基于耦合波导实现非线性频率变换的波导芯片的制作方法

本发明涉及集成光学、非线性光学、量子信息技术、非线性材料和光电子技术领域，尤其是用集成光学理论和技术途径来实现新型相位匹配进而实现对多种波导材料都适用的宽调谐参量光和纠缠光子源输出。

背景技术：

相位匹配是非线性光学和量子光学中实现光场频率变换的核心技术[1,2]。对于二阶非线性过程一般采取双折射匹配[3]或者准相位匹配[4]。双折射匹配仅适用于各向异性材料并且需要特定的角度和温度的设计。准相位匹配仅适用于铁电材料，需要引入人工的高压脉冲电场极化技术。对于硅波导等三阶非线性过程，特别是四波混频过程，涉及到四个光场，抽运光场和转换光场的频率一般非常接近，相差几十nm[5,6](具体见5的附件s3计算和6的实验测量)，此时的相位匹配是自动满足的。或者通过改变波导宽度调节群速度，实现很宽范围的相位匹配，可以覆盖几百nm[7]，但是此时需要通过滤波才能选择出特定的波长，这将大大影响频率转换效率。所以说，对于三阶非线性过程，目前还不能实现的离抽运光较远的特定波长的频率转换过程，更不能实现转换光的宽范围调谐。需要注意的是：最近在氮化硅环形波导腔中实现了可见光和通信光这一对相离甚远的纠缠光子对[8]，是通过精心控制环形波导的侧壁粗糙度实现的，较为复杂。所以，无论对于二阶还是三阶材料，都需要引入一种简单的、通用的能够实现参量光场波长调谐的相位匹配方式，从而制备宽调谐的参量光场和纠缠光子源，特别是针对硅基等cmos工艺兼容的三阶材料能够给出宽调谐的相位匹配方式，那么对于降低纠缠光子源的成本、提升量子通信工作波长范围、提升量子计算保真度等具有重要意义，进而可以推动量子信息技术走向实际应用。

参考文献

1r.w.boyd,nonlinearoptics(elsevier,2008)googlebooks-id:uorui1yb7ooc.

2m.m.fejer,nonlinearopticalfrequencyconversion.phys.today47(5),25–32(1994).

3p.a.frankenandj.f.ward,opticalharmonicsandnonlinearphenomena,rev.mod.phys.35,23(1963).

4j.a.armstrong,n.bloembergen,j.ducuing,p.pershan,interactionsbetweenlightwavesinanonlineardielectric,phys.rev.127,1918–1939(1962).

5.j.w.silverstone,etal.,naturephoton.8,104(2013).

6.r.kumar,j.r.ong,m.savanier,s.mookherjea,controllingthespectrumofphotonsgeneratedonasiliconnanophotonicchip,naturecommun.5,5489(2014)

7.m.a.foster,a.c.turner,j.e.sharping,b.s.schmidt,m.lipson,a.l.gaeta,broad-bandopticalparametricgainonasiliconphotonicchip,nature441,960(2006)

8.x.lu,q.li,d.a.westly,g.moille,a.singh,v.anantandk.srinivasan,“chip-integratedvisible–telecomentangledphotonpairsourceforquantumcommunication”,https://doi.org/10.1038/s41567-018-0394-3,nat.phys.(2019)

技术实现要素：

本发明的目的是，解决上述所提到的问题，提出基于耦合波导实现非线性频率变换芯片的波导芯片。利用集成光学的思路和技术来实现相位匹配，进而提升参量光场和纠缠光子源的频率扩展性、可重构性、可调谐性、集成度、稳定性、便携性等。

本发明的技术方案是：基于耦合波导实现非线性频率变换的波导芯片，在二阶和三阶非线性基质材料上加工出波导光路并且一部分区域波导能够有效的耦合，基于波导耦合效应实现非线性过程中的相位匹配从而使得抽运激光能够进行频率转换，并且通过片上波导光路和相位控制器对经典抽运激光的激发模式和波导耦合强度的调节来调控转换光的波长。波导芯片上包含抽运激光操控区域i、产生参量光和纠缠光子的耦合波导区域ii以及对转换光进行操控的区域iii。区域i中抽运激光经由端面耦合或者垂直耦合耦入芯片，经由波导y-分束或定向耦合器等进行分束，然后经由弯曲过渡波导输入两根远离的不耦合的波导。所述远离的两根波导上设有电极，通过施加不同的电压来调节两个波导上的相对相位。远离的两根波导再经由弯曲波导向对方靠近，达到可以有效耦合的距离，进入区域ii。在区域ii中抽运光进行较长距离的充分耦合。

区域ii的两根耦合波导上方也可以施加电压，用来动态调节波导间耦合强度的大小。抽运光和转换光场然后进入区域iii。

在区域iii中先经由弯曲波导进行分离直到不发生耦合，然后在芯片上设计滤波、偏振分束、延迟等波导元件，实现对产生光场的处理。

区域i中两根远离波导的相对相位即抽运激光的激发模式通过施加在两根波导上的电光或者热光效应等完成，区域ii中耦合区域强度通过设置不同的波导间距或者施加电光或热光等效应完成。通过调节抽运激光模式、波导耦合间距、波导尺寸、波导耦合区温度或者电压等外部参数等来改变输出参量光波长，得到大范围可调的参量光场和纠缠光子源。

区域ii中耦合波导区由两根全同并且相互耦合的波导构成，光场在耦合波导中有对称(symmetric)模式和反对称(anti-symmetric)两种本征传播模式，一般情况下表现为两种本征模式的线性叠加，叠加比例可以通过两根波导上的相位控制器调节。对称、反对称模式的传播常数分别为βs＝β+κ，βa＝β-κ。波导耦合区域中的三波和四波非线性过程中的每个光场均是对称模和反对称模的叠加，其相位匹配分别表示βp±κp-βs±κs-βi±κi＝0，2βp±2κp-βs±κs-βi±κi＝0。βp(s,i)是单根波导中的传播常数，κp(s,i)分别是抽运光、信号光和闲置光的耦合系数。κp(s,i)参与相位匹配从而决定了产生转换光场的频率，这是本发明的理论核心。

芯片上发生的非线性过程包含所有的二阶和三阶非线性过程，包含倍频、差频、和频、参量放大、参量振荡、三倍频、四波混频、自发四波混频等过程，产生的转换光包含经典的参量光场和量子的纠缠光子源等。

波导基质材料包括所有三阶非线性材料如硅(si)、氮化硅(sin)、砷化镓(gaas)等以及所有的二阶非线性材料包括铌酸锂(ln)、磷酸钛氧钾(ktp)等。

包含各种基质材料的所有波导加工方法，包括化学交换方法、机械切割方法、化学机械抛光方法、离子束刻蚀、激光直写等方法。

波导中相位的控制区域包含所有的电光、热光等控制方法。

所述的基于耦合波导的非线性频率变换芯片的设置方法，适用于三波和四波非线性过程的各种偏振组合。

本发明的关键是：(1)波导光路中设置波导耦合区域，所述区域中的波导耦合产生新型相位匹配方式，从而引发光场的频率变换，产生原来单根波导中不能产生的转换光波长，(2)调节波导耦合区域间距或者电致耦合强度的改变来产生不同频率的转换光场，(3)通过调节两根远离波导的相对相位来激发不同抽运激光的模式来产生不同频率的转换光场。在二阶和三阶非线性光学材料上加工出波导光路，并且在波导光路中一部分区域含有波导耦合区域，利用光场在耦合区的多次有效耦合产生新型相位匹配，使得抽运激光经过耦合区域后发生频率转换，产生单根波导中不能产生的新频率的参量光场或纠缠光子源。波导芯片内含热光或电光调制器，通过施加电压改变抽运激光的模式以及改变波导间的耦合强度，得到大范围可调谐的转换光，包括经典的参量光场和量子的纠缠光子源等。

有益效果：本发明主要基于波导耦合效应对非线性光学过程的提升以及该效应的普遍适用性：(1)随着微纳加工技术的进步，波导的特征尺寸越来越小，波导间距可以达到几十纳米甚至几纳米，波导间的耦合系数大大提升，可以达到与三波或者四波非线性过程中的波矢失配相比拟的程度；(2)适用于难以进行非线性宽范围非线性频率转换的以硅基为代表的所有三阶非线性光学材料。三阶的四波混频过程中，耦合系数和波矢失配的量级相当，成为实现和演示该效应的良好平台。特别是对于三阶非线性光学材料，目前没有普遍适用的简单的相位匹配方法，一般都是在抽运激光附近进行四波混频，波段难以拓展，该方法可以达大扩展非线性作用的频段，提高波长的可调谐性。(3)可以解决所有二阶非线性过程的相位匹配问题，特别是解决不能双折射相位匹配、不能用周期极化等人工方法进行加工的二阶非线性材料的相位匹配问题。(4)该发明集成了波导上的电光、热光等效应，使得芯片可控制、可配置、集成度高。本发明正是基于以上优点，设计了基于耦合波导的非线性频率变换芯片，提供一种能宽范围调谐参量光场和纠缠光子源频率的波导芯片设置方法。

附图说明

图1为基于耦合波导实现非线性频率变换的波导芯片结构示意图(其中每一区域的功能单元只作简单示意)；

图2为本发明具体实施方式中区域i(左a)和区域ii(右b)中热光调制器的示意图；

图3为本发明具体实施方式中区域ii耦合波导中的对称模式(左a)和反对称模式(右b)；

图4为本发明具体实施方式中耦合波导输出光强随热光调制器电压的变化示意图；

图5为本发明具体实施方式中四波都是对称模式时(ssss)的相位失配量和耦合系数引起动量失配量(耦合波导间距500nm)与波长的依赖关系；

图6为本发明具体实施方式中四波都是对称模式时(ssss)时波导间距为500nm时的输出光子源频谱分布；

图7为本发明具体实施方式中四波都是对称模式时(ssss)时信号和闲置光子波长随波导间距的变化；

图8为本发明具体实施方式中四波都是反对称模式时(aaaa)时信号和闲置光子波长随波导间距的变化。

图9为本发明具体实施方式中四波中抽运激光为反对称模式输出光都是对称模式时(aass)时信号和闲置光子波长随波导间距的变化。

具体实施方式

下面是该发明中的方法和芯片结构的详细说明。参考文献6-8给出了背景和现有技术的基础。以硅材料为例，设置了一种基于硅基耦合波导的宽调谐纠缠光子源产生芯片。芯片上分为经典抽运光的调控(区域i)、波导耦合区域(区域ii)和纠缠光子输出和操控(区域iii)三个区域。区域i是对经典抽运光的处理，主要是对抽运光的分束和相位调制。区域ii是波导耦合区，上下两路中的耦合波导结构将抽运光转化为非简并的纠缠光子源；光子对具有对称和反对称两种本征模式，产生光子对的传播模式与抽运光的传播模式紧密关联。对于在两根波导里的初始相位相同(对称模式s)或者初始相位相反(反对称模式a)的两束抽运光，产生的光子对同时处于对称模式s或者同时处于反对称模式a；而对于一个对称模式的抽运光和一个反对称模式的抽运光，产生的光子对也是分处两个模式。不同传播模式下，光的传播常数与耦合波导的耦合强度κ关联。对称(反对称)模式的传播常数βs/a＝β0±κ。因而κ影响四波混频过程的相位匹配2βp±2κp-βs±κs-βi±κi＝0，通过调节κ可以产生不同频率的双光子源。通过控制抽运光激发模式以及波导耦合区的耦合强度来实现光子源频率的调谐。

我们对图1芯片中各个单元进行标号。芯片主体由硅波导构成，以二氧化硅为缓冲层。在硅基片上制备相位调制光路、耦合波导区域和纠缠光源输出区。芯片和输入光纤1以及输出光纤12、13相连接。经典抽运激光从光纤1输入，纠缠光子从光纤12、13输出。当抽运激光1经由光纤1输入后进入输入波导2。然后被波导y-分束器一分为二，分别进入波导3和4。波导2、3、4都是针对抽运激光波长的单模波导。在波导3上有一个电极5，施加电压v1用来调节两路抽运光之间的相位差，波导4上一般也有一个电极6，但是不接电，用于平衡两路的损耗。波导7、8所在区域是波导耦合区域，波导7和8充分耦合后将抽运光转化为纠缠光子源，波导7、8上方可设置电极9，施加电压v2动态改变耦合强度。之后光子源分成两路，进入平行波导10、11。最后波导10和11分别连接输出光纤12和13。图1中所有波导拐弯实际上都应该用具有一定曲率的弯曲波导实现，这里简化为钝角拐弯作示意。纠缠光子从12、13输出后需要滤除抽运光后进行提取。

实施例1：抽运光和纠缠光源均为te模式，抽运光波长为1550nm，硅波导截面尺寸为500nm×220nm，波导7、8的长度为5mm，芯片上用光相位调制器来调控相位。图2是区域i和区域ii中热光相位调制器的截面图。波导3、4、7、8周围都有二氧化硅缓冲层14。电极5、6在波导3、4上方；电极9均位于波导7、8正上方。通过在电极5杀上施加直流电压加热电阻丝改变硅波导折射率，从而调制抽运光在波导3、4中的相对相位，激发不同的模式。当电极6上施加7v电压可以使得两个抽运光相对相位变化2π，从而使得芯片的两个抽运光子经历对称模式到反对称模式再到对称模式一个完整的变化周期。图3是实施例1给出的两根耦合波导的输出光强随热光调制器电压的变化示意图。随着相位控制器施加不同电压值，输出光强周期变化。图4是模拟500nm×220nm耦合波导下，对称模式和反对称模式下的光强分布示意图。光的传播方向垂直于纸面。对称模式下，波导截面上两侧波导光的电场相位相同；反对称模式下，波导截面上两侧波导光的电场相位相反。

图5是抽运光、信号光和闲置光在一种传播模式组合下即四波都是对称模式时，耦合引起的相位和四波混频的失配之间的对比，两根曲线相交的地方代表了完美的相位匹配，这种新的频率对被激发出来了。

图6是实施例1给出的输出光子源频谱分布，图中远离抽运光频率的光子对是新产生的光子源，这在单根波导四波参量过程中是观测不到的。图7是当四波都处于对称传播模式下，信号光和闲置光的波长随波导间距的变化情况，说明了改变耦合间距确实可以快速的调谐光子源的波长。图5是四波都是对称模式时(ssss)的相位失配量和耦合系数引起动量失配量(耦合波导间距500nm)与波长的依赖关系，两种线性的交点处就是指相位匹配的波长。和单根波导中的非线性过程比较，单根波导能够相位匹配的波长要么在抽运激光附近很窄的几十纳米范围内，要么是相隔800纳米较远的一对，是固定的不易改变的。但是波导耦合效应会使其相位匹配的波长有所偏移，不同的抽运光激发模式、不同的耦合强度都可以改变纠缠光子的频率。图6是四波都是对称模式时(ssss)时波导间距为500nm时的输出光子源频谱分布。图7是四波都是对称模式时(ssss)时信号和闲置光子波长随波导间距的变化。图8本发明具体实施方式中四波都是反对称模式时(aaaa)时信号和闲置光子波长随波导间距的变化。以上结果表明，波导间距从400nm变化到900nm时，能实现纠缠光子波长从1200nm到2300nm的宽调谐范围(中间有一些波长处的宽带宽较宽)。