一种光子与微波量子态转换器的制作方法

本发明属于量子信息技术领域，具体涉及一种光子与微波量子态转换器。

背景技术：

近年来随着量子信息技术的飞速发展，各种基于量子效应的应用不断涌现。量子雷达被视作下一代雷达的发展方向，量子雷达采用光量子进行远距离探测，利用光子的纠缠等特性提高其探测、识别和分辨能力。但是由于光子在大气中传播受到大气吸收、折射等不利因素的影响，大大缩短了光的传播距离，而传统雷达利用微波作为探测手段则受到的影响较小，所以为提高量子雷达的作用距离同样希望采用微波作为探测手段。

麦克斯韦提出光的本质是电磁波，实质上光不仅具有波动性还具有粒子性，即光有波粒二象性。单个光子具有的能量为E＝hν，动量为p＝hν/c(其中c是光子的速度，ν是光子频率，h代表普朗克常数)。每个光子碰撞到物体表面，产生冲量，即物体对光子产生弹力的作用。根据牛顿第三定律，物体也受到压力的作用。

当光照射在物体表面时，假定每秒有N个光子撞到物体表面的单位面积上。如果光子垂直撞到物体表面且以大小不变的速度反弹，也就是光子的动量大小不变，方向改变，每个光子的动量变化为P＝2hν/c，此时物体表面受到的辐射压为2Np(即2Nhν/c)。根据光压量子理论，可以计算光对物体表面所施加的压力大小。

光作用在宏观或介观物体表面的辐射压力非常微弱，人们利用由共振腔(或者微腔)增强的光场从而来提高光压效应；也就是说，腔中引入光力效应。光通过光压效应使光腔机械振动，光腔的机械振动可以改变LC震荡电路的电容，进而调制微波震荡电路的微波频率。光和微波之间的转换通过机械谐振腔作为中间介质来实现。

目前比较常用的用于光和微波之间的转换器有如下两种：

第一种，转换器包括2个电磁谐振器，一个光频率，一个微波频率，共享一个机械谐振器。机械谐振器有一薄膜组成，能自由震动。光频谐振器包括一个法布里-波罗腔，膜振动并调制光腔谐振频率。膜部分导电并组成微波谐振器的电感电路中电容的一部分。因为薄膜自由振动，所以可以调制微波电路的电容，进而调制谐振频率。

第二种，由平行放置的经过仔细抛光的两个铌球镜面构成一法布里-帕罗腔，左边的腔镜固定不动，右端的腔镜可自由移动。当一束经典激光驱动腔场时，腔场受激发，光子在腔内做往返运动，撞击在右边可移动镜子上，对镜子表面产生辐射压力的作用使得可移动镜子偏离平衡位置。腔镜位置的改变使由右边的镜子组成的电容改变，进而改变整个微波电路的谐振频率。

然而这种转换器均利用了法布里-珀罗腔，法布里-珀罗腔有许多缺点：结构复杂、造价昂贵、体积大、难于装配和稳定性低，而且法布里-珀罗腔难以实现小型化，这些原因导致其难以实现商业应用，而且光谐振腔和微波谐振腔难以集成化，因此研制可以集成化、小型化的转换器就是一种必然趋势。

技术实现要素：

本发明为了解决现有转换器存在的结构复杂、制备困难、难于装配和稳定性低的问题，而提供一种光子与微波量子态转换器，能够实现波导和谐振腔的集成化、小型化，具有制造成本低的特点，能够实现规模化。

为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种光子与微波量子态转换器，包括硅衬底层和微波共面波导，所述硅衬底层上设置有光波导、支架、铝酸镧衬底层和用于将从光波导中输出的光转换成平行光的微透镜，所述微波共面波导设置在铝酸镧衬底层上；所述支架上安装有质杆，所述质杆的一侧设有用于将经微透镜转换后的平行光进行反射的反射面，所述微透镜安装在光波导与反射面之间的硅衬底层上，微透镜与质杆的反射面形成谐振腔；与反射面背对的质杆的另一侧设置有金属面，所述金属面与微波共面波导的中心导体形成可调电容。

所述微透镜的尺寸在400-800μm之间。

所述微透镜采用单晶硅通过光刻与反应离子束蚀刻制作而成。

所述质杆的质量在10ng-100ng之间。

所述微波共面波导还包括设置在中心导体两侧的共面波导接地层。

所述微波共面波导采用钇钡铜氧(YBCO)制备在铝酸镧衬底层上。

所述光波导为SOI脊形光波导。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的光子与微波量子态转换器，包括硅衬底层和微波共面波导，所述硅衬底层上设置有光波导、支架、铝酸镧衬底层和用于将从光波导中输出的光转换成平行光的微透镜，所述微波共面波导设置在铝酸镧衬底层上；所述支架上安装有质杆，所述质杆的一侧设有用于将经微透镜转换后的平行光进行反射的反射面，所述微透镜安装在光波导与反射面之间的硅衬底层上，微透镜与质杆的反射面形成谐振腔；与反射面背对的质杆的另一侧设置有金属面，所述金属面与微波共面波导的中心导体形成可调电容。本发明的工作原理是：利用微透镜将光波导输出的光会聚，使微透镜和质杆组成谐振腔，利用光在谐振腔中往返反射产生的光压效应，使质杆振动，进而改变质杆与微波共面波导组成的电容，从而调制微波频率，实现光子和微波量子态之间的转换。本发明提出的一种新的谐振腔，微透镜和质杆的尺寸和质量分别在μm、ng量级，从而实现了谐振腔的小型化；本发明微透镜可以通过对单晶硅进行光刻与反应离子束刻蚀技术制成、光波导在硅衬底层上制成、微波共面波导利用超导钇钡铜氧(YBCO)在铝酸镧衬底层上制备、质杆通过支架安放在硅衬底层上，使得本发明具有集成程度高的特点；光波导、微波共面波导的制备技术比较成熟，微透镜、质杆制造成本也比较低；因此相比于现有技术，本发明具有结构简单、小型化、集成程度高、制造成本低的特点，便于实现规模化制作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的微透镜、质杆和微波共面波导的配合示意图；

图中标记：1、硅衬底层，2、光波导，3、微透镜，4、反射面，5、金属面，6、质杆，7、支架，8、中心导体，9、共面波导接地层，10、微波共面波导，11、铝酸镧衬底层。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

结合附图，本发明提供的光子与微波量子态转换器，包括硅衬底层1和微波共面波导10，所述硅衬底层1上设置有光波导2、支架7、铝酸镧衬底层11和用于将从光波导2中导出的光转换成平行光的微透镜3，所述微波共面波导10设置在铝酸镧衬底层11上，所述支架7安装有质杆6，所述质杆6的一侧设有用于将经微透镜3转换后的平行光进行反射的反射面4，所述微透镜3安装在光波导2与反射面4之间的硅衬底层1上，微透镜3与质杆6的反射面4形成谐振腔，与反射面4背对的质杆6的另一侧设置有金属面5，所述金属面5与微波共面波导10的中心导体8形成可调电容。

本发明的工作原理是：利用微透镜将光波导输出的光会聚，使微透镜和质杆组成谐振腔，利用光在谐振腔中往返反射产生的光压效应，使质杆振动，改变质杆与微波共面波导组成的电容，电容的改变是LC震荡电路的频率发生变化，从而调制微波频率，最终整个系统通过谐振腔这个中介实现了光和微波之间的转换。

本发明的微透镜3采用单晶硅通过硅光刻或反应离子束蚀刻等制作而成。微透镜3的尺度在μm量级，在400-800μm之间，作为本发明一种优选的方式，微透镜3的通光口径为500μm。

本发明的质杆6的质量为ng量级，质量在10ng-100ng之间

本发明的微波共面波导10还包括设置在中心导体8两侧的共面波导接地层9。

作为本发明一种优选的方式，所述光波导2为SOI脊形光波导。

本发明提出的一种新的谐振腔，微透镜和质杆的尺寸和质量分别在μm、ng量级，从而实现了谐振腔的小型化；本发明微透镜可以通过对单晶硅进行光刻或反应离子束刻蚀技术制成、光波导在硅衬底层上制成、微波共面波导利用钇钡铜氧(YBCO)在铝酸镧衬底层上制备、轻质杆通过支架安放在硅衬底层上，使得本发明具有集成程度高的特点；光波导、微波共面波导的制备技术比较成熟，微透镜、质杆制造成本也比较低；因此相比于现有技术，本发明具有结构简单、小型化、集成程度高、制造成本低的特点，便于实现规模化制作。

实施例一

本实施例的光子与微波量子态转换器，包括硅衬底层和微波共面波导，所述硅衬底层上设置有光波导、支架、铝酸镧衬底层和用于将从光波导中输出的光转换成平行光的微透镜，所述微波共面波导设置在铝酸镧衬底层上；所述支架上安装有质杆，所述质杆的一侧设有用于将经微透镜转换后的平行光进行反射的反射面，所述微透镜安装在光波导与反射面之间的硅衬底层上，微透镜与质杆的反射面形成谐振腔；与反射面背对的质杆的另一侧设置有金属面，所述金属面与微波共面波导的中心导体形成可调电容。

实施例二

本实施例的光子与微波量子态转换器，包括硅衬底层和微波共面波导，所述硅衬底层上设置有光波导、支架、铝酸镧衬底层和用于将从光波导中输出的光转换成平行光的微透镜，所述微波共面波导设置在铝酸镧衬底层上；所述支架上安装有质杆，所述质杆的一侧设有用于将经微透镜转换后的平行光进行反射的反射面，所述微透镜安装在光波导与反射面之间的硅衬底层上，微透镜与质杆的反射面形成谐振腔；与反射面背对的质杆的另一侧设置有金属面，所述金属面与微波共面波导的中心导体形成可调电容；所述微透镜的尺寸在400-800μm之间。

实施例三

本实施例的光子与微波量子态转换器，包括硅衬底层和微波共面波导，所述硅衬底层上设置有光波导、支架、铝酸镧衬底层和用于将从光波导中输出的光转换成平行光的微透镜，所述微波共面波导设置在铝酸镧衬底层上；所述支架上安装有质杆，所述质杆的一侧设有用于将经微透镜转换后的平行光进行反射的反射面，所述微透镜安装在光波导与反射面之间的硅衬底层上，微透镜与质杆的反射面形成谐振腔；与反射面背对的质杆的另一侧设置有金属面，所述金属面与微波共面波导的中心导体形成可调电容；所述微透镜的尺寸在400-800μm之间；所述微透镜采用单晶硅通过光刻蚀或者反应离子束蚀刻制作而成。

实施例四

在上述任一实施例的基础之上，所述质杆的质量在10ng-100ng之间。

实施例五

在上述任一实施例的基础之上，所微波共面波导还包括设置在中心导体两侧的共面波导接地层。

实施例六

在上述任一实施例的基础之上，所述微波共面波导采用钇钡铜氧YBCO制备在铝酸镧衬底层上。

实施例七

在上述任一实施例的基础之上，所述光波导为SOI脊形光波导。