实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法技术

本发明专利技术提供一种多功能芯片集成马赫增特干涉仪，能够支持全光量子路径选择、Hong

【技术实现步骤摘要】
实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法


[0001]本专利技术属于集成光学、半导体物理与微波光子学的交叉学科领域，具体是指一种能实现路径选择、Hong
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Mandel干涉、波长转换、光控开关等多种功能的芯片集成马赫增特干涉仪，尤其涉及一种实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]光电信息系统通常由一系列分立光电器件构成，能够执行多种复杂功能；常见光电信息系统包括光通信系统、光交换系统、光学计算机、全光信号处理系统和微波光子系统等，主要通过自由空间光路或全光纤光路构建，系统体积大、稳定性差、协控困难、升级换代速率慢，难以在实验室外环境展开大规模应用。另一方面，得益于精密微纳器件制备工艺的迅猛发展，包括光学调制器、光学滤波器、光学衰减器、定向耦合器、偏振分束器、波分复用器等在内的一大批芯片集成光电器件已具备同分立光电器件相近的性能指标，为单一芯片光电信息系统集成奠定了坚实基础。
[0003]马赫增特干涉仪可实现路径选择、光开关、波分复用等功能，在光通信编解码、量子干涉测量、光学相控阵等系统中广泛应用。作为一种普遍应用的光学结构，马赫增特干涉仪的功能复用将极大提升单一芯片集成光路的工作效能，使多功能复用光电信息系统端设备成为可能。

技术实现思路

[0004]基于现有技术的问题，本专利技术要解决的技术问题是如何通过芯片集成波导标准工艺制备马赫增特干涉仪，干涉仪两臂等长且能够产生有效的非线性响应。
[0005]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于镀层结构的多功能微腔波导结构，在马赫增特干涉仪两臂分别制备定向耦合器和载波直波导，在干涉臂传输波导上方生长镀层和外接电极。在镀层施加偏置电压改变自由载流子浓度并调节波导折射率，能够实现高速电光调制、路径选择量子态调控和电控光开关等功能；利用定向耦合器将两路单光子序列导入50％
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50％光学分束器，能够实现Hong
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Mandel干涉功能；利用定向耦合器将泵浦光场导入传输波导能够实现非线性波长转换、非线性多点广播等功能；利用定向耦合器将泵浦光导入传输波导能够基于交叉相位调制或光致自由载流子等原理实现光控全光开关功能。
[0006]为了达到上述效果，本专利技术提供的实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法，利用50％
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50％光学分束器、定向耦合器、基于镀层结构的移相器和高非线性波导，构建多功能芯片集成马赫增特干涉仪；从不同端口导入不同的信号光场和泵浦光场，并对镀层结构施加不同的电压，实现路径选择量子态调控、Hong
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Mandel干涉、非线性波长转换和光致全光开关功能，利用单一器件结构支持量子通信协议实现、高精度量子测量、波分复用信号处理和高速光场互作用相关应用。
[0007]优选的，上述干涉仪两臂等长且能够产生有效的非线性响应，马赫增特干涉仪两
臂制备有四个定向耦合器和对应的载波直波导，在干涉臂传输波导上方生长过渡金属硫化物等二维层状材料镀层，并配套制备外接电极。
[0008]优选的，上述方法在镀层施加偏置电压改变自由载流子浓度并调节波导折射率，实现高速电光调制、路径选择量子态调控和电控光开关功能。
[0009]优选的，上述方法具体包括：
[0010]步骤一、通过芯片集成波导标准工艺制备马赫增特干涉仪，干涉仪两臂等长且能够产生有效的非线性响应，马赫增特干涉仪两臂制备有四个定向耦合器和对应的载波直波导，在干涉臂传输波导上方生长过渡金属硫化物等二维层状材料镀层，并配套制备外接电极；
[0011]步骤二、在镀层施加偏置电压改变自由载流子浓度并调节波导折射率，基于此实现高速电光调制、路径选择量子态调控和电控光开关功能；
[0012]步骤三、利用定向耦合器可将单光子序列导入50％
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50％光学分束器并实现Hong
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Mandel干涉功能；
[0013]步骤四、利用定向耦合器将泵浦光场导入传输波导，基于四波混频效应等非线性效应能够实现非线性波长转换、非线性多点广播相关功能，基于交叉相位调制、光致自由载流子等折射率调制实现光控全光开关相关功能。
[0014]优选的，上述泵浦光场包括用于非线性波长转换的第一泵浦光场和用于光控全光开关的第二泵浦光场，第一泵浦光场具有近零反常色散内且与信号光场的波长失谐低于增益带宽，第二泵浦光场以低功率在波导内产生高非线性相移或高浓度自由载流子。
[0015]优选的，上述信号光场在波导内以较低损耗传输，为连续光、脉冲光或单光子序列，所述第一泵浦光场、第二泵浦光场和信号光场需重复频率相同、传播常数相近、时序失配近零。
[0016]优选的，上述定向耦合器需包含两个输入端和一个输出端，泵浦光场和信号光场从输入端输入，泵浦光场通过倏逝波耦合与信号光场合并传输并从输出端输出，泵浦光场交叉耦合系数最大，信号光场交叉耦合系数最小。
[0017]本专利技术提供一种基于上述实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法的系统，包括光栅耦合器、光学分束器、定向耦合器、镀层结构、外接电极；
[0018]信号光场从第一侧两端口输入，经50％
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50％光学分束器等比例分离至两路，其中一路在外接电压控制镀层结构的影响下产生相位延迟，最终按实际比例需求从第二侧两端口输出；
[0019]两路波长为λ1的单光子序列从第二侧两端口输入，经过第二侧两个定向耦合器耦合进入马赫增特干涉仪两臂，在第一侧50％
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50％光学分束器内产生单光子干涉并从第一侧两端口任意一个随机输出；
[0020]波长为λ1的泵浦光场从第二侧一端口输入并通过定向耦合器耦合进入马赫增特干涉仪上臂，波长为λ2的信号光场从第二侧一端口输入并通过50％
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50％光学分束器进入马赫增特干涉仪上臂，泵浦光场和信号光场在干涉仪上臂高非线性波导内产生四波混频、受激拉曼散射非线性效应，将信号光场携带的信息复制到另一闲频光场中，并从第一侧两端口等比例输出，完成非线性波长转换；
[0021]信号光场从第一侧两端口输入，经50％
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50％光学分束器等比例分离至两路，泵浦
光场从第一侧端口输入，通过定向耦合器耦合进入马赫增特干涉仪一臂；泵浦光场通过非线性克尔效应引起信号光场相位偏移、或者通过光致自由载流子引起信号光场相位偏移、或通过镀层光致自由载流子引起信号光场相位偏移；感受到相位延迟的信号光场按实际比例需求从第二侧两端口输出。
[0022]优选的，上述系统两个定向耦合器在信号波长λ1的耦合效率须为最高、在信号波长λ2的耦合效率须为最低，第一侧两个定向耦合器在信号波长λ1耦合效率须为最低；
[0023]第一侧两个定向耦合器在信号波长λ3的耦合效率须为最高，第二侧两个定向耦合器在信号波长λ2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法，其特征在于，利用50％
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50％光学分束器、定向耦合器、基于镀层结构的移相器和高非线性波导，构建多功能芯片集成马赫增特干涉仪；从不同端口导入不同的信号光场和泵浦光场，并对镀层结构施加不同的电压，实现路径选择量子态调控、Hong
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Mandel干涉、非线性波长转换和光致全光开关功能，利用单一器件结构支持量子通信协议实现、高精度量子测量、波分复用信号处理和高速光场互作用相关应用。2.根据权利要求1所述的实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法，其特征在于，所述干涉仪两臂等长且能够产生有效的非线性响应，马赫增特干涉仪两臂制备有四个定向耦合器和对应的载波直波导，在干涉臂传输波导上方生长过渡金属硫化物等二维层状材料镀层，并配套制备外接电极。3.根据权利要求1或2所述的实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法，其特征在于，所述方法在镀层施加偏置电压改变自由载流子浓度并调节波导折射率，实现高速电光调制、路径选择量子态调控和电控光开关功能。4.根据权利要求1
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3之一所述的实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法，其特征在于，所述方法具体包括：步骤一、通过芯片集成波导标准工艺制备马赫增特干涉仪，干涉仪两臂等长且能够产生有效的非线性响应，马赫增特干涉仪两臂制备有四个定向耦合器和对应的载波直波导，在干涉臂传输波导上方生长过渡金属硫化物等二维层状材料镀层，并配套制备外接电极；步骤二、在镀层施加偏置电压改变自由载流子浓度并调节波导折射率，基于此实现高速电光调制、路径选择量子态调控和电控光开关功能；步骤三、利用定向耦合器可将单光子序列导入50％
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50％光学分束器并实现Hong
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Mandel干涉功能；步骤四、利用定向耦合器将泵浦光场导入传输波导，基于四波混频效应等非线性效应能够实现非线性波长转换、非线性多点广播相关功能，基于交叉相位调制、光致自由载流子等折射率调制实现光控全光开关相关功能。5.根据权利要求1
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4之一所述的实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法，其特征在于，所述泵浦光场包括用于非线性波长转换的第一泵浦光场和用于光控全光开关的第二泵浦光场，第一泵浦光场具有近零反常色散内且与信号光场的波长失谐低于增益带宽，第二泵浦光场以低功率在波导内产生高非线性相移或高浓度自由载流子。6.根据权利要求1
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4之一所述的实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭凯，王增，陈浩，闫培光，
申请(专利权)人：军事科学院系统工程研究院网络信息研究所，
类型：发明
国别省市：