基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件，該可集成量子行走器件由相互耦合的微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列構(gòu)成，其中，微納波導(dǎo)耦合陣列包括多個(gè)相互平行且等間距排列的條形微納波導(dǎo)，各條形微納波導(dǎo)之間的空氣狹槽構(gòu)成空氣狹槽耦合陣列，微納波導(dǎo)耦合陣列中靠近中間位置的任意一個(gè)條形微納波導(dǎo)作為輸入波導(dǎo)，該輸入波導(dǎo)的輸入端口即為該可集成量子行走器件的輸入端口。本發(fā)明利用基于微納波導(dǎo)與空氣狹槽耦合陣列結(jié)構(gòu)緊湊以及和CMOS工藝兼容等優(yōu)勢(shì)，使光子在小尺寸的集成光學(xué)器件上實(shí)現(xiàn)量子隨機(jī)行走。
【專利說明】基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成光學(xué)技術(shù)和量子信息科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件。
【背景技術(shù)】
[0002]量子信息科學(xué)是利用量子力學(xué)效應(yīng)處理和傳輸信息的新興學(xué)科。量子計(jì)算是量子信息處理的核心，構(gòu)建完善的量子算法已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵，并在近年來得到人們的廣泛關(guān)注。自從上世紀(jì)90年代人們開始研究量子行走以來，量子行走已經(jīng)被用來構(gòu)建全新的量子算法，以及利用量子行走這一理論來對(duì)量子系統(tǒng)的演化進(jìn)行模擬。
[0003]當(dāng)前量子信息實(shí)驗(yàn)研究基于多種物理載體，但基于光子的量子信息處理具有突出的優(yōu)勢(shì)。光子是飛行的量子比特，其傳播速度是光速，不容易受外界干擾，傳播損耗低，適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。2008年英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的Jeremy O’Brien小組率先利用二氧化硅波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的量子邏輯門，開辟了量子信息集成化的新紀(jì)元。目前人們已經(jīng)在絕緣體上的硅(SOI)、鈮酸鋰等光學(xué)芯片上進(jìn)行了簡(jiǎn)單的量子受控非(C-NOT)門、Shor算法、糾纏光子對(duì)的制備和操控等等一系列實(shí)驗(yàn)；特別的，量子行走已在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中得到實(shí)現(xiàn)。
[0004]光子的量子行走本質(zhì)上是一種量子干涉現(xiàn)象。在量子光學(xué)理論中，單光子的量子干涉隨時(shí)間累積的結(jié)果與經(jīng)典光場(chǎng)的干涉行為一致，量子行走的研究表明可用經(jīng)典光場(chǎng)模擬單光子的行走行為，同時(shí)只有多光子行走、干涉(如雙光子干涉)才能表現(xiàn)與眾不同的量子特性?；诠庾拥牧孔有畔?shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，經(jīng)典光學(xué)器件如分束器、耦合器、反射鏡等都可以直接用來進(jìn)行光量子操控?；诖?，可使用經(jīng)典光學(xué)理論設(shè)計(jì)量子行走芯片。
[0005]已有的集成光量子器件都是基于弱限制型普通波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一般尺寸在毫米或百微米量級(jí)，不利于光子集成，且和CMOS工藝不兼容。用于量子隨機(jī)行走的普通波導(dǎo)器件，尺寸也在百微米以上。而基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列量子行走器件，其最大的優(yōu)勢(shì)就是和CMOS工藝相兼容，并且具有小型化有利于集成的優(yōu)勢(shì)。通過合理設(shè)計(jì)微納波導(dǎo)及空氣狹槽的寬度以及間距，微納波導(dǎo)及空氣狹槽芯片集成結(jié)構(gòu)的尺寸比普通波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)集成芯片小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。將條形波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)應(yīng)用于量子行走，可以實(shí)現(xiàn)小尺寸的光量子行走新方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )要解決的技術(shù)問題
[0007]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件，以解決目前已有的集成光量子器件和CMOS工藝不兼容以及體積較大不利于光子集成的問題，實(shí)現(xiàn)一種和當(dāng)前CMOS工藝相兼容并且體積緊湊有利于光子集成的可集成量子行走器件。[0008]( 二)技術(shù)方案
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件，該可集成量子行走器件由相互耦合的微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列構(gòu)成，其中，微納波導(dǎo)耦合陣列包括多個(gè)相互平行且等間距排列的條形微納波導(dǎo)，各條形微納波導(dǎo)之間的空氣狹槽構(gòu)成空氣狹槽耦合陣列，微納波導(dǎo)耦合陣列中靠近中間位置的任意一個(gè)條形微納波導(dǎo)作為輸入波導(dǎo)，該輸入波導(dǎo)的輸入端口即為該可集成量子行走器件的輸入端口。
[0010]上述方案中，所述微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列均為一維陣列。
[0011]上述方案中，所述微納波導(dǎo)耦合陣列中，條形微納波導(dǎo)的長(zhǎng)度為耦合長(zhǎng)度的整數(shù)倍，其中耦合長(zhǎng)度是使光由一個(gè)條形微納波導(dǎo)完全耦合到相鄰條形微納波導(dǎo)所需行走的長(zhǎng)度。
[0012]上述方案中，所述微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列是通過對(duì)半導(dǎo)體材料的表面進(jìn)行刻蝕而形成的。所述半導(dǎo)體材料是折射率大于2的介電材料，至少包括S1、GaAs、InP、GaN、鈮酸鋰或聚合物材料。
[0013]上述方案中，所述微納波導(dǎo)耦合陣列中，各條形微納波導(dǎo)與所述輸入波導(dǎo)的輸出端口同側(cè)的端口，共同作為該可集成量子行走器件的輸出端口。
[0014](三)有益效果
[0015]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0016]1、器件核心區(qū)的尺寸在幾十至幾百微米量級(jí)，比現(xiàn)有普通波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的集成光量子器件小I到2個(gè)量級(jí)。小尺寸的結(jié)構(gòu)更有利于光子集成。
[0017]2、提供了光量子隨機(jī)行走的新方案，即利用微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列結(jié)構(gòu)緊湊以及微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的耦合效率高并和CMOS工藝兼容的優(yōu)勢(shì)，將為隨后設(shè)計(jì)多功能的光子集成芯片帶來益處。
[0018]3、微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)與所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的關(guān)系簡(jiǎn)單明了，針對(duì)不同的輸入波長(zhǎng)，可以簡(jiǎn)單的通過調(diào)整微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的寬度及間距來獲得相應(yīng)的器件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是基于絕緣體上硅(SOI)的三層平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0020]圖2 (a)及圖2 (b)是分析微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)及耦合效果圖；
[0021]圖3(a)是依照本發(fā)明實(shí)施例的基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成十六步光量子行走器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3(b)是依照本發(fā)明實(shí)施例的微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的光量子行走的輸出端能量分布。
[0023]圖3(c)是依照本發(fā)明實(shí)施例的微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的光量子行走的場(chǎng)分布。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明提供的基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件，利用條形微納波導(dǎo)和空氣狹槽等基本單元構(gòu)成耦合陣列，光在耦合陣列中傳導(dǎo)時(shí)經(jīng)過衍射、反射、耦合等過程，同時(shí)發(fā)生干涉，最后輸出特定的干涉圖樣，實(shí)現(xiàn)光子的量子行走。
[0026]如圖3(a)所示，圖3(a)是依照本發(fā)明實(shí)施例的基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件的結(jié)構(gòu)示意圖，該可集成量子行走器件由相互耦合的微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列構(gòu)成，其中，微納波導(dǎo)耦合陣列包括多個(gè)相互平行且等間距排列的條形微納波導(dǎo)，各條形微納波導(dǎo)之間的空氣狹槽構(gòu)成空氣狹槽耦合陣列，微納波導(dǎo)耦合陣列中靠近中間位置的任意一個(gè)條形微納波導(dǎo)作為輸入波導(dǎo)，該輸入波導(dǎo)的輸入端口即為該可集成量子行走器件的輸入端口。
[0027]其中，所述微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列均為一維陣列。所述微納波導(dǎo)耦合陣列中，條形微納波導(dǎo)的長(zhǎng)度為耦合長(zhǎng)度的整數(shù)倍，其中耦合長(zhǎng)度是使光由一個(gè)條形微納波導(dǎo)完全耦合到相鄰條形微納波導(dǎo)所需行走的長(zhǎng)度。所述微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列是通過對(duì)半導(dǎo)體材料的表面進(jìn)行刻蝕而形成的。所述半導(dǎo)體材料是折射率大于2的介電材料，至少包括S1、GaAs、InP、GaN、鈮酸鋰或聚合物材料。所述微納波導(dǎo)耦合陣列中，各條形微納波導(dǎo)與所述輸入波導(dǎo)的輸出端口同側(cè)的端口，共同作為該可集成量子行走器件的輸出端口。
[0028]如圖3(a)所示，在該可集成量子行走器件中，相互耦合的微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列作為耦合區(qū)，輸入端口為微納波導(dǎo)耦合陣列中靠近中間位置的任意一個(gè)條形微納波導(dǎo)的輸入端口，輸出端口由各條形微納波導(dǎo)與輸入波導(dǎo)的輸出端口同側(cè)的端口共同構(gòu)成。
[0029]在本實(shí)施例中，條形微納波導(dǎo)的高度一般為半波長(zhǎng)量級(jí)，以保證其中導(dǎo)波模式為襯底-薄板-蓋層組成的三層平板波導(dǎo)的基膜。
[0030]圖1示出了本發(fā)明中所采用的一種基于絕緣體上的硅(SOI)的三層平板結(jié)的z_y截圖，X方向?yàn)槲⒓{波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的方向。三層平板的底層為二氧化硅層，薄板層為340納米厚的頂硅層，蓋層為空氣。所述微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列是采用CMOS工藝，如結(jié)合電子束曝光和ICP刻蝕技術(shù)，通過對(duì)頂硅層進(jìn)行刻蝕形成，由刻蝕頂硅層形成的一維微納波導(dǎo)及微納波導(dǎo)間的空氣狹槽耦合而形成微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列。此處采用的SOI結(jié)構(gòu)只是最為常用的一種材料結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)指出，微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列量子行走器件所基于的材料平臺(tái)不限于此。
[0031]參照?qǐng)D2(a)，展示了為了分析耦合長(zhǎng)度所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，微納波導(dǎo)的參數(shù)與微納波導(dǎo)耦合陣列及空氣狹槽耦合陣列中的參數(shù)均相同。分析耦合長(zhǎng)度所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)包括沿X方向構(gòu)造的兩個(gè)微納波導(dǎo)和一個(gè)空氣狹槽。
[0032]參照?qǐng)D2(b)，展示了兩個(gè)微納波導(dǎo)及一個(gè)空氣狹槽結(jié)構(gòu)對(duì)入射光的場(chǎng)分布及效率。
[0033]參照?qǐng)D3 (a)，展示了由微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列構(gòu)成的十六步光量子行走器件示意圖。
[0034]參照?qǐng)D3(b)，展示了微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的光量子行走的輸出端能量分布。[0035]參照?qǐng)D3(c)，展示了微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的光量子行走的場(chǎng)分布。
[0036]實(shí)施例1
[0037]圖2(a)所示為沿X方向構(gòu)建的用于分析耦合長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)微納波導(dǎo)和之間的空氣狹槽?？諝猹M槽寬為80納米，微納波導(dǎo)寬為400納米。介質(zhì)材料采用硅，其折射率為3.464。波長(zhǎng)為1.55微米的光從下側(cè)入射端口輸入，圖2(b)為分布之后的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布，在輸出端口 I和2分別為0.79%和93.7%。故耦合長(zhǎng)度為10.22微米。
[0038]圖3 (a)所示為沿X方向排列的微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列，考慮到本發(fā)明所涉及的為一種基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的量子行走新方案，只需證明微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列可用于量子隨機(jī)行走，即可獲得明顯的量子隨機(jī)行走的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布和端面場(chǎng)分布。故設(shè)計(jì)微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的長(zhǎng)度為十六倍的耦合長(zhǎng)度，即提供十六步的量子行走。這樣即可獲得比較明顯的量子隨機(jī)行走穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布和端面場(chǎng)分布。若只提供八步的量子行走，那相應(yīng)的微納波導(dǎo)和空氣狹槽耦合陣列沿X和z方向的維度都會(huì)減半。如圖3(a)中提供十六步量子行走的器件整體尺寸為58X164平方微米。如果只行走八步，器件尺寸則可以縮小到29X82平方微米。
[0039]采用有效折射率近似的方法(對(duì)于圖1中的結(jié)構(gòu)，有效折射率為3.1)，將真實(shí)的結(jié)構(gòu)近似為二維結(jié)構(gòu)，然后使用二維時(shí)域有限差分方法(FDTD)對(duì)所設(shè)計(jì)器件的性能進(jìn)行模擬，得到器件中的穩(wěn)態(tài)經(jīng)典場(chǎng)分布和輸出端經(jīng)典光場(chǎng)強(qiáng)度沿垂直出射方向(X方向)的分布，亦即輸出端經(jīng)典干涉圖樣)，結(jié)果見圖3的(b)圖和(c)圖。模擬結(jié)果證實(shí)了器件具有經(jīng)典光場(chǎng)干涉功能，因此也能使量子態(tài)光子在其中發(fā)生干涉，可用于光子量子行走的研究與應(yīng)用.[0040]本實(shí)施例中所示的干涉圖樣(圖3中的(C))為連續(xù)的光強(qiáng)分布，是一種連續(xù)量子行走結(jié)果。也可將輸出波導(dǎo)離散化，例如將圖3(a)中的輸出波導(dǎo)從左到右依次編號(hào)(1-61)，然后將每一波導(dǎo)中的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于相應(yīng)編號(hào)并離散化，就得到了離散量子行走的結(jié)果O
[0041]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件，其特征在于，該可集成量子行走器件由相互耦合的微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列構(gòu)成，其中，微納波導(dǎo)耦合陣列包括多個(gè)相互平行且等間距排列的條形微納波導(dǎo)，各條形微納波導(dǎo)之間的空氣狹槽構(gòu)成空氣狹槽耦合陣列，微納波導(dǎo)耦合陣列中靠近中間位置的任意一個(gè)條形微納波導(dǎo)作為輸入波導(dǎo)，該輸入波導(dǎo)的輸入端口即為該可集成量子行走器件的輸入端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件，其特征在于，所述微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列均為一維陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件，其特征在于，所述微納波導(dǎo)耦合陣列中，條形微納波導(dǎo)的長(zhǎng)度為耦合長(zhǎng)度的整數(shù)倍，其中耦合長(zhǎng)度是使光由一個(gè)條形微納波導(dǎo)完全耦合到相鄰條形微納波導(dǎo)所需行走的長(zhǎng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件，其特征在于，所述微納波導(dǎo)耦合陣列和空氣狹槽耦合陣列是通過對(duì)半導(dǎo)體材料的表面進(jìn)行刻蝕而形成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料是折射率大于2的介電材料，至少包括S1、GaAs、InP、GaN、鈮酸鋰或聚合物材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納波導(dǎo)及空氣狹槽耦合陣列的可集成量子行走器件，其特征在于，所述微納波導(dǎo)耦合陣列中，各條形微納波導(dǎo)與所述輸入波導(dǎo)的輸出端口同側(cè)的端口，共同作為該可集成量子行走器件的輸出端口。
【文檔編號(hào)】G02B6/136GK103955021SQ201410156542
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】鄭婉華, 張瑞, 馮志剛, 王宇飛, 祁帆, 張斯日古楞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所