实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法

1.本发明属于集成光学、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-ou-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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.基于现有技术的问题，本发明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。
5.针对现有技术中存在的缺陷，本发明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％-50％光学分束器，能够实现hong-ou-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。
6.为了达到上述效果，本发明提供的实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法，利用50％-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-ou-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。
7.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。
8.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。
9.优选的，上述方法具体包括：
10.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；
11.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；
12.步骤三、利用定向耦合器可将单光子序列导入50％-50％光学分束器并实现hong-ou-mandel干涉功能；
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.本发明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；
18.信号光场从第一侧两端口输入，经50％-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；
19.两路波长为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％-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；
20.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％-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；
21.信号光场从第一侧两端口输入，经50％-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。
22.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；
23.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的耦合效率须为最低。
24.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
25.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
26.与现有技术相比，本发明基于现阶段相对成熟的芯片集成光路制备工艺，兼顾高调制速率、低插入损耗、高机械稳定性、高制备效率等优势，有望在超大规模芯片集成光电系统中得到广泛应用，为编解码一体全光通信、通信探测一体量子干涉、多自由度复用信号处理等多种应用提供坚实支撑。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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获得其他的附图。
28.图1示出了本发明多功能芯片集成马赫增特干涉仪结构结构示意图；
29.图2示出了本发明实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法一实施例流程示意图；
30.图3示出了本发明实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法另一实施例流程示意图。
具体实施方式
31.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
32.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括
所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
33.本发明提供了一种实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法的实施例，利用50％-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-ou-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。
34.在一些实施例中，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。
35.在一些实施例中，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。
36.本发明提供一种实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法的实施例，具体包括：
37.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；
38.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；
39.步骤三、利用定向耦合器可将单光子序列导入50％-50％光学分束器并实现hong-ou-mandel干涉功能；
40.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。
41.在一些实施例中，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。
42.在一些实施例中，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。
43.在一些实施例中，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。
44.如图1所示，本实施例展示了一种多功能芯片集成马赫增特干涉仪结构，由光栅耦合器、光学分束器、定向耦合器、镀层结构、外接电极等部分组成，具体功能如下：
45.(1)高速电光调制、路径选择量子态调控、电控光开关、可调谐波分复用器等功能：信号光场从左侧2、3两端口输入，经50％-50％光学分束器等比例(概率)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(概率)需求从右侧6、7两端口输出。需要注意的是，此时右侧两个定向耦合器在信号波长λ2的耦合效率须为最
低。
46.(2)hong-ou-mandel干涉功能：两路波长为λ1的单光子序列从右侧5、8两端口输入，经过右侧两个定向耦合器耦合进入马赫增特干涉仪两臂，在左侧50％-50％光学分束器内产生单光子干涉并从左侧2、3两端口任意一个随机输出。需要注意的是，此时右侧两个定向耦合器在信号波长λ1的耦合效率须为最高，左侧两个定向耦合器在信号波长λ1的耦合效率须为最低。
47.(3)非线性波长转换、非线性多点广播等功能：波长为λ1的泵浦光场从右侧5号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的信号光场从右侧6号端口输入并通过50％-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、受激拉曼散射等非线性效应，将信号光场携带的信息复制到另一闲频光场中，并从左侧2、3两端口等比例输出，即为非线性波长转换。当泵浦光场超过一个时，信号光场携带的信息将被复制到多路闲频光场中，即为非线性多点广播。需要注意的是，此时右侧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，左侧两个定向耦合器在信号波长λ1耦合效率须为最低。
48.(4)光控全光开关：信号光场从左侧2、3两端口输入，经50％-50％光学分束器等比例(概率)分离至两路，泵浦光场从左侧第1或第4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(概率)需求从右侧6、7两端口输出。需要注意的是，此时左侧两个定向耦合器在信号波长λ3的耦合效率须为最高、右侧两个定向耦合器在信号波长λ2的耦合效率须为最低。
49.如图2所示，本发明提供了一种实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法的实施例，包括：
50.s101、器件的制备，利用50％-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；
51.s102、各种功能的实现，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，能实现路径选择量子态调控、hong-ou-mandel干涉、非线性波长转换和光致全光开关等功能，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等多种应用。
52.如图3所示，本发明提供了一种实现多功能芯片集成马赫增特干涉的方法的实施例，包括：
53.s201、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；
54.s202、在镀层施加偏置电压能够改变自由载流子浓度并调节波导折射率，基于此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；
55.s203、利用定向耦合器可将单光子序列导入50％-50％光学分束器并实现hong-ou-mandel干涉功能；
56.s204、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、非线性多点广播等功能，基于交叉相位调制、光致自由载流子等折射率调制能够实现光控全光开关等功能。
57.本发明提供一种多功能芯片集成马赫增特干涉系统实施例，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；
58.信号光场从第一侧两端口输入，经50％-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；
59.两路波长为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％-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；
60.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％-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；
61.信号光场从第一侧两端口输入，经50％-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。
62.在一些具体实施例中，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；
63.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的耦合效率须为最低。
64.本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
65.本发明还提供一种计算机程序的实施例，该程序被处理器执行时实现上述方法。
66.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
67.首先，本发明所述马赫增特干涉仪能够支持多种光学功能，能够充分利用两个方向的行波场，为“同一器件、多种功能”提供了可行方案；
68.其次，本发明所述马赫增特干涉仪结构简单、性能可靠、易于实现，能够较好地兼容于绝缘体上硅等芯片集成波导标准制备工艺，有望在全光通信、量子通信与量子测量、微波光子信号处理、光学相控阵等多领域得到应用；
69.此外，本发明所提出的功能复用器件理念，能够提升马赫增特干涉仪的通用性和普适性，赋予芯片集成光电系统一定的可软件定义能力，为大规模集成光电信息系统研发提供重要解决方案。
70.为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本
申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
71.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
72.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
73.本技术可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本技术，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
74.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
75.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
76.在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
77.内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
78.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
79.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的
包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
80.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
81.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。