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偏振不敏感高可见度绝缘体上硅量子干涉仪的设计

2018-11-15

量子密钥分配(QKD)可以说是量子光学中最成熟的技术,它促进了在单光子机制中使用光学密码术的高安全性通信。光子的随机特性以概率方式表现被应用于各种量子协议,例如E912和BB843,其中量子比特可以以极化方式编码。更具体地说,有效的量子干涉是使用纠缠光子的离散变量协议和使用弱相干脉冲的离散调制协议的关键资源。最初的量子干涉实验是通过采用自由空间设备进行的,结果却遇到了建立稳健系统的巨大挑战。虽然有些量子干涉仪采用光纤器件,但是系统占用空间较大。绝缘体上硅(SOI)平台在过去十年中引起了极大的研究兴趣,因为它们与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的高度兼容性和成熟的制造工艺。作为片上光通信系统的重要组成部分,各种电动或光学驱动组件,包括分束器,偏振分光器,波分复用器,带通滤波器等,可以紧凑地集成在单个芯片中。因此,由于SOI组分可以同时通过自发四波混频和量子干涉促进相关光子对的产生,因此它变得具有吸引力。


图1.(a)所提出的干涉仪结构的示意图,以及(b)两种极化的能量分布。

近日国防科技大学的科学家基于集成绝缘体上硅平台,设计了芯片上干涉仪的关键部件,包括分束器和定向耦合器,适用于电信波长的高可见度干涉。通过精心设计多模干涉仪结构的几何尺寸来实现等比例分束和定向耦等重要参数。基于硅层厚度为320nm的特定晶片,所提出的干涉仪有助于低损耗,宽工作带宽,对制造过程中引起的尺寸变化容差大的特点。其最大的特性是偏振不敏感,使双极化的路径选择量子位的生成成为可能。数值计算表明,在1550nm处,横向电极化和横向磁极化的干涉可见度分别为99.50%和93.99%,揭示了这种干涉仪结构能够很好地进行片上光学控制,特别是在量子光学系统中。相关内容以《Design of polarization-insensitive high-visibility silicon-on-insulator quantum interferometer》为题目,发表在《Scientific Reports》杂志上。

 

图2.在通道1中为(a)TE偏振和(b)TM偏振添加的归一化透射率与相移的关系。多模干涉仪长度达到10.8μm时,(c)TE极化和(d)TM极化的干扰模拟。 (e)计算可见度与(定向耦合器)多模干涉仪长度的关系。

 

(来源:中国光学期刊网

 

 



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