本發(fā)明涉及量子相位編碼技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于硅基集成波導(dǎo)的相位編碼裝置。

背景技術(shù)：

量子信息技術(shù)起源于上世紀(jì)80年代，主要分為量子通信和量子計(jì)算兩大研究方向。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于經(jīng)典信息的加密技術(shù)由于其底層基本原理的局限性，存在著固有的安全隱患。量子保密通信因?yàn)榱孔恿W(xué)的基本定律，具有物理上的無(wú)條件的安全性。因此，量子密鑰分發(fā)技術(shù)(quantumkeydistribution，qkd)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

量子密鑰分發(fā)技術(shù)的前提是制備量子比特。一個(gè)量子比特利用的編碼空間為二維希爾伯特空間，其常用的編碼方式主要有偏振編碼以及相位編碼?，F(xiàn)在常用的相位編碼的量子密鑰分發(fā)方案，多采用傳統(tǒng)分立的光學(xué)元器件通過(guò)光纖熔接等技術(shù)搭建而成，具有體積大、批量可生產(chǎn)性差、系統(tǒng)穩(wěn)定性不足、成本較高等缺點(diǎn)。近年來(lái)，隨著新興的硅基光子芯片集成技術(shù)的不斷發(fā)展，硅基的集成光子芯片在相干光通信、短距離光通信等領(lǐng)域已經(jīng)逐漸進(jìn)入商用化，技術(shù)越來(lái)越成熟。硅基光子器件由于與cmos工藝的兼容性，具有可大規(guī)模生產(chǎn)、成本低、性能可靠等優(yōu)越性；但是傳統(tǒng)的相位編碼裝置采用的干涉儀其長(zhǎng)臂大都采用普通的硅波導(dǎo)或是光纖，而硅波導(dǎo)或是光纖光損耗較大，致使相位編碼裝置生成的量子比特效率降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種基于硅基集成波導(dǎo)的相位編碼裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中相位編碼裝置采用的干涉儀其長(zhǎng)臂大都采用普通的硅波導(dǎo)或是光纖，而硅波導(dǎo)或是光纖光損耗較大，致使相位編碼裝置生成的量子比特效率降低的技術(shù)問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于硅基集成波導(dǎo)的相位編碼裝置，包括單光子發(fā)射源，所述單光子發(fā)射源通過(guò)硅波導(dǎo)連接前端耦合器的輸入端，所述前端耦合器的輸出端分別連接有長(zhǎng)臂波導(dǎo)單元以及短臂波導(dǎo)單元，所述長(zhǎng)臂波導(dǎo)單元以及短臂波導(dǎo)單元的輸出端分別連接一后端耦合器，所述長(zhǎng)臂波導(dǎo)單元包括第一耦合器、延時(shí)波導(dǎo)以及第二耦合器，所述第一耦合器通過(guò)硅波導(dǎo)連接前端耦合器的輸出端，所述第一耦合器通過(guò)延時(shí)波導(dǎo)連接第二耦合器，所述第二耦合器通過(guò)硅波導(dǎo)連接后端耦合器的輸入端，所述短臂波導(dǎo)單元采用硅波導(dǎo)連接前端耦合器的輸出端以及后端耦合器的輸入端，所述長(zhǎng)臂波導(dǎo)單元和/或短臂波導(dǎo)單元上設(shè)置有相位調(diào)制器，所述硅波導(dǎo)以及延時(shí)波導(dǎo)制作在硅基上。

優(yōu)選地，所述延時(shí)波導(dǎo)為低損耗硅波導(dǎo)、氧化硅波導(dǎo)、sion波導(dǎo)、si3n4波導(dǎo)以及聚合物波導(dǎo)中的一種或是組合。

優(yōu)選地，所述延時(shí)波導(dǎo)的外形包括條形、脊形、圓形或者扁平型。

優(yōu)選地，所述短臂波導(dǎo)單元上設(shè)置有可調(diào)衰減器。

優(yōu)選地，所述前端耦合器與后端耦合器采用3db耦合器。

優(yōu)選地，所述低損耗硅波導(dǎo)的制造過(guò)程為將硅波導(dǎo)經(jīng)過(guò)氫氣退火或熱氧化進(jìn)行處理，降低硅波導(dǎo)的側(cè)壁粗糙度。

優(yōu)選地，所述氧化硅波導(dǎo)、sion波導(dǎo)、si3n4波導(dǎo)的制造過(guò)程為利用化學(xué)氣相沉積法將材料沉積在硅基芯片上，再利用紫外光刻工藝形成延時(shí)波導(dǎo)的掩膜圖形，最后利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕工藝將掩膜圖形轉(zhuǎn)移到沉積的材料上形成延時(shí)波導(dǎo)。

優(yōu)選地，所述聚合物波導(dǎo)的制造過(guò)程為將聚合物材料通過(guò)甩膠工藝均勻旋涂在硅基芯片上，再利用光刻工藝或者納米壓印工藝形成聚合物材料的延時(shí)波導(dǎo)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果：

本發(fā)明的基于硅基集成波導(dǎo)的相位編碼裝置，將干涉儀的長(zhǎng)臂延時(shí)部分采用延時(shí)波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，延時(shí)波導(dǎo)具有低損耗特性，解決了普通硅波導(dǎo)做時(shí)延損耗大的問(wèn)題，在一定程度上提高了編碼裝置的量子比特生成效率，另外，本發(fā)明將硅波導(dǎo)以及延時(shí)波導(dǎo)集成在同一片光子芯片上，相對(duì)于傳統(tǒng)分立元件相位編碼編碼裝置具有封裝簡(jiǎn)單，電學(xué)控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于硅基集成波導(dǎo)的相位編碼裝置的原理框圖。

圖中：?jiǎn)喂庾影l(fā)射源1，硅波導(dǎo)2，前端耦合器3，長(zhǎng)臂波導(dǎo)單元4，短臂波導(dǎo)單元5，后端耦合器6，第一耦合器7，延時(shí)波導(dǎo)8，第二耦合器9，相位調(diào)制器10，可調(diào)衰減器11。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行清楚、完整地描述。

如圖1所示，一種基于硅基集成波導(dǎo)的相位編碼裝置，包括單光子發(fā)射源1，所述單光子發(fā)射源1通過(guò)硅波導(dǎo)2連接前端耦合器3的輸入端，所述前端耦合器3的輸出端分別連接有長(zhǎng)臂波導(dǎo)單元4以及短臂波導(dǎo)單元5，其中前端耦合器3可根據(jù)長(zhǎng)臂波導(dǎo)的損耗情況進(jìn)行耦合功率分配選擇，若是長(zhǎng)臂波導(dǎo)的光損耗較大時(shí)，需耦合器3將較大部分光功率耦合至長(zhǎng)臂波導(dǎo)，使長(zhǎng)臂與短臂中的光功率匹配，所述長(zhǎng)臂波導(dǎo)單元4以及短臂波導(dǎo)單元5的輸出端分別連接一后端耦合器6，所述前端耦合器3與后端耦合器6均可采用3db耦合器，所述長(zhǎng)臂波導(dǎo)單元4包括第一耦合器7、延時(shí)波導(dǎo)8以及第二耦合器9，所述第一耦合器7通過(guò)硅波導(dǎo)2連接前端耦合器3的輸出端，所述第一耦合器7通過(guò)延時(shí)波導(dǎo)8連接第二耦合器9，所述第二耦合器9通過(guò)硅波導(dǎo)2連接后端耦合器6的輸入端，所述短臂波導(dǎo)單元5采用硅波導(dǎo)2連接前端耦合器3的輸出端以及后端耦合器6的輸入端，所述長(zhǎng)臂波導(dǎo)單元4和/或短臂波導(dǎo)單元5上設(shè)置有相位調(diào)制器10，所述硅波導(dǎo)2以及延時(shí)波導(dǎo)8通過(guò)半導(dǎo)體工藝制作在硅基上，所述硅基可采用硅基芯片。所述相位調(diào)制器10采用硅的pn結(jié)結(jié)構(gòu)，其光波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)為脊形，其pn結(jié)的摻雜結(jié)構(gòu)包括但不限于為pin型、反向pn型、mos結(jié)構(gòu)型。通過(guò)外接電壓驅(qū)動(dòng)改變pn結(jié)的載流子分布，進(jìn)而改變摻雜區(qū)硅波導(dǎo)的折射率達(dá)到改變amzi(不等臂干涉環(huán))兩臂相位差的目的。相位調(diào)制器的響應(yīng)速度為亞納秒級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)相位的高速調(diào)整。

所述延時(shí)波導(dǎo)8為低損耗硅波導(dǎo)、氧化硅波導(dǎo)、sion波導(dǎo)、si3n4波導(dǎo)以及聚合物波導(dǎo)中的一種或是組合。所述的延時(shí)波導(dǎo)8的功能是提供光的延時(shí)，其采用為低損耗的波導(dǎo)，單位長(zhǎng)度的損耗要顯著低于普通硅波導(dǎo)。例如，如表一所示，普通硅波導(dǎo)的損耗為2-3db/cm，而利用氧化硅材料制作的延時(shí)波導(dǎo)8的損耗只有0.02db/cm，損耗約為普通硅波導(dǎo)的1/100。延時(shí)波導(dǎo)8的材料包括硅、氧化硅、sion、si3n4、聚合物(polymer)等。采用硅材料制作的延時(shí)波導(dǎo)8，需要將硅波導(dǎo)經(jīng)過(guò)氫氣退火或熱氧化等特殊工藝來(lái)處理，降低硅波導(dǎo)的側(cè)壁粗糙度，以改善波導(dǎo)的損耗。采用氧化硅、sion、si3n4材料制作的延時(shí)波導(dǎo)8，首先需要利用化學(xué)氣相沉積法(例如pecvd或lpcvd)將材料沉積在硅基芯片上，再利用紫外光刻工藝形成延時(shí)波導(dǎo)8的掩膜圖形，最后利用icp(感應(yīng)耦合等離子刻蝕)刻蝕工藝將掩膜圖形轉(zhuǎn)移到沉積的材料上形成延時(shí)波導(dǎo)8。采用聚合物制作延時(shí)波導(dǎo)8時(shí)，一般需要將聚合物材料通過(guò)甩膠工藝均勻旋涂在硅基芯片上，再利用光刻工藝或者納米壓印等工藝形成聚合物材料的延時(shí)波導(dǎo)8。延時(shí)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)包括條形、脊形、圓形、扁平型等。

另一種實(shí)施例中，所述短臂波導(dǎo)單元5上設(shè)置有可調(diào)衰減器11，所述可調(diào)衰減器11可將經(jīng)過(guò)短臂中的光信號(hào)衰減至與長(zhǎng)臂中的一致，可降低對(duì)延時(shí)波導(dǎo)8低損耗的要求。

所述的第一耦合器7提供硅波導(dǎo)2和延時(shí)波導(dǎo)8的光學(xué)耦合，第二耦合器9提供延時(shí)波導(dǎo)8和硅波導(dǎo)2的光學(xué)耦合。第一耦合器7和第二耦合器9的結(jié)構(gòu)包括絕熱波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)、倒錐形耦合結(jié)構(gòu)、倏逝波耦合結(jié)構(gòu)。

所述的硅波導(dǎo)2采用單模波導(dǎo)，硅波導(dǎo)2的形狀包括條形、脊形或狹縫形。

其中，量子比特相位編碼實(shí)現(xiàn)方式為：利用位于長(zhǎng)臂波導(dǎo)單元4和/或短臂波導(dǎo)單元5上相位調(diào)制器10，在兩臂上隨機(jī)加載4種不同相位差(0，π/2，π，3π/2)，實(shí)現(xiàn)輸出4種不同的相位態(tài)。其中0，π為一組正交基，π/2，3π/2為另一組正交基；在接收方，分別取0，π/2與這兩組基匹配。

綜合本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與原理可知，本發(fā)明的基于硅基集成波導(dǎo)的相位編碼裝置，將干涉儀的長(zhǎng)臂延時(shí)部分采用延時(shí)波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，延時(shí)波導(dǎo)具有低損耗特性，解決了普通硅波導(dǎo)做時(shí)延損耗大的問(wèn)題，在一定程度上提高了編碼裝置的量子比特生成效率，另外，本發(fā)明將硅波導(dǎo)以及延時(shí)波導(dǎo)集成在同一片光子芯片上，相對(duì)于傳統(tǒng)分立元件相位編碼編碼裝置具有封裝簡(jiǎn)單，電學(xué)控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。