硅基集成量子光学芯片实验研究
发布时间：2021-09-07 08:59
量子信息科学的产生和发展向我们呈现出了一幅完全不同并近乎完美的画面,例如,绝对安全的通信,信息的隐形传输以及指数级增长的计算能力。这种美好促使着数十年来科研工作者们前赴后继,并在不同的量子系统中去阐述和开发量子科技。光量子系统,以其对环境噪声的完美免疫和高保真度的单量子比特调控,在量子信息传输和处理中一直占据着重要地位。复杂光学系统的实现需囊括数以万计基本元件,考虑到量子器件的可扩展性,稳定性和小型化等问题,我们需要引入波导集成技术。硅材料,以其便宜,易加工,并能够密集集成等优势,在微电子学芯片中处于核心地位。同样在光信息科学上,硅材料凭借着成熟的加工工艺,以及硅波导对光信号的强束缚能力和较高的非线性系数,硅基光量子芯片在近几年也取得了快速发展。齐全的集成光学系统除了功能性的量子集成光学芯片之外,还需要实现芯片-光纤间的耦合,片上量子态调控以及量子信号测试和处理等。本论文致力于这样一套齐全的硅基量子光学集成芯片系统的研发设计和实验测量,主要包括两个方面,一方面是实现片上光量子态的传输和调控,另一方面是基于硅波导的非线性光学相互作用,制备新型量子纠缠光源。具体的研究内容包括:（1）根据波...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１集成量子光学器件示意图
波导基本概念??成光子学的概念，最早是１９６９年由美国贝尔实验室的科学家Ｓｔｅｗａｒｔ率先提出［１］。而集成光学芯片，是把激光器、调制器和探测器等主，用光波导、分束器和滤波器等被动无源器件连接起来，并且集成在上的光学系统，具有多功能化、集成化，小型化等优点。而量子集成旨在芯片尺度实现不同的量子功能，进一步促进量子信息科学的发展前集成光学芯片中用到的材料有很多，如硅基材料（二氧化硅（Ｓｉ０２ｉ?），氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４?）等），ＩＩＩ－Ｖ族材料（砷化镓（ＧａＡｓ?），磷化铟（Ｉｎ铌酸锂（ＬｉＮｂ０３）等。目前在集成光量子芯片中，以硅基材料中的常用。桂波导一般通过刻蚀ＳＯＩ?（?Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，绝缘衬底上获得，最常用的晶圆表面挂厚度为２２０ｎｍ，挂下面是一层２ｐｍ厚的Ｓ往下为硅基底。刻蚀得到的单模硅波导截面尺寸通常为２２０ｘ４５０ｎｍ２?（子扫描显微镜（ＳＥＭ）图所示），并且硅波导的弯曲半径可低至５＾ｍ，以实现很高的集成度［２，?３］。??（ｂ）??
?Ｌ＿?Ｏ??图２．２四波混频过程及波导基本结构。（ａ）四波混频过程能级图。（ｂ，ｃ）用于产生光子??对的螺旋线和环形器结构示意图。??可能产生许多对光子。即使如此，这种自发非线性参量光源可同单光子探测器，??转换网络以及相应的快速电控设备相结合，来构造近确定的单光子源［１３］。??（ａ）?（ｂ）??８ｕｆｔｃｈ?Ｓｐ＆ｔ?Ｐｏｉａｎｚａｔｉｏｒ＞＇？ｍｍ）ｇ）ｅｄ?ｐｈｏｔｏｎ?ｐａｉｒｓ??＾?Ｓｉ０＾４ｖ?２＾?ｃｏｒｅ??Ｊ?—１＾－＊?鲁》?Ｂ４０（Ｗ）?ｘ?８４０｛Ｈ｝?ｎｍ７??二?ｋ?ｉ；？－＼??（）?￣１?ｍｍ??Ｉ＂?’—…Ｉ??一一?－一?丄??－?ｗｓｍ＾．??图２．３片上不同自由度双光子纠缠源结构示意图。（ａ）路径编码双光子纠缠源。摘自文献??［１０］。（ｂ）偏振编码双光子纠缠源。摘自文献［１１］。（ｃ）波导模式编码双光子纠缠源。摘??自文献［１２］。??在光源制备成功之后，首先要做的是滤除量子信号中的泵浦激光，一是为了??防止后续态操作结构中产生新的量子噪声，另外是为了防止过高的泵浦激光对??单光子探测器造成损伤和引入经典噪声。研宄表明，为了达到量子光学器件进??一步扩展的要求，需要将泵浦光滤除到远低于信号的级别，片上滤波器的隔离度??至少需要达到１２０ｄＢ［１４］。??一个典型的量子光源制备过程如图２．４?（ａ）所示，泵浦激光需先经过前置??滤波器（ＩＦ?）来滤除两边的杂散噪声
本文编号：3389260
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１集成量子光学器件示意图
波导基本概念??成光子学的概念，最早是１９６９年由美国贝尔实验室的科学家Ｓｔｅｗａｒｔ率先提出［１］。而集成光学芯片，是把激光器、调制器和探测器等主，用光波导、分束器和滤波器等被动无源器件连接起来，并且集成在上的光学系统，具有多功能化、集成化，小型化等优点。而量子集成旨在芯片尺度实现不同的量子功能，进一步促进量子信息科学的发展前集成光学芯片中用到的材料有很多，如硅基材料（二氧化硅（Ｓｉ０２ｉ?），氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４?）等），ＩＩＩ－Ｖ族材料（砷化镓（ＧａＡｓ?），磷化铟（Ｉｎ铌酸锂（ＬｉＮｂ０３）等。目前在集成光量子芯片中，以硅基材料中的常用。桂波导一般通过刻蚀ＳＯＩ?（?Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，绝缘衬底上获得，最常用的晶圆表面挂厚度为２２０ｎｍ，挂下面是一层２ｐｍ厚的Ｓ往下为硅基底。刻蚀得到的单模硅波导截面尺寸通常为２２０ｘ４５０ｎｍ２?（子扫描显微镜（ＳＥＭ）图所示），并且硅波导的弯曲半径可低至５＾ｍ，以实现很高的集成度［２，?３］。??（ｂ）??
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