TW202420759A - 光學裝置以及轉換光束的方法 - Google Patents

Abstract

一種光學裝置，包括具有第一半徑的第一環諧振器、具有第二半徑的第二環諧振器以及平行地饋入第一和第二環諧振器的光學波導。第一和第二環諧振器位於光學波導的相對側。第一和第二環諧振器以及光學波導設置在半導體基底上方。

Description

具有多個光學諧振器的光子電路

光學諧振器已在傳統的光通信系統中得到廣泛應用。例如，光學諧振器非常有希望為光通信系統中的波分多工（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術（包括密集波分多工（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM））提供高數據速率、超低功耗和小佔據面積（或尺寸）。近年來，光學諧振器還在光子量子技術中找到了應用，例如量子計算。舉例來說，光學諧振器可用作提供壓縮光（squeezed light）的光源。壓縮光指的是在某些相位上，其電場強度的量子不確定性（也稱為噪聲）小於相干態的光。許多應用領域都可以從高品質的壓縮光的光源中獲益。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諧振器結構。傳統的光通信系統也可以從光諧振器結構的這種改進獲益。

以下公開內容提供用於實施所提供主題的不同特徵的許多不同實施例或實例。下文描述組件和佈置的具體實例以簡化本公開。當然，這些僅為實例且並不意圖為限制性的。舉例來說，在以下描述中，第一特徵在第二特徵上方或第二特徵上的形成可包含第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例，且還可包含額外特徵可在第一特徵與第二特徵之間形成以使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本公開可在各種實例中重複附圖標號和/或字母。此重複是出於簡化和清楚的目的，且本身並不指示所論述的各種實施例和/或配置之間的關係。

為易於描述，本文中可使用例如「在…下面」、「在…下方」、「下部」、「在…上方」、「上部」等空間相對術語來描述如圖式中所示出的一個元件或特徵與另一（些）元件或特徵的關係。除圖式中所描繪的定向外，空間相對術語意圖涵蓋器件在使用或操作中的不同定向。裝置可以其它方式定向（旋轉90度或處於其它定向），且本文中所使用的空間相對描述詞可同樣相應地進行解釋。

此外，當使用「大約」、「大致」等詞語來描述一個數字或數字範圍時，該術語旨在包含在製造過程中由於固有變異而產生的合理範圍內的數字，並由此領域內的普通技術人員所理解。例如，該數字或數字範圍涵蓋一個合理範圍，包括所描述的數字，例如在所描述數字的範圍內的正負10％範圍內，基於與具有與該數字相關特徵的特徵相關的製造的已知公差。例如，具有「約5 nm」厚度的材料層可以涵蓋從4.5 nm到5.5 nm的尺寸範圍，其中根據該領域內的普通技術人員所知，與沉積該材料層相關的製造公差為正負10％。

本公開涉及光子電路（或光子結構），特別是具有多個光學諧振器的光子電路。在一些示例性實施例中，具有多個光學諧振器的光子電路被用於產生壓縮光（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。基於傳統的處理單元的各種光通信系統或網絡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，具有多個光諧振器的示例性光子電路可以在各種光通信系統中實現，例如在波分多工（WDM）應用中。

量子力學在信息的編碼（encoding）、傳輸以及處理方面具有許多優勢。例如，可以使用量子密鑰分發（quantum key distribution）來實現高度安全的通信。量子計量學（Quantum metrology）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計算機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，量子計算機可以使用非傳統演算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，以及其他問題。

量子計算機中量子信息的基本單位稱為量子位元（quantum bit）或Q位元（qubit）。量子計算機可以利用物理粒子來表示或實現量子位元。在電子方法中，可以通過電子的自旋來表示「0」或「1」，其中上自旋或下自旋可以對應到「0」、「1」，或者是一個超複合態（superposition of states），其中電子的自旋同時向上和向下。類似地，在光子方法的量子計算中，「0」可以表示在特定路徑（或波導）上觀察到單個光子的可能性，而在不同路徑上觀察到相同光子的潛力可以表示為「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 times）。因此，在某些量子信息處理系統中，一種實現方式是利用光子的量子觀測值來將信息編碼成Q位元。

在這樣的基於光子的量子計算系統中，確定光子可能存在於特定空間間隔內的時間間隔的一種方法是實現一個「預示（heralded）」系統。預示系統由兩個具有已知時間重合窗口（temporal coincidence window）的光子組成，其中第一光子稱為「信號（signal）」光子，第二光子稱為「閒置（idler）」光子。為了確保（信號、閒置）光子對在特定的預定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，這種預示系統通常效率很低。大多數基於光子的預示量子計算系統的架構只能利用光源產生的光子對，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。大多數基於光子的預示量子計算系統的架構也受到品質因素的限制，其中會引入雜散光。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預示系統的光功率效率和品質因素。

為了生成（信號、閒置）光子對，可以採用具有光學諧振器的光子結構，例如環諧振器（或稱為圓形諧振器）。一般的環諧振器由自身環回的光學波導組成，使得當諧振器的光程長度恰好是波長的整數倍時就會發生諧振。環諧振器因此支持多重諧振，並且這些諧振之間的間隔，即自由光譜範圍（free spectral range, FSR），取決於諧振器的長度。通過利用特定類型或配置的環諧振器，結合特定的光子源或將光子源與環諧振器耦合，可以產生具有區別特徵（例如波長）的（信號、閒置）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。

啟用預示系統的第一特殊物理過程採用「自發參量下轉換（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置光子（idler photon）的共時生成，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零二階電磁化率（electric susceptibility）項。SPDC在相位匹配條件下利用單個入射光子，此處稱為「泵浦（pump）」光子，其特徵在於頻率ω _pump。具有頻率ω _pump的泵光子（pump photon）入射到非線性光學材料，所述材料可以自發地將單個泵光子能量轉換為一對（信號、閒置）的時間重合光子，各自分別具有頻率ω _signal和ω _idler其中ω _pump=ω _signal+ω _idler。因為二階非線性效應幾乎是瞬時的，所以檢測到所產生的一對中的一個可以預示另一個的產生。

啟用預示系統的第二特定物理過程採用「自發四波混頻（SFWM）」原理。SFWM過程可以採用一種結構作為諧振器，相應的「品質因子」用Q表示。SFWM的發生是由於腔體材料的介電極化的非零三階電磁化率項。值得注意的是，由各向同性材料（例如二氧化矽玻璃）製成的腔體具有零值的二階項，因此此類材料的非線性響應主要由非零的三階項所主導。一種這樣的諧振器結構是「環諧振器」。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，具有適當的相位匹配條件，導致自發產生（信號、閒置）對。因為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、閒置）對的頻率間的關聯為ω _1pump+ω _2pump=ω _signal+ω _idler。

在預示系統中，希望信號光子和閒置光子具有在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，以不同於另外的光子的方式路由一個光子。這種特性的一個示例是使相位匹配標准（Phase matching criterion）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、閒置）對的波長出現輕微的可預測偏差。（信號、閒置）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，所述信號光子與第二波長的閒置光子在時間上重合，其中信號光子的第一波長不同於閒置光子的第二波長。

參考圖1A和1B，示出了具有可用作光子對源的環諧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，其包括單軌形式的光學波導（或稱為匯流排光學波導）14和環諧振器12。環諧振器12可以看作是環形式的一種光學波導。還示出了光子電路10沿著穿過環諧振器12的中心的線A—A的截面圖。環諧振器12和光學波導14各自可以包括非線性光學材料（例如氮化矽或其他合適的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN），其被設置在半導體基底19（例如矽基底）之上。此外，環諧振器和光學波導可以具有不同的材料組成。

環諧振器12可以包括波導迴路，使得當環諧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諧振。環諧振器12可以支持多個波長的多個諧振，這些波長可以滿足諧振條件。光譜中這些諧振之間的間隔可稱為自由光譜範圍，並且可取決於環諧振器的光程長度。環諧振器12可具有小於約毫米（mm）的半徑，例如約5至50微米（μm），且也稱為微環諧振器。術語「環諧振器」和「微環諧振器」在本公開中可互換使用。

光子源通過輸入埠（表示為Port A）向光學波導14提供光子。光子在朝向光學波導14的輸出埠（表示為Port B）的方向傳播。穿過一個光學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）。當光子通過光學波導14傳播時，一部分將耦合到環諧振器12。為了增加耦合到環諧振器12中的光子比例並相應地提高耦合效率，將環諧振器12靠近光學波導14定位以增強漸逝耦合。因此，漸逝耦合也稱為近場耦合（near-field coupling）。

一個區域被表示為近場耦合區16，它代表光子電路10的環諧振器12和光學波導14之間出現近場場耦合的部分。從光學波導14耦合的一部分光子傳播到環諧振器12，其餘部分光子繼續在光學波導14傳播並從Port B離開光學波導14。其中一部分被耦合進入環諧振器12的光子中，進一步的一部分會經歷自發的物理過程。例如，自發四波混頻（SFWM）或自發參量下變頻（SPDC）過程可能發生在環諧振器12中。在SFWM過程中，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，信號光子和閒置光子）。由於能量守恆，產生的信號和閒置光子的頻率可能在泵浦頻率附近對稱分佈。一般而言，由於這種光譜相關性，預示光子可能處於混合狀態。在環諧振器12內產生的信號和閒置光子可能耦合出環諧振器12並返回到光學波導14並朝Port B離開，這在近場耦合區16中以特定的耦合效率發生。光子在光學波導14和環諧振器12中的傳播方向可以如圖1A中的箭頭所示。

圖1B示出了光子電路10的另一個實施例，其還包括單軌形式的第二光學波導14’。還示出了光子電路10沿著穿過環諧振器12的中心的線A—A的截面圖。環諧振器12和光學波導14及14’各自可以包含被氧化物層18（例如二氧化矽）包圍的非線性光學材料（例如氮化矽或其他適合的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN），所述氧化物層設置在半導體基底19（例如矽基底）上。此外，環諧振器和光學波導可以具有不同的材料組成。在環諧振器12內產生的信號光子和閒置光子可以從環諧振器12耦合到第二光學波導14’並朝Port B離開，這在第二近場耦合區16中以特定的耦合效率發生。光子在第一光學波導14、環諧振器12和第二光學波導14’中的傳播方向可以如圖1B中的箭頭所示。

圖2是示出光子對源中發生的自發四波混頻（SFWM）過程的示例的虛擬能級圖。第一頻率ω1的泵光子和第二頻率ω2的泵光子可以混合產生一對分別具有ω3和ω4頻率的光子。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），例如由兩個組合的光子源提供。由於能量守恆，所產生的一對光子的ω3和ω4的頻率在光譜中可以相對於泵光子的頻率對稱（即，|ω3-ω1|=|ω1-ω4|）。關於圖1A和1B，值得注意的是，耦合到Port A的可以是單個源（即，ω1=ω2）或兩個（或更多）組合的源（即，ω1≠ω2）的輸出。

參考圖3A和3B，進一步檢查通過組合的兩個光子源以泵光子到光子電路的輸入埠的壓縮光產生過程。特別地，圖3A示出了光子電路20，用於根據實施例通過組合兩個光子源以耦合到單軌光學波導的相同埠來經由SFWM過程生成壓縮光。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。作為第一折，將一個脈衝雷射器形式的源與另一個源組合作為外部泵浦雷射器可能很有用，以產生用於傳統領域的複合泵浦脈衝源。作為第二折，將生成不同頻率光子的兩個源組合起來作為單個埠的輸入可能很有用，以控制光學諧振器內可能發生的物理過程，例如SFWM。

壓縮光（也稱為壓縮態光）指的是在某些相位上，其電場強度的量子不確定性（也稱為噪聲）小於相干態的光。許多應用領域都可以從高品質的壓縮光的光源中獲益。例如，在計量學中，使用壓縮光可以讓某些光學感應器克服散粒噪聲（shot noise）限制，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，從而協助加密密鑰分配協定。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包括以三階非線性光學磁化率為特徵的環諧振器22。驅動光源24與環諧振器22光通信，並配置為通過光學波導32將驅動光束28發送到環諧振器22。驅動光束28可以包括連續波（continuous wave, CW）光束。泵光源26與環諧振器22光通信，並配置為通過光學波導32將泵光束30發送到環諧振器22。泵光束30包括脈衝光束。泵光束30和驅動光束28被配置為通過在環諧振器22中發生的SFWM過程在壓縮狀態的光中產生信號光束。

在一些實施例中，光子電路20可以構建在積體納米光子平台上。例如，驅動光源24（例如CW半導體雷射器）、泵光源26（例如脈衝半導體雷射器）、環諧振器22和光學波導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。在一些實施例的基礎上，驅動光源24和/或泵光源26可以包括半導體雷射器。在一些實施例中，驅動光源24和/或泵光源26可以包括雷射器、發光二極體（light emitting diode, LED）或任何其他適當類型的光源。在一些實施例中，環諧振器22包含具有強三階磁化率的適當材料。例如，環諧振器22和波導32各自可以包括被氧化物層（例如二氧化矽）包圍的非線性光學材料（例如氮化矽或其他適合的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN），所述氧化物層設置在半導體基底（例如矽基底）上。此外，環諧振器和光學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的十倍甚至更大。在一些實施例中，驅動光束28的功率可以達到約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諧振器22。來自泵光束30的僅少許mW或更少的脈衝泵浦功率可以產生壓縮因子（或壓縮級別）為數個dB的壓縮光。通過在馬赫－曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder interferometer, MZI）上基於耦合區34的方式，過耦合脈沖泵浦諧振（即泵光束30與環諧振器22之間的過耦合），並使用短脈沖持續時間驅動四波混頻，可以使生成的壓縮態具有單時間模式（single-temporal-mode）的特性，而不會嚴重影響效率。更適度的過耦合信號諧振（即信號光束36和環諧振器22之間的過耦合）可以減輕損耗，從而可以產生幾乎為純態（pure state）的狀態。在本文使用中，純態指的是量子力學狀態與其他自由度（例如散射模式）未纏繞的狀態。

在一些實施例中，驅動光源24和/或泵光源26是可調的，以控制信號光束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（sum phase）。此外，壓縮因子可以通過兩個輸入光束28和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。

在一些實例中，驅動光源24和/或泵光源26的輸出頻率可調，從而改變信號光束36的壓縮因子。在一些實現中，驅動光源24和/或泵光源26的功率可調，以改變信號光束36的壓縮因子。在一些實例中，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中壓縮的機制天然適合於工程高度可調的設備，並具有可控的時間模式結構。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整。此外，去除不需要的泵光和抑制不需要的雜散光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。

環諧振器22可以容納多個諧振光學模式J，每個諧振光學模式都分配有一個量子力學湮滅算子（quantum-mechanical annihilation operators）b _J。在環諧振器22中，有三種光學模式被關注，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。這些諧振在它們的固有配置（intrinsic configuration）中可能不是均勻分佈的（例如，由於材料和模態色散（modal dispersion））。因此，對於量子力學湮滅算子b _J、b _D表示驅動光束28的諧振光模式，b _P表示泵光束30的諧振光模式，b _S表示信號光束36的諧振光模式。

圖3B顯示了根據實施例的用於產生壓縮光的雙泵自發四波混頻的虛擬能級圖。在存在這種有效的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（parametric fluorescence）產生光子對進入S模式。使用強CW泵與固有χ ³結合，可以在集成腔中介導出一個有效的χ ²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諧振狀態，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的諧振推向均勻分佈配置的頻率。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攜帶生成的有利益的壓縮光。諧振器材料的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（interaction Hamiltonian）（代表四波系統的能量）與諧振器結構和諧振器的三階光學非線性強度有關。對於環諧振器，係數Λ可以寫為Λ≈hω _Sν _g ²γ _NL/2L，其中h是普朗克常數，ω _S是信號光束36的頻率，ν _g是群速度（group velocity），L是諧振器長度，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諧振器內信號S模式的壓縮狀態。此模式耦合到通道場（即，波導32內的光學場），產生傳播壓縮光輸出。

在壓縮光生成過程中，環諧振器可以容納數百甚至數千個諧振。在這些諧振（也稱為輔助諧振或不需要的諧振）中，至少有兩個過程與產生壓縮光的性能相關。第一個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。第二個產生布拉格散射四波混頻，導致S模式中產生的壓縮態的額外損失來源。因此，抑制這些不需要的光子有利於產生高純度低噪聲壓縮輸出（或稱為更高壓縮級別，以dB為單位）。

因此，可以仔細挑選環諧振器拓撲（topology）和尺寸以生成具有高光譜純度和高光功率效率的壓縮光。壓縮光輸出的質量，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。一種方法是向環諧振器結構添加一個或多個額外的環諧振器。與具有單個環諧振器的已知壓縮光源相比，添加額外的環諧振器帶來了多重優勢。在一些實施例中，額外的環諧振器在信號光束和光學諧振器之間引起了過耦合，以減輕諧振器內損耗，這種損耗可能會通過混合來自散射模式的量子漲落（vacuum fluctuation）來降低可實現的壓縮。在一些其他實施例中，可能並不總是需要過耦合D和P諧振，因為它們通常在關鍵的耦合處最有效地驅動。為了解決這種權衡，可以使用賽道耦合器來實現對不同諧振的耦合條件的獨立控制。在一些其他實施例中，可以使用輔助耦合器抑制不需要的光子。通過來自單泵過程的其他自發四波混頻在S模式中生成不需要的光子通常涉及除S、P或D模式之外的輔助諧振。因此，可以通過構建一個破壞所涉及的相應額外諧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，降低它們的品質因子，或者完全消除不需要的諧振。

圖4至9說明了具有多個環諧振器的各種實施例的光子電路。環諧振器可以耦合以實現高壓縮水平。因此，示例性光子電路也被稱為耦合共諧振器結構（coupled co-resonator structures）。

參考圖4，光子電路100包括第一環諧振器104、第二環諧振器106和光學波導102。第一環諧振器104、第二環諧振器106和光學波導102各自可以包括被氧化物層（例如二氧化矽）包圍的非線性光學材料（例如氮化矽或其他適合的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN），所述氧化物層設置在半導體基底（例如矽基底）上。此外，環諧振器和光學波導可以具有不同的材料組成。此外，環諧振器和光學波導可以具有不同的材料組成。如上所述，光學波導102為單軌形式，並為來自單光子源或組合光子源的源（入射）光子提供路徑。環諧振器104和106設置在光學波導102的相對側。換句話說，環諧振器104和106將光學波導102夾在中間。

第一環諧振器104具有半徑R1，第二環諧振器106具有半徑R2，光學波導102具有寬度W。在一些實施例中，R1和R2各自的範圍從約5μm到約12μm。在一些實施例中，W的範圍從約1μm到約2μm。環諧振器104和106可以分別與光學波導102稍微間隔開距離D1和D2。在一些實施例中，D1和D2各自的範圍從約100nm到約1μm。在一些實施例中，R1等於R2（R1=R2），且D1等於D2（D1=D2）。在一些替代實施例中，環諧振器104和106可以獨立修整或調諧以具有不同的諧振和耦合特性。例如，R1可以小於R2（R1＜R2），且D1可以小於D2（D1＜D2）。上述數值是示例性的，且環諧振器104和106以及光學波導102的尺寸和間隔可以考慮入射光的波長和期望的壓縮水平而不同地形成。

光子源在Port A處向光學波導102提供光子。源（入射）光子在Port B方向傳播。一個區域被表示為耦合區110，它代表光子電路100的環諧振器104與106和光學波導102之間出現漸逝耦合（近場耦合）的部分。由於這種漸逝耦合通常被限制在環諧振器上的與光學波導具有最短距離的點的周圍的一個小區域中，因此圖4中的耦合機制也被稱為近場點耦合（near-field point coupling）。從光學波導102耦合的源光子中的一些部分進入第一環諧振器104中，從光學波導102耦合的源光子中的一些部分進入第二環諧振器106中，而光學波導102中的源光子的剩餘部分繼續沿光學波導102傳播並在Port B離開光學波導102。其中一部分被耦合進入環諧振器104和106的光子中，進一步的一部分會在通過環諧振器104和106時經歷自發的物理過程，例如SFWM過程。環諧振器104和106中的光路具有相反的方向，一者為逆時針方向，且另一者為順時針方向。在環諧振器104和106中循環的光子總量中，經歷了自發的物理過程的一部分光子通過耦合區110耦合回光波導102，並沿著向B端口傳播。

整個耦合機制稱為近場點耦合輸入和近場點耦合輸出。額外的環諧振器106提供更多部分的光子通過SFWM過程，這增加了光子躍遷率（Transition Rate）。此外，如上所述，通過添加額外的環諧振器引入過耦合可以減輕可能降低散射模式下可實現的壓縮效果的諧振器內損耗。

參考圖5，光子電路200包括第一環諧振器204、第二環諧振器206和光學波導202。第一環諧振器204、第二環諧振器206和光學波導202各自可以包括被氧化物層（例如二氧化矽）包圍的非線性光學材料（例如氮化矽或其他適合的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN），所述氧化物層設置在半導體基底（例如矽基底）上。光學波導202具有直軌形式的第一部分（輸入部分），為入射光子提供輸入埠Port A。光學波導202還具有從第一部分分出來的第二和第三部分（輸出部分）。第二部分呈弧形，部分圍繞第一環形諧振腔204，在一個恒定距離D1上與第一環形諧振腔204共形（即弧線和第一環諧振腔204同心），並且有一條單獨的導軌連接到弧形的一端，其提供了輸出埠Port B。第三部分呈弧形，部分圍繞第二環形諧振腔206，在一個固定距離D2上與第二環形諧振腔206共形（即弧線和第二環諧振腔206同心），並且有一條單獨的導軌連接到弧形的一端，其提供了輸出埠Port C。

環諧振器204和206設置在光學波導202的第一部分的相對側。換句話說，環諧振器204和206將光學波導102的第一部分夾在中間。在所示的實施例中，光學波導202的第二部分的弧形以半圓的形式部分圍繞第一環諧振器204，使得光子以與從Port A入射路徑相反的方向離開Port B。在所示的實施例中，光學波導202的第三部分的弧形以半圓的形式部分圍繞第二環諧振器206，使得光子以與從Port A入射路徑相反的方向離開Port C。

第一環諧振器204具有半徑R1，第二環諧振器206具有半徑R2，光學波導102的輸入部分具有寬度W1，圍繞第一環諧振器204的弧形具有寬度W2，圍繞第二環諧振器206的弧形具有寬度W3。在一些實施例中，R1和R2各自範圍從約各自的範圍從約5μm到約12μm。在一些實施例中，W1、W2和W3各自的範圍從約1μm到約2μm。環諧振器204和206可以分別與光學波導202稍微間隔開距離D1和D2。在一些實施例中，D1和D2各自的範圍從約100nm到約1μm。在一些實施例中，R1等於R2（R1=R2），D1等於D2（D1=D2），且W2等於W3但都小於W1（W2=W3＜W1）。在一些替代實施例中，環諧振器204和206可以獨立修整或調諧以具有不同的諧振和耦合特性。例如，R1可以小於R2（R1＜R2），D1可以小於D2（D1＜D2），且W2可以小於W3，W3進一步小於W1（W2＜W3＜W1）。上述數值是示例性的，且環諧振器204和206以及光學波導202的尺寸和間隔可以考慮入射光的波長和期望的壓縮水平而不同地形成。

光子源在Port A處向光學波導202提供光子。源（入射）光子在朝向分離區210的方向上傳播。分離區210可以包括分離器，分離器將直軌分成與第一環諧振器204同心的第一弧形以及與第二環諧振器206同心的第二弧形。分離器可以位於穿過兩個環諧振器204和206的中心的虛擬線212上。分離區210也是漸逝耦合（近場耦合）發生的起點。漸逝耦合不僅限於分離區210中，而且還在弧形路徑中沿著環諧振器的曲率共形。圖5中的耦合機制也被稱為近場共形耦合（near-field conformal coupling）。從光學波導202耦合的源光子中的一些部分進入第一環諧振器204中，從光學波導202耦合的源光子中的一些部分進入第二環諧振器206中，而光學波導202中的源光子的剩餘部分繼續沿光學波導202傳播並在Port B或Port C離開光學波導202。其中一部分被耦合進入環諧振器204和206的光子中，進一步的一部分會在通過環諧振器204和206時經歷自發的物理過程，例如SFWM過程。環諧振器204和206中的光路具有相反的方向，一者為逆時針方向，且另一者為順時針方向。在環諧振器204和206中循環的光子總量中，經歷了自發物理過程的一些部分通過弧形部分耦合回光學波導202，並分別向Port B或Port C傳播。第一和第二弧形部分為漸逝耦合的發生提供了更長的距離，並增加了壓縮光子的再收集率（recollection rate），這有效地減輕了損失（例如環諧振器中發生的彎曲損耗）。

整個耦合機制稱為近場共形耦合輸入和近場共形耦合輸出。額外的環諧振器206提供更多部分的光子通過SFWM過程，這增加了光子躍遷率。此外，如上所述，通過添加額外的環諧振器引入過耦合可以減輕可能降低散射模式下可實現的壓縮效果的諧振器內損耗。

可選地，光子電路200還可以包括可調諧和可編程移相器（phase shifter）（在圖中表示為「FS」）以控制環諧振器和光學波導之間的相位相干性。移相器可以通過機械光學（例如，MEMS或NEMS）、熱光學、電光學或聲光學的方法來實現。在所示的實施例中，三個直軌中的每一者都具有用於相位和/或強度平衡的移相器。

繼續參考圖5，在上面的圖示中，Port A是輸入埠，Port B和Port C是兩個輸出埠。或者，Port B可以是第一輸入埠，Port C可以是第二輸入埠，Port A可以是輸出埠。區域210因此是組合區域，其用作組合器以合併來自兩個弧形的光子。整體耦合機制仍然是近場外周耦合（near-field-circumferential-coupled）輸入和近場共形耦合輸出。

圖6A至6C示出了光子電路300的各種實施例，其包括串聯耦合（serial-coupling）（或串聯饋入（serial-feeding））的兩個環諧振器。不同於光子同時傳播到兩個環諧振器（或以平行的方式饋入，也稱為平行饋入或平行耦合）的光子電路100（圖4）和光子電路200（圖5），在串聯耦合中光子依次穿過環諧振器。參考圖6A，光子電路300包括第一光學波導302A、第一環諧振器304、第二環諧振器306和第二光學波導302B。第一和第二環諧振器304和306以及第一和第二光學波導302A和302B各自可以包括被氧化物層（例如二氧化矽）包圍的非線性光學材料（例如氮化矽或其他適合的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN），所述氧化物層設置在半導體基底（例如矽基底）上。此外，環諧振器和光學波導可以具有不同的材料組成。

第一光學波導302A具有直軌形的具有輸入埠Port A的第一部分（輸入部分或導軌部分）以及在A點開始向第一環諧振器304的外周漸縮並在B點相交於第一環諧振器304的外周的第二部分（注射部分或漸縮部分）。也就是說，第一環諧振器304的外周和漸縮部分之間的距離從A點的距離D1減小到B點的零。源光子通過B點直接注入第一環諧振器304。與通常具有10%至40%的光功率效率的通過近場耦合的耦合光子相比，直接注入可以實現接近100%的光功率效率。

第二光學波導302B具有弧形的部分環繞第二環諧振器306的第一部分（耦合部分或弧形部分）和直軌形的具有輸出埠Port B的第二部分（輸出部分或導軌部分）。通過部分環繞第二環諧振器306，延長了耦合路徑，並提高了收集從第二環諧振器306逸出的光子的效率，從而減輕了環諧振器中發生的彎曲損耗。第二環諧振器306的外周與耦合部分的起點C和終點D之間的距離分別記為D2和D3。耦合部分的弧形可以部分共形地環繞第二環諧振器306（即，弧形和環是同心的），具有固定距離（即，D2=D3）。或者，耦合部分的弧形可以從第二環諧振器306漸縮（即，D2＜D3）。距離D1和D3可能相等（即D1=D3）或不同（即D1≠D3），具體取決於裝置性能的需求。第一光學波導302A的注入部分的起點A和第二光學波導302B的耦合部分的終點D都可以落在穿過兩個環諧振器304和306的中心的虛擬線310上。

環諧振器304和環諧振器306設置在第一光學波導302A和第二光學波導302B的直軌之間。第一環諧振器204具有半徑R1，第二環諧振器206具有半徑R2，第一光學波導302A和第二光學波導302B各自具有寬度W。在一些實施例中，R1和R2各自在從約5μm至約12μm的範圍。在一些實施例中，W的在約1μm至約2μm的範圍。在一些實施例中，距離D1、D2和D3各自在約100nm至約1μm的範圍。上述數值是示例性的，且環諧振器304和306以及光學波導302A和302B的尺寸和間隔可以考慮到入射光的波長和期望的壓縮水平而不同地形成。在圖示的實施例中，R1等於R2（R1=R2）。在一些替代實施例中，環諧振器304和306可以獨立修整或調諧以具有不同的諧振和耦合特性。例如，R1可能不等於R2（R1≠R2）。在一個示例中，R1大於R2（R1＞R2），第一環諧振器304內的光程長度是泵光子波長的整數倍（使得泵光子可以在第一環諧振器304中諧振），且和第二環諧振器306內的光程長度是信號光子波長的整數倍和閒置光子波長的整數倍（使得信號光子和閒置光子都可以在第二環諧振器306中諧振）。

光子源在Port A處向第一光學波導302A提供光子。源（入射）光子在朝向注入部分的方向傳播，注入部分與第一環諧振器304的外周合併。由於直接注入，幾乎所有的源光子以接近100%的光功率效率進入第一環諧振器304。第二環諧振器306通過近場耦合耦合到第一環諧振器304。環諧振器304和306中的光路方向相反，一者逆時針方向，且另一者順時針方向。SFWM過程可能發生在環諧振器304和306兩者中，因此與使用單個環諧振器相比，更大部分的光子經歷SFWM過程並且產生更多壓縮光子。光子（如果沒有消散）最終通過其弧形耦合部分耦合到第二光學波導302B並向Port B傳播。弧形部分為收集壓縮光子提供了更長的路徑並提高了光子再收集率，這有效地減輕了損失（例如環諧振器中發生的彎曲損失）。這樣的耦合也被稱為近場外周耦合。上述近場共形耦合可視為一種特殊類型的近場外周耦合，條件是環諧振器和弧形部分之間的距離保持固定（即D2=D3）。

由第一光學波導302A的漸縮部分對向的中心角（從A點到B點）表示為中心角α，由第二光學波導302B的耦合部分對向的中心角（從C點到D點）表示為中心角β。在各種實施例中，中心角β可能比中心角α大。在一些實施例中，中心角α小於約90°，例如在約30°至約90°的範圍內。在一些實施例中，中心角β在30°以上。在圖6A所示的實施例中，中心角β大於約90°，例如在約100°至約170°的範圍內。在一些替代實施例中，中心角β小於約90°，例如在約30°至約90°的範圍內。圖6B示出了光子電路300的替代實施例，其與圖6A中的光子電路基本相似，但中心角β小於約90°，例如約45°。圖6C示出了光子電路300的又一個實施例，其中第一光學波導304具有輸入部分的直軌在點A處與第一環諧振器304的外周相切接觸，而沒有漸縮部分。即A點落在第一環諧振器304上。光子仍然直接注入第一環諧振器304。此外，第二光學波導302B具有作為輸出部分的直軌，其從第二環諧振器306的外周具有距離D3以通過近場點耦合接收光子而不依賴於弧形部分的近場外周耦合。

可選地，光子電路300還可以包括可調諧和可編程移相器（在圖中表示為「FS」）以控制環諧振器和光學波導之間的相位相干性。移相器可以通過機械光學（例如，MEMS或NEMS）、熱光學、電光學或聲光學的方法來實現。在所示的實施例中，第一和第二光學波導302A和302B的兩個直軌中的每一者都具有用於相位和/或強度平衡的移相器。

如上所述，賽道耦合器可用於實現對不同諧振的耦合條件的獨立控制。圖7示出了包括與多個環諧振器耦合的賽道形諧振器的示例性實施例。具體地說，參考圖7，光子電路400包括賽道形諧振器404、第一環諧振器406和第二環諧振器408、第一光學波導402A和第二光學波導402B。諧振器404、406和408以及光學波導402A和402B各自可以包括被氧化物層（例如二氧化矽）包圍的非線性光學材料（例如氮化矽或其他適合的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN），所述氧化物層設置在半導體基底（例如矽基底）上。此外，環諧振器和光學波導可以具有不同的材料組成。

賽道形諧振器404具有細長的形狀，包括兩個相對的弧形和連接兩個弧形的兩個邊緣。具有半徑R1的第一環諧振器406位於賽道形諧振器404內並靠近一個弧形。具有半徑R2的第二環諧振器408位於賽道形諧振器404內並靠近另一個弧形。環諧振器406和408各自與各自的弧形同心。弧形和環諧振器之間的區域在賽道形諧振器和環諧振器之間提供近場共形耦合。賽道形諧振器404內的光程長可以是泵光子波長的整數倍（使得泵光子可以在賽道形諧振器404中諧振）。環諧振器406和408可以相同（即R1=R2）。例如，環諧振器406和408各自內部的光程長是信號光子波長的整數倍和閒置光子波長的整數倍（使得信號光子和閒置光子都可以在環諧振器406和408中諧振）。或者，環諧振器406和408可以不同（即，R1≠R2）。例如，環諧振器406內的光程長可以是信號光子波長的整數倍，環諧振器408內的光程長可以是閒置光子波長的整數倍，反之亦然。

在一些實施例中，第二光學波導402B與賽道形諧振器404的邊緣隔開距離D1，環諧振器406與賽道形諧振器404的一個弧形隔開距離D2，環諧振器408與賽道形諧振器404的另一弧形隔開距離D3，環諧振器406和408的中心間隔為距離L，第一和第二光學波導402A和402B各自具有寬度W。在一些實施例中，R1和R2中的每一者都在約5μm至約12μm的範圍內。在一些實施例中，W的範圍從約1μm至約2μm。在一些實施例中，D1至D3中的每一者在約100nm至約1μm的範圍。環諧振器406和408可以獨立修整或調諧以具有相同或不同的諧振和耦合特性。在一些實施例中，R1等於R2（R1=R2），且D2等於D3（D2=D3）。在一些實施例中，R1大於R2（R1＞R2），且D2小於D3（D2＜D3）。在一些實施例中，R1小於R2（R1＜R2），D2大於D3（D2＞D3）。上述數值是示例性的，且諧振器404、406和408以及光學波導402A和402B的尺寸和間隔考慮到S、D、P諧振的波長和期望的壓縮水平而不同地形成。在一些實施例中，距離L是半徑R的約3.5倍至約10倍（給定R=R1=R2）。這個比例不是微不足道的。如果L小於R的約3.5倍，則兩個環諧振器可能靠得太近，導致D和P諧振過耦合；如果L大於R的5倍，則賽道形諧振器404可能變得不必要地大且耗費寶貴的電路面積。

第一光學波導402A具有直軌的形式，其在點A處與賽道形諧振器404的邊緣對齊並連接。光子源在Port A處向第一光學波導402A提供光子。源（入射）光子沿朝向A點的方向傳播並進入賽道形諧振器404。由於直接注入，幾乎所有的光子以接近100％的光功率效率進入賽道形諧振器404。賽道形諧振器404和環諧振器406和408中的光路具有相同的方向，例如順時針方向。第二光學波導402B具有與賽道形諧振器404的另一邊緣平行的直軌的形式。直軌可以沿著賽道形諧振器404的邊緣從其起點B到終點C的整個長度。這為漸逝耦合的發生提供了更長的距離，並增加了壓縮光子的再收集率，從而有效地減輕了損失（例如環諧振器中發生的彎曲損失）。

可選地，光子電路400還可以包括可調諧和可編程移相器（在圖中表示為「FS」）以控制環諧振器和光學波導之間的相位相干性。移相器可以通過機械光學（例如，MEMS或NEMS）、熱光學、電光學或聲光學的方法來實現。在所示的實施例中，賽道形諧振器的第一邊緣由第一移相器調諧，賽道形諧振器的第二邊緣和第二光學波導402B由第二移相器調諧。

圖8A示出了包括主環諧振器504和輔助環諧振器506的光子電路500。如上所述，可以使用輔助耦合器抑制不需要的光子。通過其他自發四波混頻的在S模式中的不需要的光子的產生可能涉及了除S、P或D模式之外的輔助諧振。因此，可以通過構建一種裝置來破壞所涉及的相應額外諧振的，以抑制這種產生，或者通過使它們偏離能量守恆條件、降低它們的品質因子或是完全消除不需要的諧振。光子電路500還包括第一光學波導502A和第二光學波導502B。主環諧振器504、輔助環諧振器506、第一光學波導502A以及第二光學波導502B各自可以包括被氧化物層（例如二氧化矽）包圍的非線性光學材料（例如氮化矽或其他適合的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN），所述氧化物層設置在半導體基底（例如矽基底）上。此外，環諧振器和光學波導可以具有不同的材料組成。

第一光學波導502A具有直軌的形式，在A點與主環諧振器504的外周相切接觸。光子源在Port A處向第一光學波導502A提供光子。源（入射）光子在朝向注入部分的方向上傳播，注入部分在點A處與賽道形諧振器404的外周合併。由於定向注入，幾乎所有的光子以接近100%的光功率效率進入主環諧振器504。第一光學波導502A的直軌可以平行於連接主環諧振器504和輔助環諧振器506的中心的虛擬線510。

第二光學波導502B具有弧形的部分環繞輔助環諧振器506的第一部分（耦合部分或弧形部分）以及直軌形的具有輸出埠Port B的第二部分（輸出部分或導軌部分）。通過部分環繞輔助環諧振器506，延長了近場外周耦合的路徑，並提高了收集從輔助環諧振器506逸出的壓縮光子的效率，從而減輕了環諧振器中發生的彎曲損耗。輔助環諧振器506的外周和耦合部分之間的距離在起點C處以及終點D處分別記為D2以及D3。耦合部分的弧形可以以固定距離（即，D2=D3）部分共形地環繞輔助環諧振器506（即，弧形和環是同心的）。近場外周耦合也是近場共形耦合。或者，耦合部分的弧形可以從輔助環諧振器306漸縮（即，D2＜D3）。根據裝置性能的需求選擇距離D2和D3。輔助環諧振器506中的中心角β可小於約90°，例如在約30°至約60°的範圍內。第二光學波導502B的輸出部分的直軌可以對準連接主環諧振器504和輔助環諧振器506的中心的虛擬線510。

主環諧振器504具有半徑R1，輔助環諧振器506具有不同於R1的半徑R2。第一光學波導502A以及第二光學波導502B各自具有寬度W。在一些實施例中，R1和R2各自在約5μm至約12μm的範圍。在一些實施例中，W在約1μm至約2μm的範圍。在一些實施例中，距離D2和D3各自在約100nm至約1μm的範圍。上述數值是示例性的，且環諧振器504和506以及光學波導502A和502B的尺寸和間隔可以考慮到入射光的波長和期望的壓縮水平而不同地形成。環諧振器504和506可以獨立修整或調諧以具有不同的諧振和耦合特性。在圖示的實施例中，R1大於R2（R1＞R2）。可替代地，R1可以小於R2（R1＜R2）。

主環諧振器504在S諧振中引起壓縮狀態，其頻率等於D模式和P模式的平均頻率。這種壓縮狀態產生在主環諧振器504中傳播的壓縮光輸出。通過耦合至適當的諧振並破壞它們在S模式中產生雜散光的能力，輔助環諧振器506進一步諧調主環諧振器504以抑制不需要的四波混頻過程。輔助環諧振器506具有與主環諧振器504不同的自由光譜範圍（free spectral range），用於選擇性分開、失諧和降低所涉及的額外諧振的品質因子，從而抑制不需要的過程，同時保留所需的壓縮交互作用。輔助環諧振器506通過近場耦合耦合到主環諧振器504。環諧振器504和506中的光路方向相反，一者為逆時針方向，且另一者為順時針方向。

圖8B示出了光子電路500的替代性實施例，其基本上類似於圖8A所示的實施例，但是具有第三光學波導502C和第四光學波導502D。已經觀察到，即使具有相同的諧振器結構，在諧振器中循環的更高的光功率導致更高的壓縮水平。額外的光學波導502C和502D能夠將更多的光功率泵入光子電路500並進一步提高壓縮水平。第三光學波導502C類似於第一光學波導502A，它包括與輔助環諧振器506的外周相切接觸的直軌。第三光學波導502C的直軌可以平行於連接主環諧振器504和輔助環諧振器506的中心的虛擬線510。光子源在Port C處向第三光學波導502C提供光子。光子直接注入輔助環諧振器506。第四光學波導502D與第二光學波導502B類似，包括弧形的部分環繞主環諧振器504的第一部分（耦合部分或弧形部分）和直軌形的具有輸出埠Port D的第二部分（輸出部分或導軌部分）。弧形部分可以與主環諧振器504的外周同心或者從主環諧振器504的外周漸縮。主環諧振器504中的中心角α可小於約90°，例如在約30°至約60°的範圍內。主環諧振器504中的中心角α相對於較大的半徑（R1＞R2），其可能大於輔助環諧振器506中的中心角β，反之亦然。例如，中心角α可以在約45°至約60°的範圍內，並且中心角中心角β可以在約30°至約45°的範圍內。通過部分環繞主環諧振器504，延長了近場耦合路徑，並提高了收集從主環諧振器504逸出的壓縮光子的效率，從而減輕了環諧振器中發生的彎曲損耗。第四光學波導502D的輸出部分的直軌可以平行於連接主環諧振器504和輔助環諧振器506的中心的虛擬線510。

光子電路中的多個環諧振器可以在同一平面內共面，也可以在不同平面內分組。圖9示出了這樣的示例性實施例。參見圖9，光子電路600包括位於第一平面中的第一組的環諧振器604A、604B、604C和604D，以及在第二平面中的第二組的環諧振器606A、606B、606C和606D。第一平面內的四個環諧振器604A至604D排列成2×2陣列，且第二平面內的四個環諧振器606A至606D也排列成2×2陣列。在所示的實施例中，具有環諧振器606A至606D的第二平面位於具有環諧振器604A至604D的第一平面下方，並且位於第一平面和半導體基底之間，因此環諧振器604A堆疊在環諧振器606A上方且中心垂直對齊，環諧振器604B堆疊在環諧振器606B上方且中心垂直對齊，環諧振器604C堆疊在環諧振器606C上方且中心垂直對齊，環諧振器604D堆疊在環諧振器606D上方且中心垂直對齊。兩個堆疊的環諧振器形成一對。穿過環諧振器604B、604D、606B、606D中的部分的光子電路600的截面圖也在圖9中示出。環諧振器604A至604D和606A至606D各自可以包括被氧化物層618（例如二氧化矽）包圍的非線性光學材料（例如氮化矽或其他適合的材料，包括LiNbO ₃、AlGaAs、InP或AlN），所述氧化物層618設置在半導體基底620（例如矽基底）上。此外，環諧振器和光學波導可以具有不同的材料組成。在一些替代實施例中，具有環諧振器604A至604D的第一平面可以在具有環諧振器606A-606D的第二平面之下，並且在第二平面和半導體基底620之間。

每個環諧振器604A至604D都有相同的半徑R1。每個環諧振器606A至606D都有相同的半徑R2。在一些實施例中，R1和R2各自在約5μm至約12μm的範圍內。環諧振器604A至604D和環諧振器606A至606D可以獨立修整或調諧以具有相同或不同的諧振和耦合特性。在一些實施例中，R1等於R2（R1=R2），使得每對中的兩個環諧振器的外周在俯視圖中重疊，並且對中的近場耦合最強。強大的近場耦合增強了環諧振器的壓縮因子。在一些實施例中，R1大於R2（R1＞R2）。在一些實施例中，R1小於R2（R1＜R2）。成對的兩個環可以用作主環諧振器和輔助環諧振器，類似於上面參考圖8A的討論。在一些實施例中，對中的兩個環諧振器之間的垂直距離H約為1μm至約10μm。這個範圍不是微不足道的。如果H小於約1μm，則兩個環諧振器可能過於接近並過耦合D和P諧振；如果H大於10μm，成對的兩個環諧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，且諧振器的尺寸和間隔可以考慮到S、D、P諧振的波長和期望的壓縮水平而不同地形成。

不同於具有單個輸入埠和單個輸出埠，光子電路600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600並進一步增加壓縮水平，類似於上面參考圖8B的討論。尤其是，光子電路600包括具有第一輸入埠Port A的第一光學波導602A、具有第二輸入埠Port B的第二光學波導602B、具有第一輸出埠Port C的第三光學波導602C以及具有第二輸出埠Port D的第四光學波導602D。第一光學波導602A以及第二光學波導602B位於第一平面，第三光學波導602C以及第四光學波導602D位於第二平面。

第一光學波導602A通過Port A將源光子接收到第一光學波導602A的直軌中。源（入射）光子在朝向分離區610A的方向上傳播。分離區610A可以包括分束器，其將直軌分成饋入環諧振器604A的第一分支和饋入環諧振器604B的第二分支。第一光學波導602A的第一和第二分支可能實現近場點耦合（類似於圖4中的耦合機制），近場共形耦合（類似於圖5中的耦合機制），以漸縮線直接注入（類似於圖6A中的注入機制），或以相切線定向注入（類似於圖6C中的注入機制）。

第二光學波導602A通過Port B將源光子接收到第二光學波導602B的直軌中。源（入射）光子在朝向分離區610B的方向上傳播。分離區610B可以包括分束器，其將直軌分成饋入環諧振器604C的第一分支和饋入環諧振器604D的第二分支。第二光學波導602B的第一和第二分支可能實現近場點耦合（類似於圖4中的耦合機制），近場共形耦合（類似於圖5中的耦合機制），以漸縮線直接注入（類似於圖6A中的注入機制），或以相切線定向注入（類似於圖6C中的注入機制）。流入第一和第二光學波導602A和602B的光路彼此相反。

每對中的兩個環諧振器提供更多部分的光子通過SFWM過程，這增加了光子躍遷率。此外，如上所述，通過添加額外的環諧振器引入過耦合可以減輕可能降低散射模式下可實現的壓縮效果的諧振器內損耗。此外，當環諧振器606A至606D用作輔助環諧振器時，可以抑制涉及到不需要的四波混頻過程的額外諧振。每對中的兩個環諧振器中的光路具有相同的方向。光子在環諧振器中的傳播方向可能如圖9中的箭頭所示。

第三光學波導602C具有在組合區610C處合併成直軌的兩個分支。組合區610C可以包括光束組合器。環諧振器606A和606C中的壓縮光子分別通過近場耦合機制耦合到第三光學波導602C的兩個分支並合併到第三光學波導602的直軌並從Port C離開。近場耦合機制可能是近場點耦合（類似於圖4中的耦合機制），近場共形耦合（類似於圖5中的耦合機制），或者近場外周耦合（類似於圖6A或圖7中的耦合機制）。因此，第三光學波導602C通過環諧振器604A從第一光學波導602A接收光子，通過環諧振器604C從第二光學波導602B接收光子。

第四光學波導602D具有在組合區610D處合併成直軌的兩個分支。組合區610D可以包括光束組合器。環諧振器606B和606D中的壓縮光子通過近場耦合機制分別耦合到第四光學波導602D的兩個分支中。近場耦合機制可能是近場點耦合（類似於圖4中的耦合機制），近場共形耦合（類似於圖5中的耦合機制），或者近場外周耦合（類似於圖6A或圖7耦合機制）。因此，第四光學波導602D通過環諧振器604B從第一光學波導602A接收光子，通過環諧振器604D從第二光學波導602B接收光子。

從第三光學波導602C和第四光學波導602D流出的光路是彼此相反的。流出第三光學波導602C和第四光學波導602D的光路垂直於流入第一光學波導602A和第二光學波導602B的光路。

可選地，光子電路600還可以包括可調諧和可編程移相器（在圖中表示為「FS」）以控制環諧振器和光學波導之間的相位相干性。移相器可以通過機械光學（例如，MEMS或NEMS）、熱光學、電光學或聲光學的方法來實現。在所示的實施例中，光學波導602A至602D的每個分支都由移相器調諧。

通過將幾種提高壓縮水平的機制組合到一個光子電路中，如圖9中的示例多光學諧振器結構提供了具有非常高壓縮水平的壓縮光子源。這種多光諧振器結構還提供了高品質因子Q並且也可以在光通信系統中實現。

儘管不意圖為限制性的，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中，具有多個光學諧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。在光通信系統領域中，具有多個光諧振器的示例性光子電路提供具有高質量因子的波長濾波。

在一個示例方面，本公開涉及一種光學裝置。光學裝置包括具有第一半徑的第一環諧振器、具有第二半徑的第二環諧振器以及平行饋入第一和第二環諧振器的光學波導。第一和第二環諧振器位於光學波導的相對側，且第一和第二環諧振器以及光學波導設置在半導體基底上方。在一些實施例中，第一和第二環諧振器包括提供三階非線性光學磁化率的光學介質。在一些實施例中，光學波導為直軌，其延伸穿過連接第一和第二環諧振器中心的虛擬線。在一些實施例中，光學波導被分成部分圍繞第一環諧振器的第一部分和部分圍繞第二環諧振器的第二部分。在一些實施例中，第一部分部分圍繞第一環諧振器半圈，第二部分部分圍繞第二環諧振器半圈。在一些實施例中，第一部分與第一環諧振器的外周之間的距離保持固定，第二部分與第二環諧振器的外周之間的距離保持固定。在一些實施例中，光學裝置還包括直接堆疊在第一環諧振器之下的具有第三半徑的第三環諧振器，以及直接堆疊在第二環諧振器之下的具有第四半徑的第四環諧振器。在一些實施例中，第一半徑等於第二半徑，第三半徑等於第四半徑。在一些實施例中，光學波導被分成饋入第一環諧振器的第一分支和饋入第二環諧振器第二分支。在一些實施例中，光學裝置還包括與第三環諧振器耦合的第二光學波導和與第四環諧振器耦合的第三光學波導。

在另一個示例方面，本公開涉及一種光學裝置。光學裝置包括具有第一半徑的第一環諧振器、具有第二半徑的第二環諧振器、直接將光子注入第一環諧振器的第一光學波導以及接受從第二環諧振器逸出的光子的第二光學波導。第一和第二環諧振器位於第一和第二光學波導之間，且第一和第二環諧振器以及第一和第二光學波導位於半導體基底上方。在一些實施例中，第二光學波導通過近場耦合耦合到第二環諧振器。在一些實施例中，近場耦合是近場共形耦合。在一些實施例中，近場耦合是近場外周耦合。在一些實施例中，第一半徑大於第二半徑。在一些實施例中，第二光學波導包括一條直軌，且直軌的延伸穿過第一和第二環諧振器。在一些實施例中，第一光學波導包括與第一環諧振器的外周直接接觸的漸縮部分。

在又一個示例方面，本公開涉及一種方法。所述方法包括將源光束送入第一光學波導，將源光束通過與第一環諧振器物理接觸的第一光學波導的末端部分直接射入第一環諧振器，一部分源光束通過自發四波混頻過程轉換成信號光束，將至少在信號光束中的光子通過第一環諧振器和第二環諧振器之間的近場耦合耦合進入第二環諧振器，以及將光子通過第二環諧振器和第二光學波導之間的近場耦合耦合進入第二光學波導。在一些實施例中，部分的第二光學波導部分圍繞第二環諧振器。在一些實施例中，第二環諧振器抑制第一環諧振器內的輔助諧振。

以上概述了若干實施例的特徵，以使所屬領域中的技術人員可更好地理解本公開的各個方面。所屬領域中的技術人員應理解，他們可容易地使用本公開作為設計或修改其他製程及結構的基礎來施行與本文中所介紹的實施例相同的目的和/或實現與本文中所介紹的實施例相同的優點。所屬領域中的技術人員還應認識到，此種等效構造並不背離本公開的精神及範圍，而且他們可在不背離本公開的精神及範圍的條件下對本文作出各種改變、代替及變更。

10, 20, 100, 200, 300, 400, 500, 600:光子電路 12, 22, 406, 408, 604A, 604B, 604C, 604D, 606A, 606B, 606C, 606D:環諧振器 14, 32, 102, 202:光學波導 14’, 302B, 402B, 502B, 602B:第二光學波導 16:近場耦合區 18, 618:氧化物層 19, 620:半導體基底 24:驅動光源 26:泵光源 28:驅動光束 30:泵光束 34, 110:耦合區 36:信號光束 104, 204, 304:第一環諧振器 106, 206, 306:第二環諧振器 210, 610A, 610B:分離區 212, 310, 510:虛擬線 302A, 402A, 502A, 602A:第一光學波導 404:賽道形諧振器 502C, 602C:第三光學波導 502D, 602D:第四光學波導 504:主環諧振器 506:輔助環諧振器 610C, 610D:組合區 Port A:輸入埠 Port B, Port C, PortD:輸出埠 CW:連續波 D:驅動模式 D1, D2, D3, L:距離 H:垂直距離 J:諧振光學模式 P:泵模式 R, R1, R2:半徑 S:信號模式 W, W1, W2, W3:寬度 α, β:中心角

當結合所附的圖閱讀以下詳細描述時，本公開將得到最好的理解。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，除非明確揭露，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示出了根據本公開的實施例的具有環諧振器和單軌光學波導的光子電路的圖。

圖1B示出了根據本公開的實施例的具有環諧振器和雙軌光學波導的光子電路的圖。

圖2顯示了根據本公開的實施例的光子對光源中的自發四波混頻過程的虛擬能級圖。

圖3A示出了根據本公開的實施例的具有用於產生壓縮光的環諧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浦自發四波混頻過程的虛擬能級圖。

圖4示出了根據本公開的實施例的具有兩個並聯耦合的環諧振器的光子電路的圖。

圖5示出了根據本公開的實施例的具有兩個並聯耦合的環諧振器的光子電路的圖。

圖6A、6B和6C示出了根據本公開的一些實施例的具有兩個串聯耦合的環諧振器的光子電路的圖。

圖7示出了根據本公開的實施例的具有賽道形諧振器和兩個環諧振器的光子電路的圖。

圖8A和8B示出了根據本公開的一些實施例的具有兩個不同尺寸的環諧振器的光子電路的圖。

圖9示出了根據本公開的實施例的具有堆疊環諧振器的光子電路的圖。

10:光子電路

12:環諧振器

14:光學波導

16:近場耦合區

18:氧化物層

19:半導體基底

Port A:輸入埠

Port B:輸出埠

Claims (20)

1. 一種光學裝置，包括： 第一環諧振器，具有第一半徑； 第二環諧振器，具有第二半徑；和 光學波導，平行饋入所述第一環諧振器和所述第二環諧振器，其中所述第一環諧振器和所述第二環諧振器位於所述光學波導的相對側，且其中所述第一環諧振器、所述第二環諧振器和所述光學波導設置在半導體基底上方。
2. 如請求項1所述的光學裝置，其中所述第一環諧振器和所述第二環諧振器包括提供三階非線性光學磁化率的光學介質。
3. 如請求項1所述的光學裝置，其中所述光學波導為直軌，所述直軌延伸穿過連接所述第一環諧振器中心和所述第二環諧振器中心的虛擬線。
4. 如請求項1所述的光學裝置，其中所述光學波導被分成部分圍繞所述第一環諧振器的第一部分和部分圍繞所述第二環諧振器的第二部分。
5. 如請求項4所述的光學裝置，其中所述第一部分部分圍繞所述第一環諧振器半圈，且所述第二部分部分圍繞所述第二環諧振器半圈。
6. 如請求項4所述的光學裝置，其中所述第一部分和所述第一環諧振器的外周之間的距離保持固定，且所述第二部分和所述第二環諧振器的外周之間的距離保持固定。
7. 如請求項1所述的光學裝置，還包括： 第三環諧振器，具有第三半徑，且直接堆疊在所述第一環諧振器之下；以及 第四環諧振器，具有第四半徑，且直接堆疊在所述第二環諧振器之下。
8. 如請求項7所述的光學裝置，其中所述第一半徑等於所述第二半徑，且所述第三半徑等於所述第四半徑。
9. 如請求項7所述的光學裝置，其中所述光學波導被分成饋入所述第一環諧振器的第一分支以及饋入所述第二環諧振器的第二分支。
10. 如請求項7所述的光學裝置，還包括： 第二光學波導，與所述第三環諧振器耦合；以及 第三光學波導，與所述第四環諧振器耦合。
11. 一種光學裝置，包括： 第一環諧振器，具有第一半徑； 第二環諧振器，具有第二半徑； 第一光學波導，直接將光子注入所述第一環諧振器；以及 第二光學波導，接受從所述第二環諧振器逸出的光子，其中所述第一環諧振器和所述第二環諧振器位於所述第一光學波導和所述第二光學波導之間，所述第一環諧振器和所述第二環諧振器以及所述第一光學波導和所述第二光學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，其中所述第二光學波導通過近場耦合耦合到所述第二環諧振器。
13. 如請求項12所述的光學裝置，其中所述近場耦合是近場共形耦合。
14. 如請求項12所述的光學裝置，其中所述近場耦合是近場外周耦合。
15. 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。
16. 如請求項11所述的光學裝置，其中所述第二光學波導包括直軌，且其中所述直軌的延伸穿過所述第一環諧振器和所述第二環諧振器。
17. 如請求項11所述的光學裝置，其中所述第一光學波導包括與所述第一環諧振器的外周直接接觸的漸縮部分。
18. 一種方法，包括： 將源光束送入第一光學波導； 將所述源光束通過與第一環諧振器物理接觸的所述第一光學波導的末端部分直接射入所述第一環諧振器，其中一部分所述源光束通過自發四波混頻過程轉換成信號光束； 將至少在所述信號光束中的光子通過所述第一環諧振器和第二環諧振器之間的近場耦合耦合進入所述第二環諧振器；和 將所述光子通過所述第二環諧振器和第二光學波導之間的近場耦合耦合進入所述第二光學波導。
19. 如請求項18所述的方法，其中部分的所述第二光學波導部分圍繞所述第二環諧振器。
20. 如請求項18所述的方法，其中所述第二環諧振器抑制所述第一環諧振器內的輔助諧振。

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