用于调制光源的装置及包含其的光芯片的制作方法

1.本发明属于量子光学及量子信息技术领域，具体涉及一种用于调制光源的装置及包含其的光芯片。


背景技术：

2.目前现有的光源产生装置均是采用分立元件和空间光学器件进行调试和耦合，由此会带来稳定性和耦合调制难度等问题。因此面对当下系统型产品的集成化要求，有必要提供一种集成化的光源装置，来满足当下系统型产品的集成化要求。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决当下系统型产品的集成化要求，目的在于提供一种用于调制光源的装置及包含其的光芯片。
4.本发明提供了一种用于调制光源的装置，包括：
5.微环，其上设置有第一变频单元、相位调制器、耦合器；
6.第一变频单元包括谐波产生器，谐波产生器的输入端与输出端分别耦接一个耦合器；
7.相位调制器与谐波产生器通过波导耦接以形成微环。
8.因为本发明将设置在微环上的调制器与谐波产生器通过波导耦接，该微环上的相位调制器可通过调制回收的泵浦光的相位以控开进入第一变频单元的两个输入光。另外将输入的泵浦光通过谐波产生器后生成波长减半的参量光以用作光源。因此该装置有利于生成片上集成的控开单光子源，能够满足当下系统性产品的集成化需求。
9.上述的装置，其中：
10.谐波产生器包括ppln-shg谐波产生器。
11.在本技术的一个实施例中，谐波产生器包括ppln-shg二次谐波产生器，因此可将输入的泵浦光进行二次谐波非线性过程，输出波长减半的参量光，生成的参量光可用作光源也可作为另一个非线性过程的输入泵浦光，以生成特定需求的参量光。
12.上述的装置，其中：
13.微环为跑道形微环。
14.上述的装置，其中：
15.谐波产生器输出端的耦合器用于分束第一变频单元输出的光信号。
16.在本技术的一个实施例中，谐波产生器输出端的耦合器可将谐波产生器输出的两个光信号分别耦合至微环或邻近波导，因此不仅可以产生光源而且也可将微环中的光信号进行相位调制后控开进入第一变频单元的两个输入光进而控开生成的光源。
17.上述的装置，其中：
18.光信号包括第一光信号与第二光信号，且第一光信号耦合至相位调制器以生成第三光信号。
19.在本技术的一个实施例中，通过相位调制器将第一变频单元输出的第一光信号进行相位调制后生成第三光信号，有利于后续生成光源及控开光源。
20.上述的装置，其中：
21.谐波产生器输入端的耦合器用于干涉第三光信号与输入的原始光信号，并输出至第一变频单元。
22.在本技术的一个实施例中，谐波产生器输入端的耦合器可以将经过相位调制后的第三光信号与原始光信号进行干涉叠加，并作为第一变频单元的输入以生成光源或者通过调制相位实现光源控开。
23.上述的装置，其中：
24.其还包括第二变频单元，第二变频单元包括自发参量下转换发生器。
25.在本技术的一个实施例中，用于调制光源的装置还可包括与第一变频单元级联的第二变频单元，第二变频单元包括自发参量下转换发生器，因为通过第二耦合器将谐波产生器输出的参量光耦合输入至自发参量下转换发生器中，因此可以生成具有相互关联的单光子对作为单光子源。
26.上述的装置，其中：
27.其还包括第二变频单元，第二变频单元包括ppln-spdc自发参量下转换发生器。
28.在本技术的一个实施例中，自发参量下转换发生器可包括ppln-spdc自发参量下转换发生器，因此可以将输入的单个泵浦光转换为波长增倍的两个参量光，有利于片上集成具有相互关联的单光子对以用作单光子源。
29.上述的装置，其中：
30.其还包括第二变频单元，第二变频单元包括以下中的至少一者：直线形ppln-spdc发生器、环形ppln-spdc发生器和跑道形ppln-spdc发生器。
31.在本技术的一个实施例中，第二变频单元可包括直线形ppln-spdc发生器、环形ppln-spdc发生器或跑道形ppln-spdc发生器，因此可以形成不同结构的用于调制光源的装置以生成光源。
32.本发明还提供一种光芯片，包括多个前述任一项的用于调制光源的装置。
33.因为本发明提供的一种光芯片集成有上述用于调制光源的装置，因此可以满足当下系统性产品的集成化需求。
附图说明
34.图1是本发明实施例的第一种用于调制光源的装置的结构示意图。
35.图2是本发明实施例的第二种用于调制光源的装置的结构示意图。
36.图3是本发明实施例的第三种用于调制光源的装置的结构示意图。
37.图4是图3中两次非线性过程的原理示意图。
38.图5是本发明实施例的第四种用于调制光源的装置的结构示意图。
39.图6是本发明实施例的第五种用于调制光源的装置的结构示意图。
40.附图编号：
41.第一种用于调制光源的装置100、第一变频单元10、相位调制器20、微环30、第一耦合器40、第二耦合器50、第二种用于调制光源的装置200、第二变频单元60、第三种用于调制
光源的装置300、第三变频单元101、第四变频单元61、耦合波导70、输出波导80、第四种用于调制光源的装置400、第五变频单元62、第五种用于调制光源的装置500、第六变频单元63、原始光信号11、第一光信号12、第二光信号13、第三光信号14、第四光信号511、第五光信号512、光源51。
具体实施方式
42.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例与附图对本发明提供的用于调制光源的装置及包含其的光芯片作具体阐述。
43.本实施例中的ppln(periodically poled lithium niobate)为周期性极化铌酸锂；
44.shg(second harmonic generation)为二次谐波产生；
45.spdc(spontaneous parametric down conversion)自发参量下转换。
46.《实施例》
47.图1是本技术实施例的第一种用于调制光源的装置100的结构示意图。
48.如图1所示，本技术实施例提供的第一种用于调制光源的装置100包括微环30及设置在其上的第一变频单元10、相位调制器20、第一耦合器40、第二耦合器50，第一变频单元10包括谐波产生器，谐波产生器的输入端与输出端分别耦接第二耦合器50与第一耦合器40，相位调制器20与谐波产生器通过波导耦接以形成微环30。
49.图1中的谐波产生器包括ppln-shg谐波产生器，第一耦合器40用于分束第一变频单元10输出的光信号，以生成第一光信号12与第二光信号13，并将第一光信号12耦合至微环30中。相位调制器20用于调制耦合至微环30中的第一光信号12的相位，并调制得到第一光信号12对应的第三光信号14。第二耦合器50用于干涉经过相位调制后的第三光信号14与输入的原始光信号11，并输出至第一变频单元10。因为本技术实施例中通过相位调制器20将第一光信号12调制得到第三光信号14，并将第三光信号14与原始光信号11进行干涉后可以控制输入第一变频单元10(例如ppln-shg谐波产生器)的光信号，从而控制输出的第二光信号13，进而实现片上控开光源。
50.图1中的微环30为跑道形微环，在其它实施例中，微环30也可以为其它形状的微环30，例如圆环形微环。相位调制器20与第一变频单元10相对地设置在微环30的两个直波导处，本技术实施例包括但不限于相位调制器20与第一变频单元10相对设置在跑道形微环中的直波导处。
51.本技术实施例提供的用于调制光源的装置可集成在同一基底上，相比较现有分立元件及空间光学调制器，其可实现片上控开及片上生成光源，因此可以满足当下系统性产品的集成化需求。
52.图2是本技术实施例的第二种用于调制光源的装置200的结构示意图。
53.如图2所示，本技术实施例的第二种用于调制光源的装置200在图1所示的第一种用于调制光源的装置100后面耦接第二变频单元60，该第二变频单元60包括自发参量下转换spdc发生器，例如ppln-spdc发生器，从而发生自发参量下转换过程。
54.图3是本技术实施例的第三种用于调制光源的装置300的结构示意图；图4是图3中两次非线性过程的原理示意图。
55.如图3所示，图3所示的第三种用于调制光源的装置300包括第三变频单元101(例如直线形ppln-shg谐波产生器)、相位调制器20、微环30、第一耦合器40、第二耦合器50、第四变频单元61(例如直线形ppln-spdc发生器)、耦合波导70及输出波导80。
56.图3中输入的原始光信号11为泵浦光，该泵浦光可包括相干连续激光，原始光信号11经过第二耦合器50、第三变频单元101、第一耦合器40后，产生第一光信号12与第二光信号13，第一光信号12为回收的泵浦光，第二光信号13为参量光。第一光信号12沿着微环30继续传输，并通过微环30中的相位调制器20进行相位调制后得到第三光信号14。
57.本实施例中相位调制器20调制第一光信号12后的相位变化值δφ的表达式如下：
[0058][0059]
其中，r为电光系数，n1为折射率，v为控制电压，l为控制电极长度，d为电极和波导之间的距离，上述的参数均为相位调制器20的性能参数。
[0060]
具体地，相位调制器20可通过电调或热调第一光信号12的相位以控开进入第三变频单元101的输入光，控开的原理如下：
[0061]
输入的原始光信号11的场幅值
[0062]
其中ω1为原始光信号11的角频率，φ0为原始光信号11的初始相位。
[0063]
第三变频单元101输出端的第一光信号12回收至微环30中，并经过相位调制器20进行相位调制后，第三光信号14的场幅值为：
[0064][0065]
其中ω2为第三光信号14的角频率，φ0为原始光信号11的初始相位，δφ为调制相位变化值。
[0066]
将第一光信号12经过相位调制后生成第三光信号14，并与原始光信号11经第二耦合器50干涉叠加后产生的场幅值为：
[0067][0068]
其中，δφ为相位调制变化差值。
[0069]
因此，由上述e
out
的表达式可知，通过相位调制器20调制第一光信号12的相位差值δφ以控开经过第二耦合器50干涉叠加后的两个输入光进入第三变频单元101中。例如当e
out
达到预设阈值1时，则控开第三光信号14与原始光信号11经第二耦合器50进入第三变频单元101中；当e
out
达到预设阈值0时，则切断第三光信号14与原始光信号11经过第二耦合器50进入第三变频单元101中，也即不生成光源。
[0070]
如图3所示，第三光信号14与输入的原始光信号11经第二耦合器50进行干涉叠加后作为第三变频单元101的输入光，并发生二次谐波上转换过程，最后经第一耦合器40分束得到第二光信号13与第一光信号12，第二光信号13作为第四变频单元61的输入泵浦光，通过第一耦合器40和耦合波导70，输入至第四变频单元61发生自发参量下转换，产生相互关联的单光子对，作为光源51输出，单光子对分别为第四光信号511与第五光信号512，第四光信号511与第五光信号512均为参量光。
[0071]
如图4所示，p1对应图3中第三变频单元101的二次谐波上转换过程，具体地，原始光信号11与第三光信号14作为第三变频单元101的输入光，进行二次谐波上转换过程后输
出第二光信号13。p2对应图3中第四变频单元61的自发参量下转换过程，具体地，将p1输出的第二光信号13作为p2过程的输入泵浦光，进行自发参量下转换后得到第四光信号511与第五光信号512的单光子对，以用作光源51。
[0072]
图5是本技术实施例的第四种用于调制光源的装置400的结构示意图。
[0073]
图5提供的第四种用于调制光源的装置400包括第三变频单元101(例如直线形ppln-shg谐波产生器)、相位调制器20、微环30、第一耦合器40、第二耦合器50、第五变频单元62(例如环形ppln-spdc发生器)、耦合波导70。
[0074]
图5中输入原始光信号11，该原始光信号11经过第二耦合器50、第三变频单元101、第二耦合器40，产生第一光信号12与第二光信号13。第一光信号12沿着微环30继续传输，并经过相位调制器20进行相位调制后得到第三光信号14。第三光信号14与原始光信号在第三变频单元101发生二次谐波上转换后，经第一耦合器40分束得到第二光信号13与第一光信号12。第二光信号13作为第五变频单元62的输入泵浦光，通过第一耦合器40与耦合波导70输入至第五变频单元62发生自发参量下转换，产生相互关联的单光子对，作为光源51输出。单光子对分别为第四光信号511与第五光信号512，第四光信号511与第五光信号512均为参量光。
[0075]
图6是本技术实施例的第五种用于调制光源的装置500的结构示意图。
[0076]
图6提供的第五种用于调制光源的装置500包括第三变频单元101(例如直线形ppln-shg谐波产生器)、相位调制器20、微环30、第一耦合器40、第二耦合器50、第六变频单元63(例如跑道形ppln-spdc发生器)、耦合波导70。
[0077]
图6中输入原始光信号11，该原始光信号11经过第二耦合器50、第三变频单元101、第二耦合器40，产生第一光信号12与第二光信号13。第一光信号12沿着微环30继续传输，并经过相位调制器20进行相位调制后得到第三光信号14。第三光信号14与原始光信号在第三变频单元101发生二次谐波上转换后，经第一耦合器40分束得到第二光信号13与第一光信号12。第二光信号13作为第六变频单元63的输入泵浦光，通过第一耦合器40与耦合波导70输入至第六变频单元63发生自发参量下转换，产生相互关联的单光子对，作为光源51输出。单光子对分别为第四光信号511与第五光信号512，第四光信号511与第五光信号512均为参量光。
[0078]
如图2所示，本技术实施例中输入端的原始光信号11与输出端的第四光信号511与第五光信号512的波长相等，且可以均为长波长。例如本技术实施例中原始光信号11的波长为1550nm，经过第一变频单元10输出的第二光信号13的波长为775nm，第一光信号12的波长为1550nm。经过第二变频单元60后输出的第四光信号511与第五光信号512的波长均为1550nm。因为本技术实施例中输入的原始光信号11与输出的第四光信号511、第五光信号512均为长波长，因此有利于片上设计与耦合。
[0079]
本技术实施例还提供一种光芯片，该光芯片包括多个用于调制光源的装置。因为本技术实施例提供的五种用于调制光源的装置均可在片上控开并生成光源，因此有利于光芯片集成化。另外后面四种用于调制光源的装置均可生成具有相互关联单光子对的光源51，具体通过片上控开、二次谐波上转换与自发参量下转换实现，因此后面四种用于调制光源的装置有利于满足长波长单光子源的光芯片集成化需求。
[0080]
以上通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述发明
提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。