多级光学滤波器及量子光学芯片的制作方法

1.本实用新型涉及集成光学技术领域，尤其涉及一种多级光学滤波器，以及采用该多级光学滤波器的量子光学芯片，其中，该多级光学滤波器基于锥形光纤表面轴向回音壁模式。


背景技术：

2.基于回音壁模式的微尺度光学滤波器是近年来量子集成光学研究及应用中的重要核心元器件，属于量子信息处理的重要组成部分，在量子光芯片制造，量子计算等方面具有巨大的潜力。
3.在基于回音壁模式的光学滤波器的研究中，一般采用圆形结构的微谐振腔，用于存储和控制光子。基于回音壁模式的光学微腔滤波器由于其具有极高的品质因数q和微纳米级的尺寸，因此其可以应用在微纳米级的硅基量子光芯片的集成中。
4.当前，基于回音壁模式的光学滤波器是一项比较成熟的技术。最简单的滤波器方案一般为四端口器件，其中以微环、微球、微盘、微管等结构作为光学微腔，并通过两根锥形超细光纤进行光场耦合。第一根锥形超细光纤用于产生倏势场，将符合谐振条件的光场耦合到光学微腔中，第二根锥形超细光纤用于引出光学微腔中的光场，整个过程通过光学微腔的作用对在第一根锥形超细光纤中传输的光场进行选择与过滤。目前，由熔融石英制成的光学微腔品质因数可达10
10
，因此具有高效的过滤作用。
5.近年来，学者们提出用商用圆柱形光纤(如smf
‑
28)作为光学微腔的方案，即圆柱形光学微腔。现已证明在相同材料条件下，圆柱形光学微腔的品质因数是球形光学微腔的3倍，这种品质因数表明圆柱形光学微腔可用于光学滤波。
6.目前在量子集成光学领域，现有光学滤波器的体积较大，集成难度大，在诸如量子光芯片等方面器件的高度集成化问题亟待解决。用于得到高分辨率光谱的高度集成化的多级滤波器件由于其要求微纳米级的尺寸，同时考虑到材料稀缺程度及成本等因素，目前尚无此类滤波器的相关技术报道。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提出一种多级光学滤波器，以及利用该光学滤波器实现的量子光学芯片。该多级光学滤波器基于锥形光纤表面轴向回音壁模式，且可以包括输入锥形超细光纤、输出锥形超细光纤、以及以并联的方式与输入锥形超细光纤和输出锥形超细光纤连接的多根锥形光纤。根据本实用新型，标准单模光纤经过退火和拉伸处理后获得的锥形光纤(作为光学微谐振腔)具有很高的品质因数，同时借助不同的有效直径对不同波长提供滤波功能，因而能够通过在滤波器中设置多根具有不同有效直径的经退火和拉伸处理而得到的锥形光纤提供多级滤波功能。
8.具体而言，本实用新型的第一方面涉及一种多级光学滤波器，其特征在于基于锥形光纤表面轴向回音壁模式，且包括输入锥形光纤、输出锥形光纤、以及以并联的方式与所
述输入锥形光纤和输出锥形光纤形成光耦合连接的多根锥形光纤；其中，所述多根锥形光纤中的部分或者全部具有彼此不同的有效直径。
9.优选地，所述输入锥形光纤和/或所述输出锥形光纤为锥形超细光纤。
10.进一步优选地，所述锥形超细光纤具有小于10μm的最小直径
11.进一步地，所述多根锥形光纤中的每一个是对单模光纤进行退火和拉伸获得的。
12.优选地，所述单模光纤为商用标准单模光纤smf
‑
28。
13.进一步地，所述多根锥形光纤中的每一个的腰部位置具有单模区域。
14.优选地，所述单模区域在光纤轴向上的长度为200
‑
300μm。
15.进一步地，所述输入锥形光纤和输出锥形光纤与所述多根锥形光纤中的每一个的连接位置位于所述单模区域内。
16.进一步地，所述多根锥形光纤中的每一个的位于所述输入锥形光纤和输出锥形光纤之间的部分构成光学微谐振腔。
17.本实用新型的第二方面涉及一种量子光学芯片，其特征在于包括如上所述的多级光学滤波器。
附图说明
18.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
20.图1示出了根据本实用新型的基于锥形光纤表面轴向回音壁模式的多级光学滤波器的一个示例，其中1为输入锥形光纤，2为输出锥形光纤，3、4、5为作为光学微谐振腔的锥形光纤(其直径各不相同)；
21.图2示出了根据本实用新型的基于锥形光纤表面轴向回音壁模式的多级光学滤波器的测试系统的一个实例，其中6为示波器，7为光谱仪，8为偏振控制器，9为光源；
22.图3示出了经退火处理的单模光纤在同一位置实现的光学微谐振腔中回音壁模式的透射光谱；
23.图4示出了经退火和拉伸处理的锥形光纤腰部的透射光谱，其中，虚线处为输入锥形超细光纤和输出锥形超细光纤的连接位置。
具体实施方式
24.在下文中，本实用新型的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。
25.图1示出了根据本实用新型的基于锥形光纤表面轴向回音壁模式的多级光学滤波器的一个示例。
26.如图所示，该多级光学滤波器可以包括输入锥形光纤1，输出锥形光纤2，以及以并联的方式与输入锥形光纤1和输出锥形光纤2形成光场耦合连接的多根锥形光纤，例如图1
中的锥形光纤3、4和5。
27.连接于输入和输出锥形光纤之间的锥形光纤将提供光学微谐振腔。
28.宽带光源输出的光进入输入锥形光纤1中，产生倏势场并经输入锥形光纤1将符合谐振条件的光场耦合到提供光学微谐振腔的锥形光纤3
‑
5中。
29.在光学微谐振腔中，对光场进行选择和过滤，从而提供滤波功能。在本实用新型中，用作光学微谐振腔的锥形光纤可以具有不同的有效直径，从而对不同的波长提供滤波功能。
30.输出锥形光纤2用于引出光学微谐振腔中的光场。
31.在优选示例中，输入和输出锥形光纤1、2可以为锥形超细光纤，其最小直径可小于10μm。
32.根据本实用新型，用作光学微谐振腔的锥形光纤可以是对单模光纤进行退火和拉伸处理获得的。在优选示例中，用作光学微谐振腔的锥形光纤可以通过对商用标准单模光纤smf
‑
28(直径为125μm) 进行退火和拉伸处理获得。
33.例如在图1的示例中，可以通过对经退火处理的光纤smf
‑
28进行不同的拉伸处理，从而获得锥形光纤3、4和5，它们可以具有不同的有效直径d1、d2和d3。
34.借助图2示出的测试系统对该光学滤波器进行测试可知，经退火处理的单模光纤可以提供更高的品质因数q，且光纤表面更为光滑，能够抑制光纤表面不均匀引起的光散射。例如，利用未经退火处理的光纤得到的光学微谐振腔的品质因数q为105量级，而经退火处理的光纤得到的光学微谐振腔的品质因数q可以达到107量级。
35.通过测试还发现，如图3所示，在经退火处理的光纤上的同一位置会激发出多个具有不同轴向波矢分量的回音壁模式，而在光学滤波器中只需激发出单一模式或指定模式，因此，需要对经过退火处理的光纤同时进行拉伸处理。
36.通过对经退火和拉伸处理后的光纤进行光谱扫描，可以得到图4 所示的光谱，由图4中的虚线框可知，在光纤的腰部位置存在一个单模的区域，该区域沿光纤轴延伸约200
‑
300μm，输入锥形光纤和输出锥形光纤与构成光学微谐振腔的锥形光纤的连接位置应当在该单模区域内。
37.因此，在本实用新型的多级光学滤波器中，输入锥形光纤可以连接宽带光源，以将其提供的输入光耦合至经退火和拉伸处理的锥形光纤中。
38.经退火和拉伸处理的锥形光纤将构成光学微谐振腔，用于激发出回音壁模式以提供滤波功能。其中，经拉伸而具有不同有效直径的锥形光纤将对应于不同的回音壁模式(波长)，从而对不同波长提供滤波功能。因此，可以简单地设置多根具有不同有效直径的锥形光纤，即可实现针对不同波长的多级滤波功能。
39.输出锥形光纤则可以将经光学微谐振腔过滤后的光场耦合出来，从而输出经滤波处理的光信号。
40.在本实用新型的多级光学滤波器中，可以利用标准单模光纤 (smf
‑
28)来实现光学微谐振腔，由于这种标准单模光纤的直径仅为125μm，同时又可以采用最小直径小于10μm的锥形超细光纤作为输入和输出光纤，因此，该多级光学滤波器可以具有非常小的实现尺寸；并且，由于商用的标准单模光纤的价格非常低，实现该多级滤波器所需要的光纤长度很短(约1m)，因此，该多级光学滤波器可以具有极低的制作成本。
41.此外，由于仅需要对作为光学微腔的锥形光纤的有效直径进行纳米级操控即可实现对不同波长的滤波功能，通过同时级联多根锥形光纤来实现多级滤波，因此，该多级光学滤波器可以灵活地调整其滤波范围，且易于集成。并且，该多级光学滤波器为全光纤结构，结构简单，易于集成和封装。
42.尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围。