一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构的制作方法

本发明涉及光量子技术、集成光量子领域，具体涉及一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构。

背景技术：

1、在光量子技术中，纠缠光子对的产生通常采用非线性晶体或者集成非线性波导实现，如基于二阶非线性波导的type-ii的自发参量下转换过程(spdc)，可将泵浦光转换成两个偏振纠缠的转换光子对输出，该过程需满足相位匹配条件，即三光子的动量、能量守恒，如泵浦波长为780nm，则两个转换光子波长为1560nm左右。当前的量子光源芯片通常为仅提供相位匹配的非线性波导器件，泵浦光需外接激光器，尤其是对于波长在780nm附近的gaas激光器，耦合封装尺寸、重量、成本等较大，不利于量子光源芯片的推广应用，尤其在星地量子保密通信应用中，星载量子光源对体积、重量有更高要求，因此进一步推进量子光源的集成化是该技术发展的重要方向之一。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，本发明通过材料结构与工艺结构的结合，设计了一种可在同一衬底、相同的外延材料结构上，实现泵浦激光与非线性波导集成的芯片结构，达到单芯片实现电注入双光子对产生的集成量子光源能力。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，包括：

3、dfb泵浦激光区，包括泵浦激光波导脊、dfb光栅、bcb包台、激光正极、激光负极工艺结构，用于实现泵浦光激射；

4、自发参量下转换区，包括二阶非线性波导脊、热调谐电极、热调谐电阻工艺结构；

5、波导截断区，用于隔断dfb泵浦激光区与自发参量下转换区波导。

6、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

7、1)本发明通过基于半导体材料，融合dfb激光与相位匹配二阶非线性波导所需材料结构关键要素，实现在一个芯片上集成泵浦激光、自发参量下转换功能，从而实现电注入双光子发射的高集成度量子光源芯片。

8、2)本发明将dfb泵浦激光与自发参量下转换两个物理过程实现区域分离，避免激光区电子注入对材料折射率、散射等寄生现象对自发参量下转换过程产生不良影响，同时也避免了自发参量下转换过程所需的波导长度、相位匹配点调谐等功能需求对激光区造成额外的设计负担。

9、3)本发明通过波导隔断区，使泵浦激光出射光子的tir模式经历一段较短的空间扩散，从而能够更好地耦合入自发参量下转换区的brw模式，提高光子转换效率。

技术特征：

1.一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，其特征在于，所述dfb泵浦激光区、自发参量下转换区、波导截断区在n型掺杂衬底上单片集成，材料为gaas。

3.根据权利要求1所述的一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，其特征在于，所述dfb泵浦激光区、自发参量下转换区n型掺杂衬底上的外延材料，从上到下分别为p型掺杂上周期性布拉格反射层、中间夹有i型掺杂量子阱的i型掺杂波导芯层、n型掺杂下周期性布拉格反射层。

4.根据权利要求3所述的一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，其特征在于，所述外延材料，其中p型掺杂上周期性布拉格反射层、n型掺杂下周期性布拉格反射层，均由两层折射率不同的外延材料周期性叠加组成；i型掺杂波导芯层材料折射率高于周期性布拉格反射层有效折射率。

5.根据权利要求1所述的一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，其特征在于，所述波导截断区n型掺杂衬底上方的外延层结构已通过半导体工艺去除，波导截断区两侧波导截面保持平行；泵浦激光波导脊、二阶非线性波导脊两者下台面处于波导芯层上方，两个波导脊沿同一条线对齐。

6.根据权利要求1所述的一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，其特征在于，所述dfb光栅为泵浦激光波导脊两侧周期性凸起结构，光栅周期满足关系其中λ是光栅周期长度，λld是泵浦激光波长，neff是泵浦激光波导有效折射率，m为光栅阶数。

7.根据权利要求1所述的一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，其特征在于，所述bcb包台为dfb泵浦激光区脊形下台面上方，包裹泵浦激光波导脊及dfb光栅的台面，露出泵浦激光波导脊顶部材料，材料为苯并环丁烯。

8.根据权利要求1所述的一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，其特征在于，所述激光正极位于泵浦激光波导脊顶部材料上方及bcb包台上方，材料为金属；所述激光负极位于衬底下方，材料为金属。

9.根据权利要求1所述的一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，其特征在于，所述热调谐电阻位于自发参量下转换区二阶非线性波导脊旁，脊形下台面上方；所述热调谐电极，为两个分离的电极分别链接在热调谐电阻两端。

10.根据权利要求1所述的一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，其特征在于，所述dfb泵浦激光区，在正负电极加电后可实现泵浦光激射；波导截断区为dfb激光波导提供反射端面，并为泵浦光子从激光区tir模式向自发参量下转换区的brw模式耦合提供空间过渡作用；自发参量下转换区为泵浦光子的brw模式与转换光子的tir模式提供自发参量下转换过程相位匹配，片上的热调谐电阻与电极通过加电实现非线性过程相位匹配点的调谐作用。

技术总结
本发明公开了一种与泵浦光源单片集成的量子光源芯片结构，该芯片结构由DFB泵浦激光区、波导截断区、自发参量下转换区三区域组成；波导截断区为DFB激光波导提供反射端面，并为泵浦光子从激光区TIR‑TE模式向自发参量下转换区的BRW模式耦合提供空间过渡作用；自发参量下转换区上下周期性布拉格反射层结合波导芯层及脊形波导结构为泵浦光子的BRW模式与转换光子的TIR模式提供了自发参量下转换过程相位匹配，片上的热调谐电阻与电极可通过加电实现非线性过程相位匹配点的调谐。本发明可为量子保密通信、光量子测量、光量子计算等应用提供高集成度电注入双光子源或纠缠光子源。

技术研发人员：牛斌,孔月婵,陈堂胜
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22