一种直接产生杂化纠缠光子对的布拉格反射波导及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种直接产生杂化纠缠光子对的布拉格反射波导及其应用，通过软件仿真计算确定各层厚度与模式有效折射率，再据此制备AlGaAs布拉格反射波导。将其用于制备直接产生杂化纠缠光子对的装置，该装置包括：泵浦激光器、偏振控制器、单模透镜光纤、拉格反射波导、长通滤波器和波分复用。本发明专利技术具有纠缠光子对的产生效率高，相位匹配带宽，插入损耗低，光路结构简单紧凑，性能稳定，易于操作和控制等优点，可将激光器与非线性过程集成在一起，形成由电驱动产生纠缠光的解决方案，为量子光学芯片的集成化、小型化、规模化提供了有效的方案。规模化提供了有效的方案。规模化提供了有效的方案。

【技术实现步骤摘要】
一种直接产生杂化纠缠光子对的布拉格反射波导及其应用


[0001]本专利技术属于量子信息科学
，具体涉及一种直接产生杂化纠缠光子对的布拉格反射波导及其应用。

技术介绍

[0002]硅基电子芯片的结构尺寸已经接近原子尺度下芯片的极限，摩尔定律难以继续维持。而随着人工智能、深度学习算法的提出与应用，经典的硅基芯片逐渐开始难以满足人们的需求。随着量子技术的不断发展，人们寄希望于量子计算芯片能够带来更加庞大地计算能力。目前，量子计算芯片还处于研究发展阶段，所使用的材料也各有优势，如量子阱、冷原子、超导材料等等。光子是实现量子信息处理的理想媒介之一，使用光子进行编码具有以下优势：首先，光子与物质之间的相互作用小，使得光子能够很好的维持量子叠加态，即具有抵抗退相干的能力；其次，光子具有丰富的自由度，如频率、偏振、模式、角动量等，而且光子具有高传输速度，因此是理想的飞行比特；最后，考虑到当前所使用的传统光电子器件，光子能够很好的与现有光纤通信网络兼容。这些优点使得以光子作为信息载体的量子信息技术在提出后不久便得到广泛关注。通过量子光路的固态器件化、小型化和芯片集成，实现大规模可扩展的量子信息处理已经成为其走向广泛应用的必然趋势。
[0003]砷化镓半导体材料及其衍生化合物AlGaAs为实现集成量子纠缠芯片提供了一个优异的平台。由于GaAs材料是直接带隙半导体，与Si基这种间接带隙半导体相比，能够实现电注入，即不需要在量子光学集成芯片外部引入光源。因此，GaAs半导体不仅可以作为SPDC的介质波导，还可以用作自发参量下转换过程中的泵浦光源。此外，GaAs材料具有较大的二阶非线性~ 200 pm/V，宽的透明窗口1
‑
17
ꢀµ
m，大损伤阈值，以及低线性传播损耗等优点。然而，GaAs作为一种半导体材料，很大的材料色散、缺乏材料双折射这些原因会导致非线性过程中的相位匹配条件难以实现。

技术实现思路

[0004]解决的技术问题：针对上述技术问题，本专利技术提供了一种直接产生杂化纠缠光子对的布拉格反射波导及其应用，为量子集成芯片和量子信息处理等领域提供了一种高效、稳定、可集成的半导体量子纠缠光源。
[0005]技术方案：一种直接产生杂化纠缠光子对的布拉格反射波导，通过以下步骤制得：步骤1：设定布拉格反射波导中芯层和周期性包层的厚度猜测值，通过软件仿真计算找出当前全内反射模式TIR的有效折射率；步骤2：将该值代入计算BRW模式有效折射率的程序中，计算得出符合布拉格反射波导理论的各层厚度值；步骤3：再将该计算得到的各层厚度值重新输入软件仿真计算得到新的BRW模式有效折射率及全内反射模式TIR的有效折射率；步骤4：重复步骤2和3，直至软件仿真计算得到的BRW模式有效折射率在TIR
‑
TE模
式有效折射率及TIR
‑
TM模式有效折射率之间，且各层厚度值与计算值一致，则可确定最终设计的各层厚度与模式有效折射率；步骤5：在PECVD生长SiO2刻蚀掩膜后，再在SiO2刻蚀掩膜表面上制作光刻胶条形波导掩膜；步骤6：根据光刻胶掩膜通过ICP刻蚀完成SiO2刻蚀掩膜的制作，再去除光刻胶掩膜；步骤7：根据SiO2刻蚀掩膜通过ICP刻蚀完成AlGaAs脊形波导刻蚀；步骤8：波导端面解理，并在端面制作增透膜。
[0006]优选的，所述步骤6中通过F基ICP刻蚀完成SiO2刻蚀掩膜的制作。
[0007]优选的，所述步骤7中通过Cl基ICP刻蚀完成脊形波导刻蚀。
[0008]上述布拉格反射波导在制备直接产生杂化纠缠光子对的装置中的应用。
[0009]优选的，所述装置包括：泵浦激光器，用于产生窄带宽的泵浦光；偏振控制器，用于控制泵浦光在输入时的偏振；单模透镜光纤，用于将泵浦光束耦合进入AlGaAs布拉格反射波导中；布拉格反射波导，用于为泵浦光提供模式相位匹配条件，通过自发参量下转换的过程，产生具有偏振和频率混合纠缠的下转换光子对；长通滤波器，用于抑制输出端的泵浦光和高频噪声；波分复用WDM，用于分离自发参量下转换输出的信号和闲置双光子，得到偏振和频率纠缠的光子对。
[0010]优选的，所述泵浦激光器包括：780nm可调谐激光器、可调衰减器和光谱分析仪。
[0011]优选的，所述长通滤波器由光纤耦合6个长通滤波镜片组成。
[0012]优选的，所述装置还包括单光子探测器，用于对波分复用WDM分离得到的偏振和频率纠缠的光子对进行双光子符合计数以及带宽测量。
[0013]有益效果：本专利技术充分利用GaAs半导体及其衍生化合物AlGaAs材料的二阶光学非线性效应，通过模式相位匹配的自发参量下转换过程产生偏振和频率杂化纠缠的光子对。本专利技术具有纠缠光子对的产生效率高，相位匹配带宽，插入损耗低，光路结构简单紧凑，性能稳定，易于操作和控制等优点。本专利技术利用
Ⅲ‑
V族半导体实现量子纠缠的单光子源，这种布拉格反射波导结构不需要任何的氧化过程，因此可将激光器与非线性过程集成在一起，形成由电驱动产生纠缠光的解决方案，是实现量子光学芯片单片集成非常好的选择，为量子光学芯片的集成化、小型化、规模化提供了有效的方案。
附图说明
[0014]图1为本专利技术的布拉格反射波导的脊型结构示意简图，由中间的芯层和上下各6个周期的包层组成；图2为泵浦光在布拉格反射波导中参与自发参量下转换过程中产生信号光子和闲置光子这一纠缠光子对的物理过程示意图；图3为实施例1的一种布拉格反射波导的制备工艺流程图；图4为依照本专利技术在布拉格反射波导上直接产生杂化纠缠光子对的方法示意图；
图5为实施例1的偏振和频率杂化纠缠的量子光源生成的双光子符合计数的检测结果图；图6为实施例1的偏振和频率杂化纠缠的量子光源生成的下转换光子带宽的结果图。
具体实施方式
[0015]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步描述。
[0016]实施例1如图3所示，通过以下步骤制得一种直接产生杂化纠缠光子对的布拉格反射波导：步骤1：设定布拉格反射波导中芯层和周期性包层的厚度猜测值，通过软件仿真计算找出当前全内反射模式TIR的有效折射率；步骤2：将该值代入计算BRW模式有效折射率的程序中，计算得出符合布拉格反射波导理论的各层厚度值；步骤3：再将该计算得到的各层厚度值重新输入软件仿真计算得到新的BRW模式有效折射率及全内反射模式TIR的有效折射率；步骤4：重复步骤2和3，直至软件仿真计算得到的BRW模式有效折射率在TIR
‑
TE模式有效折射率及TIR
‑
TM模式有效折射率之间，且各层厚度值与计算值一致，则可确定最终设计的各层厚度与模式有效折射率；步骤5：在PECVD生长SiO2刻蚀掩膜后，再在SiO2刻蚀掩膜表面上制作光刻胶条形波导掩膜；步骤6：根据光刻胶掩膜通过F基ICP刻蚀完成SiO2刻蚀掩膜的制作，再去除光刻胶掩膜；步骤7：根据SiO2刻蚀掩膜通过Cl基ICP刻蚀完成AlGaAs脊形波导刻蚀；步骤8：波导端面解理，并在端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直接产生杂化纠缠光子对的布拉格反射波导，其特征在于，通过以下步骤制得：步骤1：设定布拉格反射波导中芯层和周期性包层的厚度猜测值，通过软件仿真计算找出当前全内反射模式TIR的有效折射率；步骤2：将该值代入计算BRW模式有效折射率的程序中，计算得出符合布拉格反射波导理论的各层厚度值；步骤3：再将该计算得到的各层厚度值重新输入软件仿真计算得到新的BRW模式有效折射率及全内反射模式TIR的有效折射率；步骤4：重复步骤2和3，直至软件仿真计算得到的BRW模式有效折射率在TIR
‑
TE模式有效折射率及TIR
‑
TM模式有效折射率之间，且各层厚度值与计算值一致，则可确定最终设计的各层厚度与模式有效折射率；步骤5：在PECVD生长SiO2刻蚀掩膜后，再在SiO2刻蚀掩膜表面上制作光刻胶条形波导掩膜；步骤6：根据光刻胶掩膜通过ICP刻蚀完成SiO2刻蚀掩膜的制作，再去除光刻胶掩膜；步骤7：根据SiO2刻蚀掩膜通过ICP刻蚀完成AlGaAs脊形波导刻蚀；步骤8：波导端面解理，并在端面制作增透膜。2.根据权利要求1所述的一种直接产生杂化纠缠光子对的布拉格反射波导，其特征在于，所述步骤6中通过F基ICP刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：经旭，牛斌，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：