[发明专利]光子晶体定向耦合波导分束器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种用于量子信息科学应用的光子晶体定向耦合波导分束器。

背景技术

量子信息科学近年来得到了人们的广泛关注，它通过量子体系的独有性质对计算、编码、信息处理、信息传输等进行了新的阐释。量子信息科学是量子物理和信息技术相结合发展起来的新学科，它是以量子的独特性质对计算、编码、信息传输等进行新的阐释。量子信息科学的兴起和发展为物理学、信息科学等科学领域注入了新的活力，可以说量子信息科学是未来几十年来最具发展前景、最有生命力的科学。

自从Knill(2001)等提出利用线性光学元件实现量子计算的方案以后，越来越多的小组开始关注利用线性光学元件和光子进行量子信息处理，并取得一些重大的成果。但利用光子系统的大多数量子操纵的实现都是用体积较大的光学元件(厘米尺度的镜片和分光镜)在尺寸更大、抗震性强的光学平台上进行，由于其尺寸大、稳定性差，而且不利于实际应用等缺点。因此，发展小型化、可集成化量子芯片是量子信息处理技术应用的关键。2008年，英国的O’Brien小组通过波导结构率先实现了线性光学元件的集成化，在尺寸为70mm×3mm硅波导量子芯片上成功实现了双光子量子干涉和量子逻辑门操作的实验测量，并且在相应的芯片中进行了路径编码的多光子纠缠态的操控、量子算法的模拟、多模量子干涉和量子态产生、操纵和测量一体化。随后他们在铌酸锂波导芯片中实现了路径和偏振编码的快速操纵。他们的工作很快就引起了许多研究小组的极大兴趣，英国的Walmsley小组在利用激光直写制作的相位可调马赫曾德尔干涉仪中实现了双光子量子干涉和双光子MOON态干涉。意大利的Mataloni小组在硼硅酸盐波导芯片中实现了偏振量子纠缠实验和量子逻辑门操作。另外，国内南京大学的祝世宁小组也在纠缠光源集成方面做出了出色的工作。

尽管许多小组在半导体波导量子芯片中已取得重大突破，但硅波导尺寸主要集中在毫米甚至厘米量级，不利于大规模集成光路的发展，成为多功能小型化光量子器件集成发展的一个瓶颈。自1987年美国科学家E.Yablonovitch和S.John提出了光子晶体的概念，光子晶体因其具有光子带隙、自准直、负折射等特性，为基于光子晶体的功能性器件的设计提供了开放的广阔平台。比如，基于光子晶体设计的低阈值甚至无阈值光子晶体缺陷腔激光器、高效传输的光子晶体波导、任意分束比例的光子晶体分束器，已经在理论和实验上得到了验证，一系列微纳尺寸的光子晶体功能器件的出现，以及它们在光子晶体这一平台上的融合，为将来小型化、高密度集成的芯片级的设计提供了可能，为量子芯片的发展注入了蓬勃动力。

本发明提出了基于光子晶体的耦合分束器。光子晶体作为一种介电常数呈周期或者准周期分布的人工材料，具有光子禁带、负折射、自准直等诸多独特的物理特性，能够在微纳尺寸实现光的调控，同时可以作为未来光通信的一个多元化、易拓展的平台。因而基于光子晶体设计的量子芯片，实现耦合分束器具有非常重要的现实意义，拓展了量子芯片的设计空间，为量子芯片的进一步发展夯实了基础。

光子晶体具有光子带隙，频率落在带隙中的光无法在光子晶体中传播。通过在有光子带隙中的光子晶体中引入缺陷结构，相应的可以在光子禁带中引入缺陷模式。例如在有光子禁带的光子晶体中引入点缺陷，形成缺陷腔，可以用于设计低阈值、甚至无阈值激光器；例如在有光子禁带的光子晶体中引入线缺陷，形成线缺陷波导，可以用于设计高效传导的、无损弯折的光波导。

基于光子晶体波导，利用波导之间的耦合，本发明设计了光子晶体波导耦合分束器，用于光的传输和分束。本文设计的光子晶体波导定向耦合器是首次提出基于光子晶体的量子芯片的设计，此外我们还实验制作了相关的器件，证明了基于光子晶体的微纳量子芯片实验制作的可行性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于量子信息科学应用的光子晶体定向耦合波导分束器，以克服传统波导面积较大、传输效率低和反射较大等问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种光子晶体定向耦合波导分束器，包括：光子晶体波导耦合分束器，用于实现光的50/50分束；渐变耦合波导，用于实现输入波导和光子晶体波导耦合分束器之间的高效耦合；以及弯折波导，用于实现横向输入波导和斜向输入波导之间的连接。