偏振转换器、转换方法及泡利X门与流程
本发明属于集成光学领域，进一步涉及一种偏振转换器，以及偏振转换方法，还涉及包含该偏振转换器的泡利(pauli)x门。
背景技术：
在过去，人们已经提出了很多的偏振转换器设计方案，大概可以归为三类。
最常见的是令波导的截面结构不对称，于是水平偏振模式与竖直偏振模式之间便会发生耦合，从而实现偏振转换。比如，三角形和“l”型的波导，它们的器件尺寸可以很小(长度可达2μm)，但是其偏振转换效果对波导加工造成的结构误差很敏感。也有将波导侧边倾斜或者用沟槽型的设计，这样的波导其转换效率可以很高，也对加工误差有一定的容错率，但是，这种结构加工起来比较复杂，可变的设计参数也很有限。即使通过提高加工工艺，制作出了损耗低、转化效率高的旋转器，器件尺寸也都比较大。总之，上述的偏振转换器普遍存在着对加工精度要求很高，且工作带宽比较窄的问题。
还有一类器件，常常依赖于模式的演化，通过令波导的结构慢慢变化，从而将光子的偏振态慢慢转换。这种器件的工作带宽很宽，对于涉及脉冲激光的应用大有好处。但是，它们通常只对特定偏振有效，如只能实现水平偏振向竖直偏振的转换，而竖直偏振无法转变到水平偏振，这样的单向转化是无法用于量子信息处理的。
除此之外，还有一类偏转转换器件借助于表面等离激元，因为表面等离激元对光子的偏振态具有选择性。这种混合型旋转器可以做到很小(如几微米)，可惜金属的吸收导致器件的损耗比较大。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种偏振转换器、转换方法及泡利x门，以至少部分解决以上所述的问题。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种信号波导，用于传输水平偏振模式或垂直偏振模式信号，并且该信号波导在与沿信号传输方向垂直截面上的宽度呈连续性变化；以及辅助波导，与所述信号波导间隔设置，用于传输倾斜偏振的调节信号，使信号波导内传输的信号偏振发生偏转；其中，所述辅助波导与所述信号波导之间的间隔值沿信号传输方向呈连续性曲线变化。
进一步的，该信号波导在与沿信号传输方向垂直截面上的宽度w满足绝热变化条件：
|g|2＞＞|d(δn·k0)/dz|
其中，g为信号波导与辅助波导耦合强度；δn为模式信号沿信号传输方向的折射率差，k0为传播常数，z为信号传播方向的坐标，且|d(δn·k0)/dz|∞|dw/dz|。
进一步的，所述连续性曲线为圆弧、抛物线或者双曲线。
进一步的，所述辅助波导沿信号传输方向的垂直截面具有一缺角。
进一步的，所述水平偏振模式或垂直偏振模式的有效折射率与所述宽度为正相关。
进一步的，所述倾斜偏振和水平偏振之间的耦合系数与所述间隔值为负相关；或者所述倾斜偏振和垂直偏振之间的耦合系数与所述间隔值为负相关。
进一步的，信号波导在与沿信号传输方向垂直截面上的宽度w(z)满足以下公式：
w(z)＝w0+δw(z-δz)/l
其中，l为信号波导沿信号传输方向的长度，w0为信号波导在长度一半l/2处的宽度，δw为信号波导输入端与输出端的宽度差，z为信号传播方向的坐标；设定坐标原点在信号波导长度的一半处，δz为整个信号波导在传播方向上的位置偏移量。
进一步的，所述间隔值d(z)满足以下公式：
d(z)＝d0+z2/r，
其中，r为连续性曲线的曲率半径，d0为信号波导长度一半l/2处信号波导与辅助波导间的距离，z为信号传播方向的坐标。
根据本发明的另一方面，提供一种偏振转换方法，包括：
传输水平偏振模式或垂直偏振模式信号；
传输倾斜偏振的调节信号，使水平偏振模式或垂直偏振模式信号偏振发生偏转。
根据本发明的再一方面，提供一种泡利x门，包括以上任意所述的一种偏振转换器，用于将输入的水平偏振光子转换输出为垂直偏振光子或者将输入的垂直偏振光子转换输出为水平偏振光子，实现幺正可逆操作。
(三)有益效果
与传统的偏振转换器相比，本发明的偏振转换器利用受激拉曼绝热通道的原理，令波导模式构成的三能级系统沿着本征态演化，从而实现99％以上的偏振转化效率，并且由于是绝热的模式演化，所以器件的转化效率对于波导的加工误差有比较高的容错度。
除此之外，更重要的是，本发明的偏振转换器能够将入射的h偏振光子转化成v偏振，也能够将入射的v偏振光子转化成h偏振，这样一个线性光学系统的传输矩阵可以写作
本发明提出的实现波导中的光子偏振相互转化的高效率方法，可以在集成光学芯片中得到应用。
附图说明
图1为本发明实施例的原子三能级系统示意图；
图2为本发明实施例的波导三能级系统示意图；
图3a和图3b分别为本发明实施例的令偏振实现转换的哈密顿量中的δnv、δnh变化情况图，以及gv、gh的变化情况图；
图4a和图4b分别为本发明实施例偏振转换器的由v至h模式和由h至v模式本征态(“暗态”)的演化图；
图5a和图5b分别为本发明实施例偏振转换器的波导模型的俯视图和截面图；
图6a为本发明实施例的哈密顿量与波导结构参数w的依赖关系图；
图6b为本发明实施例的哈密顿量与波导结构参数d的依赖关系图；
图7a为本发明实施例的不同波导结构参数δw下，偏振转化效率与信号波导长度的依赖关系图；
图7b为本发明实施例的不同波导结构参数r下，偏振转化效率与信号波导长度的依赖关系图；
图7c为本发明实施例的不同波导结构参数d0下，偏振转化效率与信号波导长度的依赖关系图；
图7d为本发明实施例的不同波导结构参数δz下，偏振转化效率与信号波导长度的依赖关系图；
图8a为本发明实施例的不同入射波长下，偏振转化效率与偏振转换器波导结构参数δw的依赖关系图；
图8b为本发明实施例的不同入射波长下，偏振转化效率与偏振转换器波导结构参数r的依赖关系图；
图8c为本发明实施例的不同入射波长下，偏振转化效率与偏振转换器波导结构参数d0的依赖关系图；
图8d为本发明实施例的不同入射波长下，偏振转化效率与偏振转换器波导结构参数δz的依赖关系图；
图9为本发明实施例偏振转换器的特定波导结构参数下，偏振转化效率与入射波长的依赖关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明所述的连续性，是指相应参数的变化非跳跃式的，与数学定义中的“连续性”含义一致。
根据本发明的基本构思，旨在利用量子光学中的受激拉曼绝热通道概念，设计集成波导偏振转换器，使水平和竖直偏振的光子在传输过程中相互转化。提出了将原子系统中的受激拉曼绝热通道模型应用到波导系统中，并在此基础上，设计能够令偏振发生偏转的哈密顿量。
受激拉曼绝热通道是源自于原子系统的概念。如图1所示，对于一个三能级原子，能级1、2之间和能级2、3之间能够通过电偶极作用发生跃迁，而能级1、3之间没有电偶极作用，不能发生布居数转移。假设初始状态下布居数全部在能级1上，那么通过施加一个时间上的脉冲序列(先打斯托克斯光ωs，再打泵浦光ωp)，就可以将布居数完全转移至能级3。
对于波导系统，如图2所示，水平h与垂直v偏振模式之间不存在耦合，不能发生能量交换，如果有一个倾斜的o模式，既能与h偏振模式耦合，也能与v偏振模式耦合，那么，由h、v、o三个波导模式构成的三能级系统就类似于上面提到的三能级原子系统。假设初始时能量以h偏振入射，那么通过调节h与o之间、v与o之间的耦合强度，就能将光子全部转化成v偏振。同理对于v偏振入射的光子，也可将其转化成h偏振。
对于三能级波导系统，在相互作用表象下，其哈密顿量用矩阵形式可以写作：
其中，δnv(h)＝nv(h)-no。nv、nh、no分别是v、h、o三个本征模式的有效折射率，gv、gh分别是v与o之间、h与o之间的耦合强度。
该系统有三个新的本征态，均是h、v、o三个模式的线性叠加，其中一个本征态与o模式无关，称为“暗态”，可以表示为：
其中m是一个与δnv、δnh、gv、gh有关的系数。
可以用一个信号波导，使它支持h和v两种模式，再用一个辅助波导，使它支持o模式。通过设计信号波导的结构，可以控制δnv、δnh的变化，再通过调节信号波导与辅助波导之间的距离，如图3所示，可以控制gv、gh的变化，于是，如图4所示，便可以调节m在0和1之间演化，从而实现光子偏振在水平和竖直之间相互转化。
本发明实施例的一方面，提供一种偏振转换器，包括信号波导，其用于传输水平偏振模式或垂直偏振模式信号，并且该信号波导在与沿信号传输方向垂直截面上的宽度呈连续性变化(例如线性变化)；以及辅助波导，与所述信号波导间隔设置，其用于传输倾斜偏振的调节信号，使信号波导内传输的信号偏振发生偏转，其中，所述辅助波导与所述信号波导之间的间隔值沿信号传输方向呈连续性曲线变化。
应用上述模型，例如用硅基波导设计了一个偏振转换器(下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制)。
图5a给出了偏振转换器的结构俯视图，图5b为偏振转换器的结构截面图。可以选取信号波导(左)的截面为矩形(例如高度400nm，宽度w在绝热变化)，以及辅助波导(右)的截面为角落有一个缺角的矩形(例如高度400nm，宽度410nm，缺角尺寸250nm×150nm)，两个波导间的距离为d。
该信号波导在与沿信号传输方向垂直截面上的宽度满足绝热变化条件：
|g|2＞＞|d(δn·k0)/dz|
其中，g为信号波导与辅助波导耦合强度；δn为模式信号沿信号传输方向的折射率差，k0为传播常数，z为信号传播方向的坐标，且|d(δn·k0)/dz|∞|dw/dz|。
其中，d沿信号传输方向(即z轴方向)呈连续性曲线变化。图5a中例示的连续性曲线为曲率半径r的圆弧线，但连续性曲线也可以为其他连续性曲线，比如抛物线、双曲线或者对数曲线。
对于信号波导，如图6a所示，它所支持的v、h两个本征模式的有效折射率nv、nh与波导的宽度w有关，水平偏振模式h或垂直偏振模式v的有效折射率与宽度w为正相关。
如图6b所示，v与o模式、h与o模式的耦合系数gv、gh则依赖于信号波导和辅助波导之间的距离d，倾斜偏振o和水平偏振h之间的耦合系数gh与距离d为负相关；或者倾斜偏振o和垂直偏振v之间的耦合系数与距离d为负相关。调节信号波导宽度为：
w(z)＝w0+δw(z-δz)/l(1)
其中，l为信号波导沿信号传输方向的长度，w0为信号波导在长度一半l/2处的宽度，δw为信号波导输入端与输出端的宽度差，z为信号传播方向的坐标；设定坐标原点在信号波导长度的一半处，δz为整个信号波导在传播方向上的位置偏移量。
两个波导间距为：
d(z)＝d0+z2/r(2)
其中，r为连续性曲线的曲率半径，d0为信号波导长度一半l/2处信号波导与辅助波导间的距离，z为信号传播方向的坐标。
哈密顿量中的δnv、δnh、gv、gh也会相应地变化。参见图3a-图3b，以及图4a-图4b，例如当δw＝0.016μm、d0＝0.03μm、δz＝4.5μm、r＝1502μm、l＝150μm时，系统在该哈密顿量的作用下，沿着“暗态”演化，并且系数m在0和1之间变化，便完成了光子在水平和竖直偏振之间相互转化。
这样的偏振转换器的转化效率可以通过求解哈密顿量的演化得到。波导系统的演化遵从薛定谔方程，于是哈密顿量对系统从0作用到z处的效果表示为
定义器件的效果参数为
如图8a所示为error在不同入射波长下，与偏振转换器波导结构参数δw的依赖关系，其中d0＝0.03μm，δz＝4.5μm，r＝1502μm，l＝150μm。如图8b所示为error在不同入射波长下，与偏振转换器波导结构参数r的依赖关系，其中δw＝0.016μm，d0＝0.03μm，δz＝4.5μm，l＝150μm。如图8c所示为error在不同入射波长下，与偏振转换器波导结构参数d0的依赖关系，其中δw＝0.016μm，δz＝4.5μm，r＝1502μm，l＝150μm。如图8d所示为error在不同入射波长下，与偏振转换器波导结构参数δz的依赖关系，其中δw＝0.016μm，d0＝0.03μm，r＝1502μm，l＝150μm.
如图9所示为对于特定的波导结构，偏振转化效率与入射波长的依赖关系图。可以看到，该器件的工作带宽可达30nm(约在1535nm-1565nm区间内)。
根据本发明实施例的又一方面，提供一种偏振转换方法，包括：
传输水平偏振模式或垂直偏振模式信号；
传输倾斜偏振的调节信号，使水平偏振模式或垂直偏振模式信号偏振发生偏转。
根据本发明实施例的再一方面，提供一种泡利x门，包括权利要求上述的偏振转换器，用于将输入的水平偏振光子转换输出为垂直偏振光子或者将输入的垂直偏振光子转换输出为水平偏振光子，实现幺正可逆操作。
通过本发明提出的一种由量子光学中的受激拉曼绝热通道概念启发的偏振转换器，将偏振转化效率提高至99％以上，并且转化效率对加工误差、入射波长等均不敏感。这样的偏振转换器，有希望取代目前已有的偏振转换器设计，可以用于以偏振编码的集成光学芯片中，进行比特操作，特别地，由于该操作是幺正、可逆的，完全可以用于量子信息处理。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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