TWI782404B - 低損耗高效光子相移器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種光子器件，其包含：一第一包覆層；一第一電接觸件，其包括耦合至一第一介電部分之一第一引線；一第二電接觸件，其包括耦合至一第二介電部分之一第二引線；一波導結構，其包括一平板層，該平板層包括一第一材料；及一第二包覆層。該平板層可耦合至該第一電接觸件之該第一介電部分及該第二電接觸件之該第二介電部分。該第一介電部分及該第二介電部分具有大於該第一材料之一介電常數之一介電常數。

Description

低損耗高效光子相移器
本文中之實施例大體上係關於諸如相移器及開關之電光器件。
電光(EO)調變器及開關已在光學領域中使用。一些EO調變器利用自由載子電子折射、自由載子電子吸收或DC克爾效應來修改操作期間之光學特性，舉例而言，以改變傳播通過EO調變器或開關之光之相位。作為一實例，光學相位調變器可用於積體光學系統、波導結構及積體光電器件中。
儘管在EO調變器及開關領域獲得進展，但本領域中存在對與EO調變器及開關相關之改良方法及系統之需要。
本文中所描述之一些實施例係關於諸如電光開關及相移器之光子器件。該器件可包括：一第一包覆層；一第一電接觸件，其包括耦合至一第一介電部分之一第一引線；一第二電接觸件，其包括耦合至一第二介電部分之一第二引線；一波導結構，其包括一平板層，該平板層包括一第一材料；及一第二包覆層。該平板層可耦合至該第一電接觸件之該第一介電部分及該第二電接觸件之該第二介電部分。
該第一介電部分及該第二介電部分可在將該第一介電部分及該第二介電部分分開之方向上具有大於該第一材料之一介電常數之一介電常數。在大於1mK、小於77K、小於150K，及/或在另一溫度範圍內之一第一溫度下，該第一介電部分及該第二介電部分之該介電常數可大於該第一材料之該介電常數。在一些實施例中，該第一材料係一透明材料，其具有大於該第一包覆層及該第二包覆層之一折射率之一折射率。在一些實施例中，該第一介電部分及該第二介電部分之該介電常數與該第一材料之該介電常數之間之一比率為2或更大。
該波導結構可包含一第一脊部分，該第一脊部分包括該第一材料且耦合至該平板層，其中該第一脊部分安置於該第一電接觸件與該第二電接觸件之間。該脊部分可安置於該平板層之一第一側上且可延伸至該第一包覆層中，且該第一介電部分及該第二介電部分可在該平板層之鄰接該波導結構之該脊部分之該第一側上耦合至該平板層。
在其他實施例中，該脊部分安置於該平板層之一第一側上且延伸至該第一包覆層中，其中該第一介電部分及該第二介電部分在該平板層之與該第一側相對之一第二側上耦合至該平板層。在一些實施例中，該第一電接觸件及該第二電接觸件安置於該平板層之該第二側上。
在一些實施例中，該第一電接觸件藉由從該平板層之該第二側穿透該平板層至該平板層之該第一側而耦合至該第一介電部分，且該第二電接觸件藉由從該平板層之該第二側穿透該平板層至該平板層之該第一側而耦合至該第二介電部分。
在一些實施例中，該第一介電部分及該第二介電部分由鈦酸鍶(STO)、鈦酸鋇鍶(BST)、氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鋯酸鈦酸鉛(PZT)、鋯酸鈦酸鉛鑭(PLZT)或鈮酸鋇鍶(SBN)之一者組成。
在一些實施例中，該第一材料係鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鋇鍶(BST)、鈮酸鋰、鋯酸鈦酸鉛(PZT)、鋯酸鈦酸鉛鑭(PLZT)、氧化鋁、氮化鋁或鈮酸鋇鍶(SBN)之一者。
本發明內容旨在提供本文件中所描述之標的物之一些之一簡要概述。因此，應暸解，上述特徵僅僅係實例且不應被解釋為以任何方式使本文中所描述之標的物之範疇或精神變窄。本文中所描述之標的物之其他特徵、態樣及優點將從以下實施方式、附圖及發明申請專利範圍變得顯而易見。
優先權主張
本申請案主張標題為「Low Loss High Efficiency Photonic Phase Shifter」且在2020年1月29日申請之美國臨時專利申請案第62/967,166號之優先權，該案之全文在此以引用之方式併入，如同在本文中完全地且完整地闡述。
現將詳細參考實施例，其等之實例在隨附圖式中繪示。在以下詳細描述中，闡述許多特定細節，以便提供對各種所描述實施例之透徹暸解。然而，對一般技術者，顯而易見的是，可在沒有此等特定細節之情況下實踐各種所描述實施例。在其他實例中，尚未詳細描述熟知之方法、程序、組件、電路及網路，以便不必要模糊實施例之態樣。
為了解釋之目的，已參考特定實施例描述前述描述。然而，上述闡釋性討論非意欲係窮舉性的或將發明申請專利範圍之範疇限制為所揭示之確切形式。鑑於上述教示，許多修改及變化係可能的。實施例經選擇以便最佳地解釋發明申請專利範圍之基本原理及其等的實際應用，以藉此使熟習此項技術者能夠最佳地使用具有適用於經審慎考慮之特定用途之各種修改之實施例。
本發明之實施例係關於光學系統。更特定言之，本發明之實施例在光學調變器及開關中利用高介電常數材料(即，高κ材料)來降低操作期間之功耗。應注意，如本文中所使用，一「高介電常數材料」旨在係指與光學調變器或開關之操作組件內之其他材料相比，且特定言之與用於建構波導之材料相比，具有高介電係數之材料。僅舉例而言，在包含主動光學器件之積體光學系統之背景內容中提供本發明之實施例，但本發明不限於此實例，且對各種光學及光電系統具有廣泛適用性。
根據一些實施例，本文中所描述之主動光子器件利用電光效應(諸如半導體中之自由載子誘發之折射率變化、波凱爾(Pockels)效應及/或DC克爾效應)來實施光學信號之調變及/或開關。因此，本發明之實施例適用於調變器以及光學開關兩者，在該等調變器中，透射光經調變為開或關，或光經調變為具有透射百分比中之一部分變化，在該等光學開關中，透射光在一第一輸出(例如，波導)或一第二輸出(例如，波導)或具有兩個以上輸出以及一個以上輸入之一光學開關上輸出。因此，本發明之實施例適用於利用本文中所討論之方法、器件及技術之包含一M(輸入)x N(輸出)系統之各種設計。
圖1係繪示根據本發明之一實施例之一光學開關之一簡化示意圖。參考圖1，開關100包含兩個輸入：輸入1及輸入2以及兩個輸出：輸出1及輸出2。作為一實例，開關100之輸入及輸出可實施為可操作以支援單模或多模光束之光學波導。作為一實例，開關100可實施為分別與一組50/50光束分離器105及107整合之一馬赫-詹德(Mach-Zehnder)干涉儀。如圖1所繪示，輸入1及輸入2光學耦合至一第一50/50光束分離器105，亦稱為一定向耦合器，該定向耦合器接收來自輸入1或輸入2之光，且透過50/50光束分離器中之消逝性耦合，將50%之輸入光從輸入1引導至波導110中且將50%之輸入光從輸入1引導至波導112中。同時地，第一50/50光束分離器105將50%之輸入光從輸入2引導至波導110中且將50%之輸入光從輸入2引導至波導112中。僅考慮來自輸入1之輸入光，輸入光在波導110與112之間均勻地分離。
馬赫-詹德干涉儀120包含相位調整區段122。電壓V0 可跨相位調整區段122中之波導施加，使得其可在相位調整區段122中具有可控地變化之一折射率。因為波導110及112中之光在傳播通過第一50/50光束分離器105之後仍具有一明確界定之相位關係(例如，其等可同相、180°異相等)，所以相位調整區段122中之相位調整可引入在波導130及132中傳播之光之間之一預定相位差。如熟習此項技術者將顯而易見，在波導130及132中傳播之光之間之相位關係可導致輸出光呈現在輸出1處(例如，光束係同相)或輸出2處(例如，光束係異相)，藉此在光依據施加於相位調整區段122處之電壓V0 被引導至輸出1或輸出2時提供開關功能。儘管在圖1中繪示單個主動臂，但應暸解，馬赫-詹德干涉儀之兩個臂可包含相位調整區段。
如圖1所繪示，與全光學開關科技相比，電光開關科技利用跨開關之主動區域施加電偏壓(例如，圖1中之V0 )來產生光學變化。由於此電壓偏壓之施加而產生之電場及/或電流導致主動區域之一或多個光學性質之改變，諸如折射率或吸收率。
儘管在圖1中繪示一馬赫-詹德干涉儀實施方案，但本發明之實施例不限於此特定開關架構，且其他相位調整器件被包含於本發明之範疇內，包含環形諧振器設計、馬赫-詹德調變器、廣義馬赫-詹德調變器及類似者。一般技術者將認可許多變化、修改及替代例。
在一些實施例中，本文中所描述之光學相移器器件可在一量子運算系統內使用，諸如圖10所展示之混合量子運算系統。替代地，此等光學相移器器件可用於其他類型之光學系統中。舉例而言，在各種實施例中，其他運算、通信及/或科技系統可利用光子相移器來在一系統或網路內引導光學信號(例如，單光子或連續波(CW)光學信號)，且本文中所描述之相移器架構可在此等系統內使用。圖 2 至圖 8 - 光子相移器之橫截面
圖2至圖8係繪示根據各種實施例之用於一光子相移器之各種架構之簡化截面圖。應注意，圖2至圖8所展示之架構係示意性繪示，且不一定按比例繪製。雖然圖2至圖8所展示之架構在數個重要設計特徵上不同，但其等亦共同共用一些特徵。舉例而言，如以下更詳細地描述，圖2至圖8之各者展現兩個電接觸件，且各電接觸件包含連接至一介電電極(240、340、440、540、640、740及840以及242、342、442、542、642、742及842)之一引線(230、330、430、530、630、730及830，以及232、332、432、532、632、732及832)。在一些實施例中，引線可由一金屬，或替代地一半導體材料組成。
介電電極經組態以緊鄰波導中之光學模式之位置延伸，且光子相移器經組態使得可跨兩個介電電極引入一可控電壓差，以改變行進通過波導之一光子模式之累積相位。舉例而言，介電電極可經由引線耦合至強加可控電壓差之一電壓源。
重要地，介電電極可由具有一大介電常數之一高κ材料組成，使得介電電極具有比波導及/或平板層之材料更大之一介電常數。如本文中所使用，κ用於表示介電常數，其係指相對介電係數之實數分量，
Figure 02_image001
，其中
Figure 02_image003
係複數值相對介電係數，
Figure 02_image005
係材料之絕對介電係數，且
Figure 02_image007
係介電係數自由空間。應注意，為清楚起見，
Figure 02_image003
之虛數分量係與材料之導電率相關，而實數部分κ係與材料之介電極化性相關。
與一(AC)電壓相比，在存在一直流(DC)電壓之情況下，一材料之介電常數可具有一不同值，且一AC電壓中之材料之介電常數可為頻率之一函數，κ(ω)。因此，在一些實施例中，當選擇用於介電電極、平板層及/或脊波導之一材料時，可在光子相移器之操作頻率下考慮材料之介電常數。
介電電極可由沿將第一及第二介電部分分開之方向(例如，圖2至圖5及圖7至圖8中之x方向，或圖6中之y方向)具有比平板層之第一材料更高的介電常數之材料組成。舉例而言，在各向異性介質中，介電係數張量ε 可藉由以下矩陣表示，該矩陣使電場E 與電位移D 相關。
Figure 02_image009
其中分量εxx 、εxy 等表示介電係數張量之個別分量。在一些實施例中，可選擇第一及第二介電電極之材料，使得沿將介電電極分開之方向之介電係數張量的對角線分量大於平板層及/或波導結構之材料之介電係數張量之對應對角線分量。
材料 χ(3) (m2 /W) 折射率 (1.55 µm 下 ) 介電常數
Si 2.2 x 10-18 ~3.5 11.7
Si3 N4 2 x 10-19 2 7至8
1.6 x 10-18 2.5
2 x 10-18 2.7
Ta2 O5 1 x 10-18 至4 x 10-18 2.08 25至50
TiO2 5 x 10-18 至6 x 10-17 2.27至2.6 10至85
氧化石墨烯 4.5 x 10-14 2.2 (1.2 µm下) 2至50
STO    ~2.3 10,000至24,000 (10K以下)
BTO r42 ＞150pm/V    ~2.3 150至200 (10K以下) 1000至3000 (300K下)
表 1- 各種材料之 χ(3) 、折射率及介電常數值
表1繪示各種材料之χ(3) 、折射率及介電常數值。如表1所展示，對於低於10K之溫度，STO具有一極高介電常數，使得STO可係用於介電電極之一所要材料，而在一些實施例中，BTO可用於波導之平板層及/或脊部分。
如繪示，圖2至圖8之各者所展示之架構展現包括第一及第二包覆層之一光子器件。舉例而言，標記為210、310、410、510、610、710及810之區域表示在波導之一側上之第一包覆層，而標記為212、312、412、512、612、712及812之區域表示在波導之另一側上之第二包覆層。應注意，術語「第一」及「第二」僅意在區分兩個包覆層，且舉例而言，術語「第一包覆層」可係指波導之任一側上之包覆層。在一些實施例中，第一及第二包覆層之折射率可低於波導結構之折射率。
圖2至圖8進一步展現一第一電接觸件，其包含耦合至一第一介電部分(240、340、440、540、640、740及840)之一第一引線(230、330、430、530、630、730及830)；及一第二電接觸件，其包含耦合至一第二介電部分(242、342、442、542、642、742及842)之一第二引線(232、332、432、532、632、732及832)。第一及第二引線可由諸如一金屬之一導電材料組成，或替代地其等可由一半導體材料組成。在各種實施例中，第一介電部分及第二介電部分由鈦酸鍶(STO)、鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鋇鍶(BST)、氧化鉿、鈮酸鋰、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鋯酸鈦酸鉛(PZT)、鋯酸鈦酸鉛鑭(PLZT)、鈮酸鋇鍶(SBN)、氧化鋁或其等之摻雜變體或固溶液之一或多者組成。
圖2至圖8繪示一種波導結構，其包含包括第一材料之一平板層(220、320、420及520、651、754及851)，其中該平板層耦合至第一電接觸件之第一介電部分及第二電接觸件之第二介電部分。在一些實施例中，波導結構進一步包含一脊部分(251、351、451及551)，該脊部分(251、351、451及551)由第一材料(或一不同材料，例如，氮化矽或任何其他材料)組成且耦合至平板層，其中脊部分安置於第一電接觸件與第二電接觸件之間。在各種實施例中，第一材料係鈦酸鍶(STO)、鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鋇鍶(BST)、氧化鉿、鈮酸鋰、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鋯酸鈦酸鉛(PZT)、鋯酸鈦酸鉛鑭(PLZT)、鈮酸鋇鍶(SBN)、氧化鋁或其之摻雜變體或固溶液之一者。
在一些實施例中，可基於組成平板層及/或波導結構之第一材料來選擇組成第一及第二介電部分之一第二材料。舉例而言，可選擇第二材料，使得第二材料具有比第一材料之介電常數更大之一介電常數。作為一實例，若第一材料係BTO，則第二材料可經選擇為STO，STO在光子器件旨在操作之低溫溫度下(例如，4K)具有比BTO更大之一介電常數。有利地，針對從波導至電極中之一給定可接受位準之損耗，介電電極之大介電常數可使得介電電極與金屬電極相比，能夠被放置為更緊鄰波導。舉例而言，與介電電極之在與波導相同分離處之吸收相比，一金屬電極之高導電率將導致來自波導之更大程度之光子吸收(即，損耗)。因此，針對一給定損耗容限，介電電極可被放置為比金屬電極更緊鄰波導。介電電極之高介電常數對應於介電材料之一高極化性，此繼而導致在波導結構內調整電場之一低能耗控制機構。
在一些實施例中，可基於其等的有效介電常數來選擇用於介電電極及波導結構之材料。舉例而言，雖然一材料之介電常數(或針對各向異性材料之介電張量)係一固有材料性質，但一結構之有效介電常數與其介電常數成比例，但亦取決於結構之形狀及尺寸。在此等實施例中，可選擇用於第一及第二介電部分之材料，使得第一及第二介電部分之有效介電常數大於波導結構之一有效介電常數。
在一些實施例中，一低溫器件(諸如圖10所展示之低溫恆溫器1113)可經組態以將第一電接觸件、第二電接觸件及波導結構維持於低溫(例如，在77開爾文或以下)。
在一些實施例中，第一電接觸件及第二電接觸件經組態以沿一或多個方向(例如，沿波導結構中之x方向)產生一電場，且波導結構可藉由具有沿電場方向對準之一非零值之一電光係數(例如，χ(2) 、波凱爾係數或χ(3) 、克爾係數)特性化。舉例而言，如圖10所繪示，引線可耦合至強加一可控(例如，可程式化)電壓差之一電壓源，藉此在波導結構中產生一電場。此外或替代地，藉由波導結構支援之一導模可具有與x方向對準之極化方向。
在一些實施例中，第一介電部分及第二介電部分經組態為與平板層共面之一第二層，且安置為鄰近平板層之一第一側。舉例而言，第一及第二介電部分可生長(例如，使用磊晶或諸如金屬有機化學氣相沈積、分子束磊晶、物理氣相沈積、溶膠-凝膠等另一方法)至平板層之第一側上，使得第一及第二介電層直接耦合至平板層。替代地，在一些實施例中，一中介層可安置在平板層與第一及第二介電層之間，使得平板層與第一及第二介電層間接耦合。在一些實施例中，中介層可由氧化物材料組成。
第一介電部分及第二介電部分可藉由一間隙區域(例如，間隙區域243或343)分開。在一些實施例中，間隙區域可能已被蝕刻掉，且可用一包覆材料填充。在一些實施例中，第一及第二介電部分兩者可生長為平板層上之一單個第二層，且隨後可蝕刻出一區域以分開第一及第二介電部分。此經蝕刻區域可隨後用一包覆材料填充。替代地，經蝕刻區域可被保留為空的(即，可填充空氣或真空)。
在一些實施例中，第一介電部分及第二介電部分在將第一及第二介電部分分開之方向上具有大於第一材料之一介電常數之一介電常數。在大於1mK、小於77K、小於150K，及/或在另一溫度範圍內之一第一溫度下，第一介電部分及第二介電部分之介電常數可大於波導結構之介電常數。在一些實施例中，該第一材料係一透明材料，其具有大於第一及第二包覆層之一折射率之一折射率。在一些實施例中，第一及第二介電部分之介電常數與第一材料之介電常數之間之一比率為2或更大。
以下段落描述與圖2至圖8所展示之架構之間不同之各種設計特徵。
圖2繪示一種架構，其中波導結構之脊部分(251)安置於平板層之底部上且延伸至第一包覆層(210)中。如圖2所繪示，脊部分與平板層之組合具有大於單獨平板層(220)之一第二厚度(260)之一第一厚度(262)，且第一厚度相對於第二厚度之多餘部分在平板層之底側上延伸至包覆層(210)中。如圖2所繪示，第一介電部分(240)及第二介電部分(242)在平板層之與底側相對之頂側上耦合至平板層(220)。進一步，第一電接觸件(230)及第二電接觸件(232)安置於平板層(220)之頂側上。應注意，術語「頂部」及「底部」用於參考圖中所繪示之視角之清晰性，且不一定係指相對於總體器件之任何特定定向。
圖3繪示一種架構，其中波導結構之脊部分(351)安置於平板層之頂側上且延伸至一第一包覆層(312)中，第一介電部分及第二介電部分在平板層之與頂側相對之底側上耦合至平板層。如繪示，脊部分與平板層之組合具有大於單獨平板層(320)之一第二厚度(360)之一第一厚度(362)，且第一厚度相對於第二厚度之多餘部分在平板層(320)之頂側上延伸至第一包覆層(312)中。如圖3所繪示，第一介電部分(340)及第二介電部分(342)在平板層之與頂側相對之底側上耦合至平板層(320)。進一步，第一電接觸件(330)藉由從平板層之頂側穿透平板層(320)至平板層之底側而耦合至第一介電部分(340)，且第二電接觸件(332)藉由從平板層之頂側穿透平板層(320)至平板層之底側而耦合至第二介電部分(342)。
圖4繪示一種架構，其中波導結構之平板層與脊部分(451)之組合具有大於平板層(420)之一第二厚度(460)之一第一厚度(462)，且第一厚度相對於第二厚度之多餘部分在平板層之頂側上延伸至第一包覆層(412)中。如圖4所繪示，第一介電部分(440)及第二介電部分(442)在平板層之頂側上耦合至第一材料(420)。進一步，第一介電部分(440)及第二介電部分(442)鄰接波導結構之脊部分(451)。
圖5繪示一種架構，其中波導結構包含一第一帶狀波導部分(554)及一第二帶狀波導部分(556)，其中第一及第二帶狀波導部分分別由一第二及第三材料組成，且其中平板層(520)安置於第一帶狀波導部分(554)與第二帶狀波導部分(556)之間。第一及第二帶狀波導部分可由相同或不同材料組成。舉例而言，其等可各單獨由氮化矽(Si3 N4 )、二氧化矽(SiO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )或另一類似材料組成。
圖6繪示一種垂直波導架構，其中第一介電部分(642)在平板層之頂側上耦合至平板層(651)，且第二介電部分(640)在平板層之與頂側相對之底側上耦合至平板層(651)。換言之，第一及第二介電部分耦合至波導結構之頂側及底側，使得波導結構內之感應電場沿y方向定向。如圖6所示之波導架構另外具有在第一包覆層610之下的基板層650。
圖7繪示一種波導架構，其中第一介電部分(740)及第二介電部分(742)之各者安置為與波導結構(754)成一直線。換言之，第一及第二介電部分及波導結構之各者以一單個寬度安置於一單個層內。
圖8繪示一種波導架構，其中第一介電部分(840)及第二介電部分(842)與波導結構(851)共用一脊狀輪廓，其中脊狀輪廓延伸至第一包覆層(812)中。舉例而言，第一介電部分(840)可包含一脊部分(844)，該脊部分(844)具有大於第一介電部分之剩餘部分之厚度(860)之一厚度(862)，且第二介電部分(842)可包括一脊部分(846)，該脊部分(846)具有大於第二介電部分之剩餘部分之厚度(860)之一厚度(862)。進一步，第一及第二介電部分之脊部分可展現與波導結構(851)相同之厚度。圖 9 - 光子相移器之自上而下視圖
圖9係根據一些實施例之一光子相移器架構之一自上而下視圖。如繪示，相移器可包含第一引線(930)及第二引線(932)、第一介電部分(940)及第二介電部分(942)、一平板層(920)，及波導結構之一脊部分(951)。圖 10 - 混合量子運算系統
圖10係繪示根據一些實施例之將具有一低溫恆溫器之一電光開關併入一混合量子運算系統之一簡化系統圖。為了在低溫(舉例而言，液氦溫度)下操作，本發明之實施例將本文中所討論之電光開關整合至包含冷卻系統之一系統中。因此，本發明之實施例提供一種可在一混合運算系統中使用之光學相移器，舉例而言，如圖8所繪示。混合運算系統1101包含一使用者介面器件1103，該使用者介面器件1103可通信地耦合至一混合量子運算(QC)子系統1105。使用者介面器件1103可係任何類型之使用者介面器件，例如，包含一顯示器、鍵盤、滑鼠、觸控螢幕及類似者之一終端。此外，使用者介面器件本身可係一電腦(諸如一個人電腦(PC)、膝上型電腦、平板電腦及類似者)。在一些實施例中，使用者介面器件1103提供使用者可用其與混合QC子系統1105互動之一介面。舉例而言，使用者介面器件1103可運行軟體(諸如一文字編輯器、一互動開發環境(IDE)、命令提示、圖形使用者介面及類似者)，使得使用者可程式化或以其他方式與QC子系統互動以運行一或多個量子演算法。在其他實施例中，QC子系統1105可經預程式化，且使用者介面器件1103可簡單地係其中一使用者可起始一量子運算、監視進展及從混合QC子系統1105接收結果之一介面。混合QC子系統1105進一步包含耦合至一或多個量子運算晶片1109之一經典運算系統1107。在一些實例中，經典運算系統1107及量子運算晶片1109可耦合至其他電子組件1111 (例如，脈衝泵雷射、微波振盪器、電源供應器、網絡硬體等)。
在利用低溫操作之一些實施例中，量子運算系統1109可容納於一低溫恆溫器內(例如，低溫恆溫器1113)。在一些實施例中，量子運算晶片1109可包含一或多個組成晶片(例如，混合電子晶片1115及積體光子晶片1117)。信號可以任意數目個方式在晶片上及晶片外路由，例如，經由光學互連件1119及經由其他電子互連件1121。圖 11 - 光子相移器中之感應電場
圖11係繪示根據一些實施例之圖2所展示之波導結構之一橫截面之一簡化示意圖，其中感應電場之方向用箭頭繪示。如繪示，小箭頭展示感應電場方向，該方向大體上沿著通過器件之介電部分之正x方向指向。如繪示，電場在介電部分之上方及下方兩者以一凸起方式彎曲。此外，指向正x方向之大箭頭(1150)繪示可行進通過平板層及波導之一光學模式之極化方向。額外實施例
以下編號段落描述額外實施例。
在一些實施例中，一種器件包括：一第一包覆層；一第一電接觸件，其包含耦合至一第一介電部分之一第一引線；一第二電接觸件，其包含耦合至一第二介電部分之一第二引線；一波導結構，其包含一平板層，該平板層由一第一材料組成；及一第二包覆層。該平板層耦合至該第一電接觸件之該第一介電部分及該第二電接觸件之該第二介電部分。該第一介電部分及該第二介電部分在一第一方向上具有大於該第一材料之一介電常數之一介電常數。
在一些實施例中，第一介電部分在該平板層之一第一側上耦合至該平板層，且第二介電部分在該平板層之與該第一側相對之一第二側上耦合至該平板層。見例如，圖6。
在一些實施例中，該第一介電部分及該第二介電部分經組態以在該波導結構中沿一x方向產生一電場。
在一些實施例中，該波導結構之特性在於具有沿該x方向對準之一非零值之一電光係數。
在一些實施例中，一低溫器件經組態以將該第一電接觸件、該第二電接觸件及該波導結構維持在77開爾文或以下。
在一些實施例中，在大於1mK之一第一溫度下，該第一介電部分及該第二介電部分之該介電常數在該第一方向上大於該第一材料之該介電常數。
在一些實施例中，在大於1mK且小於77K或150K之一第一溫度下，該第一介電部分及該第二介電部分之該介電常數在該第一方向上大於該第一材料之該介電常數。
在一些實施例中，該第一介電部分、該第二介電部分及該波導結構安置於具有一第一厚度之一單層內，且該波導結構安置於該等第一及第二介電部分之間。見例如，圖7。
在一些實施例中，該第一介電部分及該第二介電部分各包含一各自脊結構，該各自脊結構具有大於該等第一及第二介電部分之一平板結構之一第二厚度之一第一厚度。該第一厚度與該波導結構之厚度相同。在此等實施例中，該波導結構安置於該等第一及第二介電部分之間且耦合至該等第一及第二介電部分之該等脊結構。見例如，圖8。
在一些實施例中，該等第一及第二引線由一金屬組成。
在一些實施例中，該等第一及第二引線由一半導體材料組成。
在一些實施例中，該第一介電部分及該第二介電部分由鈦酸鋇鍶、氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鋯酸鈦酸鉛、鋯酸鈦酸鉛鑭或鈮酸鋇鍶之一者組成。
在一些實施例中，該平板層由鈦酸鋇鍶、鈮酸鋰、鋯酸鈦酸鉛、鋯酸鈦酸鉛鑭、氧化鋁、氮化鋁或鈮酸鋇鍶之一者組成。
亦應暸解，本文中所描述之實例及實施例僅用於闡釋性目的，且有鑑於其等之各種修改或改變將被建議給熟習此項技術者，且將包含於本申請案之精神及範圍及隨附發明申請專利範圍之範疇內。
100:開關 105:50/50光束分離器 107:50/50光束分離器 110:波導 112:波導 120:馬赫-詹德干涉儀 122:相位調整區段 130:波導 132:波導 210:第一包覆層 212:第二包覆層 220:平板層 230:第一引線/第一電接觸件 232:第二引線/第二電接觸件 240:第一介電部分 242:第二介電部分 243:間隙區域 251:脊部分 260:第二厚度 262:第一厚度 310:第一包覆層 312:第二包覆層 320:平板層 330:第一引線/第一電接觸件 332:第二引線/第二電接觸件 340:第一介電部分 342:第二介電部分 343:間隙區域 351:脊部分 360:第二厚度 362:第一厚度 410:第一包覆層 412:第二包覆層 420:平板層 430:第一引線 432:第二引線 440:第一介電部分 442:第二介電部分 451:脊部分 460:第二厚度 462:第一厚度 510:第一包覆層 512:第二包覆層 520:平板層 530:第一引線 532:第二引線 540:第一介電部分 542:第二介電部分 551:脊部分 554:第一帶狀波導部分 556:第二帶狀波導部分 610:第一包覆層 612:第二包覆層 630:第一引線 632:第二引線 640:第一介電部分 642:第二介電部分 650:基板層 651:平板層 710:第一包覆層 712:第二包覆層 730:第一引線 732:第二引線 740:第一介電部分 742:第二介電部分 754:平板層 810:第一包覆層 812:第二包覆層 830:第一引線 832:引線 840:第一介電部分 842:第二介電部分 844:脊部分 846:脊部分 851:平板層 860:厚度 862:厚度 920:平板層 930:第一引線 932:第二引線 940:第一介電部分 942:第二介電部分 951:脊部分 1101:混合運算系統 1103:使用者介面器件 1105:混合量子運算(QC)子系統 1107:經典運算系統 1109:量子運算晶片 1111:其他電子組件 1113:低溫恆溫器 1115:混合電子晶片 1117:積體光子晶片 1119:光互連件 1121:電子互連件 1150:大箭頭
為更佳暸解各種所描述之實施例，應結合以下附圖參考以下實施方式，其中貫穿附圖相同元件符號係指對應零件。
圖1係繪示根據一些實施例之一光學開關之一簡化示意圖；
圖2係繪示根據一些實施例之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖，該波導結構併入與波導脊相對放置之高κ電極；
圖3係繪示根據一些實施例之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖，該波導結構併入與具有穿透引線之波導脊相對放置之高κ電極；
圖4係繪示根據一些實施例之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖，該波導結構併入放置於與波導脊相同之側上之高κ電極；
圖5係繪示根據一些實施例之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖，該波導結構併入高κ電極且展現一夾層結構；
圖6係繪示根據一些實施例之一垂直波導結構之一橫截面之一簡化示意圖，該垂直波導結構併入高κ電極；
圖7係繪示根據一些實施例之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖，該波導結構具有與波導結構成一直線之介電部分；
圖8係繪示根據一些實施例之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖，該波導結構具有展現脊狀輪廓之介電部分；
圖9係根據一些實施例之展示一波導結構之一俯視圖之一簡化示意圖；
圖10係根據一些實施例之一使用者與一混合量子運算器件介接之一繪示；及
圖11係繪示根據一些實施例之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖，該波導結構展示一感應電場之方向。
雖然本文中所描述之特徵可易具有各種修改及替代形式，但其等之特定實施例在圖式中舉例而言展示，且在本文中詳細描述。然而，應暸解，圖式及對其等之詳細描述非意欲限於所揭示之特定形式，而是相反，意圖係涵蓋落入如由隨附發明申請專利範圍所界定之標的物之精神及範疇內之所有修改例、等效例及替代例。
210:第一包覆層
212:第二包覆層
220:平板層
230:第一引線/第一電接觸件
232:第二引線/第二電接觸件
240:第一介電部分
242:第二介電部分
243:間隙區域
251:脊部分
260:第二厚度
262:第一厚度

Claims (20)

  1. 一種電光器件，其包括：一第一包覆層；一第二包覆層；一第一電接觸件，其包括一第一引線及一第一介電電極，其中該第一引線耦合至該第一介電電極；一第二電接觸件，其包括一第二引線及一第二介電電極，其中該第二引線耦合至該第二介電電極，且其中該第一介電電極及該第二介電電極藉由一間隙區域分開；一波導結構，其包括由鈦酸鋇組成之一平板層，其中該平板層耦合至該第一電接觸件之該第一介電電極及該第二電接觸件之該第二介電電極，其中該平板層安置於該第一包覆層與該第二包覆層之間；及一脊部分，其耦合至該平板層，其中該脊部分安置於該第一引線與沿著一第一方向的該第二引線之間；其中該第一介電電極及該第二介電電極在該第一方向上具有大於鈦酸鋇在該第一方向上之一介電常數之一介電常數，其中該第一方向包括將該第一介電電極與該第二介電電極分開之一方向，且其中該第一方向平行於該平板層；及其中該第一介電電極及該第二介電電極是可控制的以便調整在該波導結構內的一電場。
  2. 如請求項1之器件， 其中該脊部分安置於該平板層之一第一側上且延伸至該第一包覆層中，且其中該第一介電電極及該第二介電電極在該平板層之與該第一側相對之一第二側上耦合至該平板層。
  3. 如請求項1之器件，其中該平板層由與該脊部分之一不同材料組成。
  4. 一種電光器件，其包括：一第一包覆層；一第二包覆層；一第一電接觸件，其包括一第一引線及一第一介電電極，其中該第一引線耦合至該第一介電電極；一第二電接觸件，其包括一第二引線及一第二介電電極，其中該第二引線耦合至該第二介電電極；一波導結構，其包括由一第一材料組成之一平板層，其中該平板層耦合至該第一電接觸件之該第一介電電極及該第二電接觸件之該第二介電電極；其中該第一介電電極及該第二介電電極在一第一方向上具有大於第一材料在該第一方向上之一介電常數之一介電常數；及其中該第一介電電極及該第二介電電極是可控制的以便調整在該波導結構內的一電場。
  5. 如請求項4之器件， 其中該波導結構進一步包括耦合至該平板層之一第一脊部分。
  6. 如請求項5之器件，其中該平板層由鈦酸鋇組成，且其中該第一脊部分由氮化矽組成。
  7. 如請求項5之器件，其中該第一脊部分由該第一材料組成。
  8. 如請求項5之器件，其中該第一脊部分安置於該平板層之一第一側上且延伸至該第一包覆層中，且其中該第一介電電極及該第二介電電極在該平板層之該第一側上耦合至該平板層。
  9. 如請求項5之器件，其中該脊部分安置於該平板層之一第一側上且延伸至該第一包覆層中，其中該第一介電電極及該第二介電電極在該平板層之與該第一側相對之一第二側上耦合至該平板層。
  10. 如請求項9之器件，其中該第一電接觸件及該第二電接觸件安置於該平板層之該第二側 上。
  11. 如請求項9之器件，其中該第一電接觸件藉由從該平板層之該第二側穿透該平板層至該平板層之該第一側而耦合至該第一介電電極，且其中該第二電接觸件藉由從該平板層之該第二側穿透該平板層至該平板層之該第一側而耦合至該第二介電電極。
  12. 如請求項4之器件，其中該第一介電電極及該第二介電電極由鈦酸鍶組成，且其中該平板層由鈦酸鋇組成。
  13. 如請求項4之器件，其中該波導結構進一步包括一第一帶狀波導部分及一第二帶狀波導部分，其中該等第一及第二帶狀波導部分分別由一第二及一第三材料組成，且其中該平板層安置於該第一帶狀波導部分與該第二帶狀波導部分之間。
  14. 如請求項13之器件，其中該等第二及第三材料係氮化矽。
  15. 如請求項4之器件，其中該第一介電電極及該第二介電電極被包括在與該平板層平行之一第二層內，且安置為鄰近該平板層之一第一側。
  16. 如請求項4之器件，其中該第一介電電極及該第二介電電極藉由一間隙區域分開。
  17. 如請求項4之器件，其中該第一材料具有大於該等第一及第二包覆層之一折射率之一折射率。
  18. 如請求項4之器件，其中該等第一及第二介電電極之該介電常數與該第一材料在該第一方向上之該介電常數之間之一比率為2或更大。
  19. 如請求項4之器件，其中該第一方向包括平行於該平板層且將該第一介電電極與該第二介電電極分開之一方向。
  20. 一種光學開關，其包括：至少一個輸入埠；至少一個輸出埠；一馬赫-詹德干涉儀，其耦合至一光束分離器，其中該馬赫-詹德干涉儀包括一第一臂及一第二臂；一光子相移器，其被包括在該馬赫-詹德干涉儀之該第一臂內，該光 子相移器包括：一第一包覆層；一第二包覆層；一第一電接觸件，其包括耦合至一第一介電電極之一第一引線；一第二電接觸件，其包括耦合至一第二介電電極之一第二引線；一波導結構，其包括由一第一材料組成之一平板層，其中該平板層耦合至該第一電接觸件之該第一介電電極及該第二電接觸件之該第二介電電極；其中該第一介電電極及該第二介電電極在一第一方向上具有大於該第一材料在該第一方向上之一介電常數之一介電常數；及其中該第一介電電極及該第二介電電極是可控制的以便調整在該波導結構內的一電場。
TW110103310A 2020-01-29 2021-01-28 低損耗高效光子相移器 TWI782404B (zh)

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