。強近場耦合提高了環共振器的壓縮因子。此外，光波導102a和光波導102b可以具有相同的寬度(W1'＝W2')和來自各自的環共振器(D1＝D2)的相同的距離。然而，環共振器104a和環共振器104b以及光波導102a和光波導102b中的每一個都可以被獨立地修整或調諧以具有不同的共振和耦合特性。例如，R1可能大於R2 (R1＞R2)或小於R2 (R1＜R2)。

通過具有不同的R1和R2，一對中的兩個環共振器可以起到主要環共振器和輔助環共振器的作用。主要環共振器（例如，第一環共振器104a）在S共振中引起壓縮狀態，其頻率等於D和P模式的平均頻率。這種壓縮狀態產生在主要環共振器中傳播的壓縮光輸出。輔助環共振器（例如，第二環共振器104b）進一步調諧主要環共振器，以通過耦合到適當的共振並破壞它們在S模式下產生雜散光的能力來抑制不需要的四波混頻過程。輔助環共振器具有與主要環共振器不同的自由光譜範圍，用於選擇性分裂、失諧和降低所涉及的額外共振的品質因數，從而抑制不需要的過程，同時保留所需的壓縮相互作用。輔助環共振器通過近場耦合耦合到主要環共振器。

此外，當R1與R2不同時，W1仍可能等於W2 （W1=W2）、大於W2 （W1＞W2）或小於W2 （W1＜W2），具體取決於器件性能需要。在一個示例中，光子電路100a可以具有以下非限制性尺寸關係：R1＞R2、W1=W2、W1'＞W2'和D1=D2，而在本公開的範圍內預期其他組合。

進入光子電路100a的光子的傳播方向可以如圖4中的箭頭所示。光子源以埠A向第一光波導102a提供光子。源（入射）光子在埠A’方向傳播。被稱為耦合區108a的區域，其代表光子電路100a的部分，其中在環共振器104a和第一光波導102a之間發生漸逝耦合（近場耦合）。由於這種漸逝耦合通常被限制在環共振器上的一個點周圍的一個小區域中，該點位於距離光波導最近的距離中，因此圖4中的耦合機制也稱為近場點耦合（near-field point coupling）。從第一光波導102a耦合的部分源光子進入第一環共振器104a。在耦合到第一環共振器104a的部分光子中，一些其他部分在通過第一環共振器104a傳播時會經歷自發的物理過程，例如SFWM過程。一小部分光子通過近場耦合進入第二環共振器104b。第二環共振器104b允許更多部分的光子通過SFWM過程，從而提高光子轉換率。此外，通過添加額外的環共振器來引入額外的耦合可以減輕共振器內部的損耗，這種損耗可能會降低可實現的散射模式壓縮。此外，當第二環共振器104b用作為輔助環共振器時，可以抑制不需要的四波混頻過程中涉及的額外共振。兩個環共振器中的光路方向相同。在環共振器104a和環共振器104b中循環的光子總量中，經歷自發物理過程的部分通過耦合區108b耦合回光波導102並向埠B傳播。

研究表明，通過將更多功率泵入相同的環共振器結構，可以進一步提高壓縮水平。在一些實施例中，代替具有單個輸入埠和單個輸出埠，光子電路100a可以包括兩個輸入埠和兩個輸出埠。額外的輸入埠和輸出埠允許更多的光功率被泵入光子電路100a並進一步增加壓縮水平。具體地，光子電路100a可以包括作為耦合到一個或多個光子源的第一輸入埠的埠A、耦合到一個或多個光子源的作為第二輸入埠的埠B’、作為從第一環共振器104a逃逸的信號光子的第一輸出埠的埠A’出射，埠B作為第二輸出，埠用於信號光子從第二環共振器104b出射。

圖4中的整體耦合機制稱為近場點耦合輸入和近場點耦合輸出。額外的環共振器104b提供更多的光子部分通過SFWM過程，從而提高光子轉換率。此外，如上所述，通過添加額外的環共振器引入額外的耦合可以減輕共振器內的損耗，共振器內的損耗可能會降低可實現的散射模式壓縮。

圖5示出了光子電路100b的透視圖和截面圖。光子電路100b包括第一環共振器104a、第二環共振器104b、第一光波導102a和第二光波導102b。由於本領域的技術人員會認識到光子電路100b的各個方面類似於圖4中所示的光子電路100a，並且光子電路100a的各種特性將類似地應用於光子電路100b中的對應物，為了簡潔起見，類似的方面在下文中不再重複。不同於光子電路100a，光子電路100b還包括第三光波導102c和第四光波導102d。額外的光波導提供額外的輸入埠和輸出埠，允許在光子電路100b中泵更多的光功率以進一步增加壓縮水平。

第三光波導102c為具有兩個埠的單軌形式，即埠C和埠C’。第四光波導102d為具有兩個埠的單軌形式，即埠D、埠D’。第三光波導102c與第二環共振器104b和第二光波導102b處於同一水平面。第二環共振器104b位於第二光波導102b和第三光波導102c之間。第四光波導102d與第一環共振器104a和第一光波導102a處於同一水平面。第一環共振器104a位於第一光波導102a和第四光波導102d之間。第一光波導102a和第四光波導102d可以具有相同的尺寸(例如，W1'、D1)。第二光波導102b和第三光波導102c可以具有相同的尺寸（例如，W2'、D2）。

進入光子電路100b的光子的傳播方向可以如圖5中的箭頭所示。在一種實施方式中，埠A和埠C是輸入埠，埠B和埠D是輸出埠，而埠A’、埠B’、埠C’和埠D’保持懸空。光子源向埠A處的第一光波導102a和埠C處的第三光波導102c提供光子。被稱為耦合區108a的區域，其代表光子電路100b的部分，其中在第一環共振器104a和第一光波導102a之間發生漸逝耦合（近場耦合）。被稱為耦合區108c的區域，它代表光子電路100c的部分，其中在第二環共振器104b和第三光波導102c之間發生漸逝耦合（近場耦合）。由於這種漸逝耦合通常被限制在環共振器上的點周圍的小區域中，該點位於到相應光波導的最短距離中，因此圖5中的耦合機制也是近場點耦合。從第一光波導102a耦合的部分源光子進入第一環共振器104a；從第三光波導102a耦合的部分源光子進入第二環共振器104b。在耦合到環共振器104a和環共振器104b的部分光子中，一些進一步的部分在它們傳播通過相應的環共振器時經歷自發的物理過程，例如SFWM過程。從第一環共振器104a逸出的一小部分光子通過近場耦合進入第二環共振器104b；從第二環共振器104b逸出的一小部分光子通過近場耦合進入第一環共振器104a。堆疊中有一個額外的環共振器允許更多部分的光子通過SFWM過程，從而提高光子轉換率。此外，通過添加額外的環共振器來引入額外的耦合可以減輕共振器內部的損耗，這種損耗可能會降低可實現的散射模式壓縮。此外，當第二環共振器104b用作為輔助環共振器時，可以抑制不需要的四波混頻過程中涉及的額外共振。兩個環共振器中的光路方向相同。在環共振器104a和環共振器104b中循環的光子總量中，在第一環共振器104a中經歷自發物理過程的部分通過耦合區108d耦合回第四光波導102d，並通過埠D射出；在第二環共振器104b中經歷自發物理過程的部分通過耦合區108b耦合回第二光波導102b並通過埠B射出。

在另一種實施方式中，埠A、埠C、埠B’和埠D’是輸入埠，埠A’、埠C’、埠B、埠D是輸出埠。光子源向埠A處的第一光波導102a、埠C處的第三光波導102c、埠B’處的第二光波導102b和埠D’處的第四光波導102d提供光子。已經歷自發物理過程並從第一環共振器104a逃逸的光子的一部分通過耦合區108a耦合回第一光波導102a並通過埠A’射出，並通過耦合區108d耦合回第四光波導102d並通過埠D射出。已經歷自發物理過程並從第二環共振器104b逃逸的光子的一部分通過耦合區108b耦合回第二光波導102b並通過埠B射出，並通過耦合區108c耦合回第三光波導102c並通過埠C’射出。

圖5中的整體耦合機制稱為近場點耦合輸入和近場點耦合輸出。額外的環共振器104b提供更多的光子部分通過SFWM過程，從而提高光子轉換率。此外，如上所述，通過添加額外的環共振器引入過耦合可減輕共振器內損耗，這可能會降低可實現的散射模式壓縮。

圖6示出了光子電路100c的透視圖和截面圖。光子電路100c包括第一環共振器104a、第二環共振器104b、第一光波導102a和第二光波導102b。由於本領域技術人員會認識到光子電路100c的各個方面與圖4中所示的光子電路100a相似，並且光子電路100a的各種特性將類似地應用於光子電路100c中的對應物，為了簡潔起見，類似的方面在下文中不再重複。然而，光子電路100c中的光波導102a和光波導102b與光子電路100a中的對應物具有一些差異。

第一光波導102a為具有輸入埠埠A的直軌形式。直軌在A點與第一環共振器104a的圓周切向接觸。也就是說，在點A，第一光波導102a併入第一環共振器104a的環境中。在第一環共振器104a所在的水平面內，經過A點和第一環共振器104a中心的虛擬線垂直於第一光波導102a的直軌。

第二光波導102b為具有輸出埠埠B的直軌形式。第二光波導102b的直軌與第一光波導102a的直軌平行。第二光波導102b的直軌從第二環共振器104b的圓周開始具有距離D2，以通過耦合區108b通過近場耦合接收光子。第二光波導102b可不像圖4中所示的對應物那樣延伸超過環共振器的邊緣。在一些實施例中，在光子電路100c的俯視圖中，第二光波導102b的另一端可不延伸超過耦合區108b。

進入光子電路100c的光子的傳播方向可以如圖6中的箭頭所示。光子源以埠A向第一光波導102a提供光子。源（入射）光子沿朝向A點的方向傳播。在A點，源光子直接注入第一環共振器104a。圖6中的輸入耦合機制也稱為切向注入（tangential-inject in）。由於源光子沒有替代路徑來避免進入第一環共振器104a，因此直接注入可以實現接近100%的耦合效率。在耦合到第一環共振器104a的源光子中，一部分在通過第一環共振器104a傳播時會經歷自發的物理過程，例如SFWM過程。生成信號（壓縮）光子。一小部分光子通過近場耦合進入第二環共振器104b。第二環共振器104b允許更多部分的光子通過SFWM過程，從而提高光子轉換率。此外，通過添加額外的環共振器來引入額外的耦合可以減輕共振器內部的損耗，這種損耗可能會降低可實現的散射模式壓縮。此外，當第二環共振器104b用作為輔助環共振器時，可以抑制不需要的四波混頻過程中涉及的額外共振。兩個環共振器中的光路方向相同。如果沒有被環共振器中的本徵損耗耗散，則信號光子最終會從第二環共振器104b逸出並通過耦合區108b被第二光波導102b重新收集。由於這種漸逝耦合通常被限制在環共振器上的一個點周圍的小區域中，該點位於光波導的最短距離中，因此圖6中的外耦合機制也稱為切向近場耦合輸出。信號光子繼續沿第二光波導102b的直線傳播並通過埠B射出。

整個耦合機制稱為切向注入和切向近場耦合輸出（tangential-near-field-coupled out）。在不考慮彎曲損耗、吸收、散射等本徵損耗的情況下，幾乎所有的源光子都通過第一光波導102a直接射入第一環共振器104a，產生的壓縮光子幾乎全部被第二光波導102b回收。輸入耦合效率接近100%，輸出耦合效率也接近100%。

圖7示出了光子電路100d的透視圖和截面圖。光子電路100d包括第一環共振器104a、第二環共振器104b、第一光波導102a和第二光波導102b。由於本領域的技術人員會認識到光子電路100d的各個方面類似於圖6中所示的光子電路100c，並且光子電路100c的各種特性將類似地應用於光子電路100d中的對應物，為了簡潔起見，類似的方面在下文中不再重複。然而，光子電路100d中的光波導102b與光子電路100c中的光波導102b有一些不同。

第二光波導102b具有部分環繞第二環共振器104b的圓弧形式的第一部分(耦合部分或圓弧部分)和具有輸出埠埠B的直軌形式的第二部分(輸出部分或軌部分)。圓弧從C點開始，在D點連接到直軌。通過部分環繞第二環共振器104b，延長了耦合路徑，提高了收集從第二環共振器104b逃逸的光子的效率，從而減輕了環共振器中發生的本徵損失，特別是彎曲損失和散射損失。耦合部分的弧形可以以恆定的距離部分共形地環繞第二環共振器104b(即，弧和環是同心的)。或者，連接部分的弧形可以從第二環共振器104b逐漸變細(即，C點處的距離較小，D點處的距離較大)。在俯視圖中，連接第一光波導102a的入射部分的A點和第二光波導102b的耦合部分的終點D的虛擬線也可以穿過環共振器的中心。在俯視圖中，虛擬線可以垂直於第一和第二光波導102a和光波導102b兩者的直軌。

第二光波導102b的耦合部分(從C點到D點)對向的中心角表示為中心角α。在各種實施例中，中心角α可以不小於約30°。這個值不是顯而易見的。如果中心角α小於約30°，弧段在重新收集壓縮光子方面可能效率較低。在圖7所示的實施例中，中心角α可以在從大約30°到大約180°的範圍內。較大的中心角α轉化為用於重新收集壓縮光子的較長路徑並增加光子重新收集率。在一個示例中，中心角α大約為90°，使得耦合部分部分地圍繞大約四分之一的第二環共振器104b。在一個示例中，中心角α大約為180°，使得耦合部分部分地圍繞第二環共振器104b的大約一半。

進入光子電路100d的光子的傳播方向可以如圖7中的箭頭所示。圖7中的整體耦合機制稱為切向注入和近場圓周耦合輸出。在不考慮彎曲損耗、吸收、散射等本徵損耗的情況下，幾乎所有的源光子都通過第一光波導102a直接射入第一環共振器104a，產生的壓縮光子幾乎全部被第二光波導102b回收。輸入耦合效率接近100%，輸出耦合效率也接近100%。

圖8示出了光子電路100e的透視圖和截面圖。光子電路100e包括第一環共振器104a、第二環共振器104b、第一光波導102a和第二光波導102b。由於本領域的技術人員會認識到光子電路100e的各個方面類似於圖6中所示的光子電路100c，並且光子電路100c的各種特性將類似地應用於光子電路100e中的對應物，為了簡潔起見，類似的方面在下文中不再重複。不同於光子電路100c，光子電路100e還包括第三光波導102c和第三環共振器104c。額外的光波導和額外的環共振器提供額外的輸入埠，允許在光子電路100e中泵更多的光功率，並在環共振器之間提供額外的耦合以進一步提高壓縮水平。第三光波導102c和第三環共振器104c位於同一水平面上。第三光波導102c和第三環共振器104c可以分別與第一光波導102a和第一環共振器104相同。第三光波導102c切向地直接將光子注入第三環共振器104c。第二環共振器104b位於第一環共振器104a和第三環共振器104c之間，如垂直距離ΔH一樣。進入光子電路100e的光子的傳播方向可以如圖8中的箭頭所示。

圖9示出了光子電路100f的透視圖和截面圖。光子電路100f包括第一環共振器104a、第二環共振器104b、第一光波導102a和第二光波導102b。由於本領域技術人員會認識到光子電路100f的各個方面與圖7中所示的光子電路100d相似，並且光子電路100d的各種特性將類似地應用於光子電路100f中的對應物，為了簡潔起見，類似的方面在下文中不再重複。不同於光子電路100d，光子電路100f還包括第三光波導102c和第三環共振器104c。額外的光波導和額外的環共振器提供額外的輸入埠，允許在光子電路100f中泵更多的光功率，並在環共振器之間提供額外的耦合以進一步提高壓縮水平。第三光波導102c和第三環共振器104c位於同一水平面上。第三光波導102c和第三環共振器104c可以分別與第一光波導102a和第一環共振器104a相同。第三光波導102c切向地直接將光子注入第三環共振器104c。第二環共振器104b位於第一環共振器104a和第三環共振器104c之間，如垂直距離ΔH一樣。進入光子電路100f的光子的傳播方向可以如圖9中的箭頭所示。

圖10示出了光子電路100g的透視圖和截面圖。光子電路100g包括第一環共振器104a、第二環共振器104b、第一光波導102a和第二光波導102b。由於本領域的技術人員會認識到光子電路100g的各個方面類似於圖4中所示的光子電路100a，並且光子電路100a的各種特性將類似地應用於光子電路100g中的對應物，為了簡潔起見，類似的方面在下文中不再重複。不同於光子電路100a，光子電路100g還包括第三光波導102c和第三環共振器104c。額外的光波導和額外的環共振器提供額外的輸入埠，允許在光子電路100g中泵更多的光功率，並在環共振器之間提供額外的耦合以進一步提高壓縮水平。第三光波導102c和第三環共振器104c位於同一水平面上。第三光波導102c和第三環共振器104c可以分別與第一光波導102a和第一環共振器104a相同。第三光波導102c通過近場耦合耦合到第三環共振器104c。第二環共振器104b位於第一環共振器104a和第三環共振器104c之間，如垂直距離ΔH一樣。進入光子電路100g的光子的傳播方向可以如圖10中的箭頭所示。

圖11示出了光子電路100h的透視圖和截面圖。光子電路100h包括第一環共振器104a、第二環共振器104b、第一光波導102a、第二光波導102b、第三光波導102c和第四光波導102d。由於本領域技術人員會認識到光子電路100h的各個方面與圖5中所示的光子電路100b相似，並且光子電路100b的各種特性將類似地應用於光子電路100h中的對應物，為了簡潔起見，類似的方面在下文中不再重複。不同於光子電路100b，光子電路100h還包括第三環共振器104c、第五光波導102e和第六光波導102f。額外的光波導和額外的環共振器提供額外的輸入埠，允許在光子電路100h中泵更多的光功率，並在環共振器之間提供額外的耦合以進一步提高壓縮水平。第三環共振器104c、第五光波導102e和第六光波導102f位於同一水平面上。第三環共振器104c、第五光波導102e和第六光波導102f可以分別與第一環共振器104a、第一光波導102a和第四光波導102d相同。第五光波導102e和第六光波導102f各自通過近場耦合耦合到第三環共振器104c。第二環共振器104b位於第一環共振器104a和第三環共振器104c之間，如垂直距離ΔH一樣。進入光子電路100h的光子的傳播方向可以如圖11中的箭頭所示。

儘管不旨在限制，但本公開的一個或多個實施例為光子量子技術和/或光通信系統提供許多益處。在光子量子技術領域，具有多個堆疊光學共振器的示例性光子電路提供具有高光功率效率和高光譜純度的壓縮光源。在光通信系統領域，具有多個堆疊光共振器的示例性光子電路提供具有高品質因數的波長濾波。

在一個示例方面，本公開涉及一種光學裝置。光學裝置包括位於第一平面中的第一環共振器、位於第一平面中的第一光波導、配置為向第一環共振器提供光子的第一光波導、位於第二平面中的第二環共振器、第二平面在第一平面下方和位於第二平面中的第二光波導，第二光波導被配置為接收從第二環共振器逸出的光子。在一些實施例中，在俯視圖中，第一和第二環共振器是同心的。在一些實施例中，第一環共振器具有第一半徑，並且第二環共振器具有等於第一半徑的第二半徑。在一些實施例中，第一環共振器具有第一半徑，並且第二環共振器具有不同於第一半徑的第二半徑。在一些實施例中，第一光波導通過近場耦合耦合到第一環共振器，並且第二光波導通過近場耦合耦合到第二環共振器。在一些實施例中，第一光波導包括與第一環共振器的圓周相切並接觸的直軌。在一些實施例中，第二光波導包括部分圍繞第二環共振器的弧。在一些實施例中，光學器件進一步包括位於第一平面中的第三光波導，第一和第三光波導將第一環共振器夾在中間，以及第四光波導位於第二平面中，第二和第四光波導將第二環共振器夾在中間。在一些實施例中，該光學裝置還包括位於第三平面中的第三環共振器，第一和第三平面將第二平面夾在中間，以及第三平面中的第三光波導位置，第三光波導被配置為向第三環共振器提供光子。在一些實施例中，第一和第二環共振器設置在半導體基底之上，並且第一和第二環共振器中的每一個包括提供第三階非線性光學極化率的光學介質。

在另一個示例方面，本公開涉及一種光學裝置。光學器件包括具有第一半徑的第一環共振器，具有第二半徑的第二環共振器，第二環共振器疊在第一環共振器下，第一光波導直接將光子注入第一環共振器，第二光波導接受從第二環共振器逸出的光子。在俯視圖中，第一和第二環共振器位於第一和第二光波導之間，第一和第二環共振器以及第一和第二光波導設置在半導體基底上方。在一些實施例中，第二光波導通過近場耦合耦合到第二環共振器。在一些實施例中，近場耦合是近場圓周耦合。在一些實施例中，第一半徑大於第二半徑。在一些實施例中，第一光波導包括與第一環共振器的圓周相切的直軌。在一些實施例中，光學器件還包括第三環共振器和第一半徑，第三環共振器堆疊在第二環共振器之下，以及第三光波導直接將光子注入第三環共振器。在一些實施例中，第一和第二環共振器中的光路具有相同的方向。

在又一個示例方面，本公開涉及一種方法。該方法包括將源光束發送到第一光波導中，將源光束接收到第一環共振器中，一部分源光束通過第一環共振器中發生的自發四波混頻過程轉換為信號光束，耦合第一環共振器和第二環共振器之間通過近場耦合將信號光束耦合成第二環共振器，第二環共振器堆疊在第一環共振器之下，信號光束通過第二環共振器和第二光波導之間的近場耦合耦合成第二光波導。在一些實施例中，第二光波導的一部分部分地圍繞第二環共振器。在一些實施例中，第二環共振器被配置為抑制第一環共振器內的輔助共振。

以上概述了幾個實施例的特徵，以便本領域的技術人員可以更好地理解本公開的方面。本領域的技術人員應該理解，他們可以容易地使用本公開作為設計或修改其他製程和結構的基礎，以實現與本文介紹的實施例相同的目的和/或實現相同的優點。本領域的技術人員也應該認識到，這樣的等同結構並不脫離本公開的精神和範圍，並且他們可以在不脫離本公開的精神和範圍的情況下對其進行各種更改、替換和更改。

10、20、100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h:光子電路 12、22、104a、104b、104c:環共振器 14、14’、32、102a、102b、102c、102d、102e、102f:光波導 16、16’:近場耦合區 18:氧化物層 19:半導體基底 24:驅動光源 26:泵光源 28:驅動光束 30:泵光束 34:耦合區域 36:信號光束 103:虛擬線 106:平面 108a、108b、108c、108d:耦合區 110:非線性光學材料 112:基底 A-A:線 A、A’、B、B’、C、C’、D、D’:埠 C、D:點 D:驅動模式 D1、D2:距離 J:共振光學模式 P:泵模式 R1、R2:半徑 S:信號模式 W1、W1’、W2、W2’:寬度 ΔH:垂直距離 α:中心角 χ ₂ ^eff:相互作用 ω1、ω2、ω3、ω4、ω _D、ω _P、ω _S:頻率

當結合附圖閱讀時，通過以下詳細描述可以最好地理解本公開。需要強調的是，根據行業的標準做法，各種特徵未按比例繪製，除非明確披露，否則僅用於說明目的。事實上，為了討論的清楚起見，可以任意增加或減少各種特徵的尺寸。 圖1A圖示了根據本公開的實施例的具有環共振器和單軌光波導的光子電路的圖。 圖1B圖示了根據本公開的實施例的具有環共振器和雙軌光波導的光子電路的圖。 圖2示出了根據本公開的實施例的光子對源中的自發四波混頻過程（spontaneous four-wave mixing process）的虛擬能階圖。 圖3A圖示了根據本公開的實施例的具有用於生成壓縮光的環共振器的光子電路的圖。 圖3B示出了根據本公開的實施例的用於產生壓縮光的雙泵自發四波混頻過程的虛擬能階圖。 圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10和圖11圖示了根據本公開的一些實施例的具有多個堆疊環共振器的光子電路。

100a:光子電路

102a、102b:光波導

103:虛擬線

104a、104b:環共振器

106:平面

108a、108b:耦合區

110:非線性光學材料

112:基底

A、A’、B、B’:埠

D1、D2:距離

R1、R2:半徑

W1、W1’、W2、W2’:寬度

ΔH:垂直距離

Claims (20)

1. 一種光學裝置，包括： 位於第一平面中的第一環共振器； 位於所述第一平面中的第一光波導，其中所述第一光波導用於向所述第一環共振器提供光子； 位於第二平面中的第二環共振器，其中所述第二平面在所述第一平面下方；和 位於所述第二平面中的第二光波導，其中所述第二光波導被配置為接收從所述第二環共振器逸出的光子。
2. 如請求項1所述的光學裝置，其中在俯視圖中，所述第一環共振器和所述第二環共振器是同心的。
3. 如請求項1所述的光學裝置，其中所述第一環共振器具有第一半徑，且所述第二環共振器具有等於所述第一半徑的第二半徑。
4. 如請求項1所述的光學裝置，其中所述第一環共振器具有第一半徑，並且所述第二環共振器具有不同於所述第一半徑的第二半徑。
5. 如請求項1所述的光學裝置，其中所述第一光波導通過近場耦合耦合到所述第一環共振器，並且所述第二光波導通過近場耦合耦合到所述第二環共振器。
6. 如請求項1所述的光學裝置，其中所述第一光波導包括與所述第一環共振器的圓周相切並接觸的直軌。
7. 如請求項1所述的光學裝置，其中所述第二光波導包括部分圍繞所述第二環共振器的弧。
8. 如請求項1所述的光學裝置，還包括： 位於所述第一平面中的第三光波導，其中所述第一光波導和所述第三光波導夾著所述第一環共振器；和 位於所述第二平面中的第四光波導，其中所述第二光波導和所述第四光波導夾著所述第二環共振器。
9. 如請求項1所述的光學裝置，還包括： 位於第三平面中的第三環共振器，其中所述第一平面和所述第三平面夾著所述第二平面；和 位於所述第三平面中的第三光波導，其中所述第三光波導被配置為向所述第三環共振器提供光子。
10. 如請求項1所述的光學裝置，其中所述第一環共振器和所述第二環共振器佈置在半導體基底之上，並且所述第一環共振器和所述第二環共振器中的每一個包括提供第三階非線性光學極化率的光學介質。
11. 一種光學裝置，包括： 具有第一半徑的第一環共振器； 具有第二半徑的第二環共振器，其中所述第二環共振器堆疊在所述第一環共振器之下； 直接將光子注入所述第一環共振器的第一光波導；和 接收從所述第二環共振器逸出的光子的第二光波導，其中所述第一環共振器和所述第二環共振器在俯視圖中位於所述第一光波導和所述第二光波導之間，並且其中所述第一環共振器和所述第二環共振器以及所述第一光波導和所述第二光波導設置在半導體基底上方。
12. 如請求項11所述的光學裝置，其中所述第二光波導通過近場耦合耦合到所述第二環共振器。
13. 如請求項12所述的光學裝置，其中所述近場耦合是近場圓周耦合。
14. 如請求項11所述的光學裝置，其中所述第一半徑大於所述第二半徑。
15. 如請求項11所述的光學裝置，其中所述第一光波導包括與所述第一環共振器的圓周相切的直軌。
16. 如請求項11所述的光學裝置，還包括： 具有所述第一半徑的第三環共振器，其中所述第三環共振器堆疊在所述第二環共振器之下；和 直接將光子注入所述第三環共振器的第三光波導。
17. 如請求項11所述的光學裝置，其中所述第一環共振器和所述第二環共振器中的光路具有相同的方向。
18. 一種產生壓縮光的方法，包括： 將源光束送入第一光波導； 接收所述源光束進入第一環共振器，其中所述源光束的一部分經過所述第一環共振器發生的自發四波混頻過程轉換為信號光束； 所述信號光束通過所述第一環共振器和所述第二環共振器之間的近場耦合耦合至所述第二環共振器，其中所述第二環共振器堆疊在所述第一環共振器之下；和 所述信號光束通過所述第二環共振器和所述第二光波導之間的近場耦合耦合到所述第二光波導中。
19. 如請求項18所述的方法，其中所述第二光波導的一部分部分地圍繞所述第二環共振器。
20. 如請求項18所述的方法，其中所述第二環共振器被配置為抑制所述第一環共振器內的輔助共振。

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