[发明专利]具有应变诱导电光材料的集成的微波到光单光子换能器

说明书

换能器及其制造方法包括具有腔的衬底，该腔具有支持输入信号的频率处的回音壁模式的直径。腔中的聚焦结构聚焦输入信号的电场。直接位于聚焦结构下方的谐振器具有晶体结构，当暴露于电场时，该晶体结构产生电光效应。输入信号的电场通过电光效应调制谐振器中的输出信号。

背景技术

技术领域

本发明涉及微波和光域之间的转换，更具体地涉及将单光子微波信号转换为光信号的换能器。

相关技术的说明

多种通信协议依赖于光纤，因为光纤具有低损耗、高带宽、低背景噪声以及易于布线。光纤还可用于以单光子或相干态的形式发送量子信息。另一方面，许多可行的量子处理架构在微波频率处工作。微波结构的高振幅稳定性允许精确控制量子比特(quantum bit，qubit)，从而实现高保真门操作。然而，由于当这些信号在波导中传播时的高热背景噪声和高损耗，微波光子更难以用于远程通信目的。

在微波信号和光信号之间转换的现有方法是复杂的，其难以在固态系统中实现，或者难以优化。一些现有的换能器使用电光晶体光谐振器来执行微波到光转换。使用这种谐振器的问题之一是其他共存的非线性特性，例如热电和压电，阻碍了微波谐振器的微制造过程。另一个问题是微制造同样可能会污染晶体电光光谐振器并降低品质因数。这些谐振器还具有高微波损耗并且难以在低温下对准。

因此，本领域中需要解决上述问题。

发明内容

从第一方面看，本发明提供了一种换能器，包括：具有腔的衬底，所述腔具有支持输入信号频率处的回音壁模式的直径；腔中的聚焦结构，被配置为聚焦输入信号的电；和直接在聚焦结构下面的谐振器，具有当暴露于电场时产生电光效应的晶体结构，其中输入信号的电场通过电光效应调制谐振器中的输出信号。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于形成换能器的方法，包括：在第一衬底上制造谐振器，以第一频率谐振，通过在谐振器材料上沉积应变材料以在暴露于电场时应变谐振器材料的晶体结构以产生电光效应；制造具有腔的第二衬底，所述腔具有支持第二频率处的回音壁模式的直径；在第一衬底上对齐第二衬底，使得微波腔中的聚焦结构与光谐振器对齐。

从另一方面来看，本发明提供了一种量子计算设备，包括：量子比特，被配置为以第一频率提供第一信号；和本发明的换能器。

换能器包括具有腔的衬底，该腔具有支持输入信号频率处的回音壁模式的直径。腔中的聚焦结构聚焦输入信号的电场。直接位于聚焦结构下方的谐振器具有晶体结构，当暴露于电场时，该晶体结构产生电光效应。输入信号的电场通过电光效应调制谐振器中的输出信号。

量子计算设备包括量子比特，其被配置为以第一频率提供第一信号。一种耦合到量子比特的换能器，包括具有圆柱形腔的衬底，该圆柱形腔具有支持第一频率处的回音壁模式的直径。腔中有一个中心引脚。谐振器直接位于中心引脚下方。谐振器具有晶体结构，当暴露于电场时该晶体结构产生电光效应。输入信号的电场通过电光效应调制谐振器中第二频率的第二信号。波导光耦合到谐振器并且被配置为将调制的第二信号远离谐振器传送。

一种用于形成换能器的方法包括在第一衬底上制造谐振器，以第一频率谐振，通过在谐振器材料上沉积应变材料以在暴露于电场时应变谐振器材料的晶体结构以产生电光效应。第二衬底被制造为具有腔。腔具有支持第二频率处的回音壁模式的直径。在第一衬底上对齐第二衬底，使得微波腔中的聚焦结构与光谐振器对齐。

通过下面说明性实施例的详细描述，这些和其他特征和优点将变得显而易见，其将结合附图来阅读。

附图说明

本公开将参考以下附图在下面优选实施例的描述中提供细节，其中：

图1是根据本原理的微波到光换能器的截面图；

图2是根据本原理的微波到光换能器的一部分的俯视图；