基于量子点-双模腔耦合系统的全光逻辑器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及全光逻辑器件领域，特别涉及一种基于量子点-双模腔耦合系统的全 光逻辑器件。
【背景技术】
[0002] 以全光信息处理为基础的超高速全光通信网络具有低能源消耗、大网络容量、高 网络灵活性和可靠性等优点，成为推动新型网络发展的重要力量。同时在量子信息处理、量 子网络等应用中少数少光子层次上的全光开关和全光逻辑器件也吸引了人们的注意，成为 近年来的研究热点。
[0003] 光与物质的非线性相互作用是设计复杂光子器件的物理基础。传统非线性作用需 要较强的光强，不利于光子系统集成。对于少光子层次，理论上需要利用腔量子电动力学在 全量子框架下研究光与物质的相互作用，分析耦合系统的量子态和非线性光学特性。实际 制备中，微纳光子器件作为解决全光处理中器件集成化的关键而受到广泛关注。现阶段，基 于量子点-微腔的耦合体系在量子通信、量子计算、量子光源等领域具有重大的应用潜力， 成为少光子层次器件的一个主要组成部分。
[0004] 量子点是在三个维度上都受限、尺度在纳米量级的半导体材料，由于具备类似原 子的分立能级结构又被称为"人工原子"。利用外延方式生长的量子点表现出了明亮发射、 低温下较好的稳定性和有限寿命的频谱宽度、非常小的时间关联函数和非常宽的波长范围 (紫外到红外）等优良性质，非常适合制备量子光源。与此同时，若量子点与光波导器件和 微腔的空间光场模式親合，则可通过Puree11效应来增加自发光福射效率。
[0005] 近年来，主要的研究工作集中量子点-单模微腔耦合体系，并基于此设计、制备单 光子和双光子纠缠源。单模腔只能容纳一个光学模式，即量子点只能在共振频率与单一的 偏振模式耦合，系统内的相互作用相对固定、简单，导致不易设计实现复杂功能的光子器 件。同时，量子点-单模腔在控制上，往往采用不易集成的外加磁场来实现，无法实现全光 的逻辑器件。
[0006] 因此如何实现全光逻辑控制，成为集成光子回路及全光计算亟待解决的关键科学 问题。
【发明内容】
[0007] 本发明实施例公开了一种基于量子点-双模腔耦合系统的全光逻辑器件，以实现 全光逻辑控制。技术方案如下：
[0008] -种基于量子点-双模腔耦合系统的全光逻辑器件，包括：两个具有延时器件的 光波导、量子点-双模微腔、第一模式光子探测器和第二模式光子探测器；
[0009] 其中，第一光波导的延时器件具有第一延时参数Atl，第二光波导的延时器件具 有第二延时参数At2 ;且第一延时参数与第二延时参数之间的差值为预先根据试验结果 设置的特定时延值At;
[0010] 所述第一光波导，用于将从第一输入端口接收的第一输入光信号输入至量子 点-双模微腔；所述第一输入光信号为与量子点-双模微腔的第一模式光信号具有相同偏 振和波长的脉冲激光；
[0011] 所述第二光波导，用于将从第二输入端口接收的第二输入光信号输入至量子 点-双模微腔；所述第二输入光信号为与量子点-双模微腔的第二模式光信号具有相同偏 振和波长的脉冲激光；
[0012] 所述第一模式光子探测器，用于探测量子点-双模微腔输出的响应信号中的第一 模式光子，所述第二模式光探测器，用于探测量子点-双模微腔输出的响应信号中的第二 模式光子；
[0013] 当第一输入光信号输入至第一光波导的时刻与第二输入光信号光输入至第二光 波导的时刻相同时，所述第一模式光子探测器或第二模式光子探测器探测出延时参数小的 光波导输入的光信号；
[0014] 当仅有第一输入光信号输入至第一光波导，或仅有第二输入光信号输入至第二光 波导时，所述第一模式光子探测器和第二模式光子探测器均探测出光信号。
[0015] 较佳地，所述预先根据试验结果设置的特定时延值△t，由如下公式确定：
[0016] Δt= -4. 3X10 4 (g/2Jr) 3+0· 0492 (g/2Jr) 2-2· 18 (g/2Jr) +38. 5 ;
[0017] 其中，g为所述量子点-双模微腔的点-腔耦合强度，△t和g单位分别为ps和 GHz〇
[0018] 较佳地，所述第一输入端口作为信号的输入端口，第二输入端口作为光开关的控 制端口；且第一延时参数小于第二延时参数特定时延值At;与控制端口接收的光信号模 式对应的光子探测器的输出端作为光开关的输出端；
[0019] 当控制端口无输入信号时，所述光开关的输出端输出信号；当控制端口有输入信 号时，所述光开关的输出端无输出信号；
[0020] 所述光开关的开关比在20〈g/2 31〈40范围内，数值大于12dB。
[0021] 较佳地，所述的第一输入端口和第二输入端口中，一个输入端口作为逻辑非门的 输入端口，另一个输入端口作为逻辑非门的控制端口，控制光超前于信号光，超前量为所述 的特定时延At;与控制端口接收的光信号模式对应的光子探测器的输出端作为逻辑非门 的输出端。
[0022] 较佳地，所述的第一光波导的延时器件为第一延时参数Δtl可调的延时器件；所 述第二光波导的延时器件为第二延时参数At2可调的延时器件。
[0023] 另一种基于量子点-双模腔耦合系统的全光逻辑器件，包括：两个偏振分束器、五 个不具有延时器件的光波导、三个量子点-双模微腔、第一模式光子探测器和第二模式光 子探测器；
[0024] 所述第一偏振分束器，用于接收第一输入端口输入的第一输入光信号；当第一输 入光信号为与量子点-双模微腔的第一模式光信号具有相同偏振和波长的脉冲激光时，将 第一输入光信号输入至第一量子点-双模微腔；当第一输入光信号为与量子点-双模微腔 的第二模式光信号具有相同偏振和波长的脉冲激光时，将第一输入光信号输入至第一光波 导；
[0025] 所述第一量子点-双模微腔，用于通过第四光波导将响应信号中的第一模式光信 号输入至第三量子点-双模微腔；
[0026] 所述第一光波导，用于将第二模式光信号输入至第三光波导；
[0027] 所述第三光波导，用于将从第一光波导接收的第二模式光信号输入至第一量子 点-双模微腔；
[0028] 所述第二偏振分束器，用于接收第二输入端口输入的第二输入光信号；当第二输 入光信号为与量子点-双模微腔的第一模式光信号具有相同偏振和波长的脉冲激光时，将 第二输入光信号输入至第二光波导；当第二输入光信号为与量子点-双模微腔的第二模式 光信号具有相同偏振和波长的脉冲激光时，将第二输入光信号输入至第二量子点-双模微 腔；
[0029] 所述第二光波导，用于将第一模式光信号输入至第三光波导；
[0030] 所述第三光波导，还用于将从第二光波导接收的第一模式光信号输入至第二量子 点-双模微腔；
[0031] 所述第二量子点-双模微腔，用于通过第五光波导将响应信号中的第二模式光信 号输入至第三量子点-双模微腔；
[0032] 所述第三量子点-双模微腔与第一模式光子探测器和第二模式光子探测器相连；
[0033] 所述第一模式光子探测器，用于探测量子点-双模微腔输出的响应信号中的第一 模式光子，所述第二模式光探测器，用于探测量子点-双模微腔输出的响应信号中的第二 模式光子；
[0034] 所述三个量子点-双模微腔，在量子点-双模微腔输入的光信号仅有一种模式光 信号时，输出的该种模式响应光信号对输出的另一种模式的响应光信号具有相同的特定时 延值Δt;
[0035] 当第一输入信号光与第二输入信号光不同，且第一输入信号光输入至第一偏振分 束器的时刻与第二输入信号光输入至第二偏振分束器的时刻相同时，所述第一模式光子探 测器和第二模式光子探测器均探测出光信号；
[0036] 当第一输入信号光与第二输入信号光相同，且第一输入信号光输入至第一偏振分 束器的时刻与第二输入信号光输入至第二偏振分束器的时刻相同时，仅与输入光信号对应 的第一模式光子探测器或第二模式光子探测器探测出光信号。
[0037] 较佳地，所述的第一输入端口和第二输入端口作为逻辑与门或者逻辑或门的输入 端；
[0038] 所述第一模式光子探测器的输出端作为逻辑或门的输出端；
[0039] 所述第二模式光子探测器的输出端作为逻辑与门的输出端。
[0040] 本申请发明人通过计算分析和数值验证得到，对于量子点-双模微腔，当一个模 式的激励相对于另一个模式的激励有个特定的时延时，滞后的激励响应有消除的效应。本