一种基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件

本发明涉及光源器件，尤其是一种基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件。

背景技术：

1、随着近年来量子技术领域的发展，量子信息、量子计算等领域逐渐成为人们关注的焦点。其中，光子因其相干性好、操作便捷等优势成为了量子信息技术的理想载体。

2、在光量子技术中，量子光源具有重要的地位，它作为量子态产生的工具，是光量子技术的基础，因此制备出高质量的量子光源一直是研究领域的热点。

3、氮化硅材料具有三阶非线性，可以通过非线性光学频率转换过程产生量子态。通过氮化硅等非线性材料产生量子光的光学转换过程，具体来说主要是自发四波混频，依赖于材料的三阶非线性，并需要满足能量守恒和动量守恒条件。此时可以将两个不同的或者相同的泵浦光子转换为一对纠缠光子，这对纠缠光子分别称为信号光子与闲频光子，在对应频率的谐振波长处自发产生，并且光子对的在频谱上关于泵浦光对称。而根据泵浦光子的频率是否相同，可以进一步分为简并四波混频和非简并四波混频，由一对频率相同的泵浦光子产生纠缠光子的过程称之为简并四波混频，否则称为非简并四波混频。

4、在过去几十年中，在非线性晶体例如周期性极化铌酸锂和周期性极化磷酸钛钾等材料中发生的非线性过程，被广泛探索用于在不同自由度下产生纠缠光子。然而，这种在自由空间中使用大块晶体产生光子对的体光学方案的稳定性和可扩展性存在局限性。不过近年来人们发展了由氮化硅等为基质材料的光量子芯片的一种新兴的量子集成光学技术，它的出现克服了传统体光学方案的缺点，借助微纳加工技术将基于体材料的光学元件在衬底晶片上实现集成，能够在毫米到厘米尺寸的芯片上集成上千个光学元件，从而成为推动光量子信息走向实用的一个关键技术。集成在芯片上的元件具有诸多优势。其中，片上集成的光学微腔能够将光场限制在很小的空间内，从而极大地增强光场和光功率密度，提高非线性过程的效率。可以使用连续波激光器将处于某一频率的泵浦光耦合进入波导进而进入微环谐振腔，若泵浦光的频率恰好处于微环谐振腔的谐振频率，此时若满足能量守恒条件与相位匹配条件：

5、2ωp＝ωs+ωi

6、δk＝2kp-ks-ki-2γpp＝0

7、则泵浦光子将转换为信号光子和闲频光子。上式中，ωp、ωs和ωi分别是泵浦光子、信号光子和闲频光子的频率，δk为相位失配量，k为频率相对应的波矢，γ为介质的非线性系数，pp为泵浦的功率。

8、借助微纳加工技术将传统基于体材料的光学元件在衬底晶片上实现集成，具有低功耗、小尺寸、可拓展和高稳定性等优势。波导集成的微环谐振腔的制备工艺流程简单、成本低且还具备易于集成和高q值等优点，将复杂光路集成到芯片上也更为稳定，因此基于微环谐振腔的光量子芯片是更好的方案。

9、然而随着技术发展与应用需求的提升，未来集成在芯片上的光学元件数量也将呈几何式增长，这意味着在不扩大芯片体积大小的情况下光学元件的面积与体积应尽可能地缩小，但随着微环面积的缩减，波导弯曲损耗增加等问题也开始出现，随之而来的是微环q值以及非线性光学转换效率的降低。

10、因此，亟需要提供一种更高性能的量子光源。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件，本发明通过对微环谐振腔的耦合设计，对微环谐振腔的品质因子进行调控，同时使用氘代氮化硅和氘代二氧化硅材料制作器件和包层从而降低损耗，与现有的集成量子光源器件相比较，在微环所占面积减少到1/4的情况下达到了相同的性能。

2、本发明的技术方案为：一种基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件，包括衬底、包层、器件主体，所述的衬底用于支撑所述器件主体的掩膜图形，所述的包层覆盖在器件主体表面，起保护和光场约束的作用；

3、所述的器件主体包括微环谐振腔和耦合波导，微环谐振腔用于将输入光信号通过非线性频率转换产生光子，耦合波导用于控制光信号耦合进入微环谐振腔与微环谐振腔重新耦合进入波导。

4、作为优选的，所述的衬底为热氧化硅片，且所述的热氧化硅片的衬底上还覆盖有一层二氧化硅层。

5、作为优选的，所述的微环谐振腔和耦合波导均由氘代氮化硅材料制成，折射率为1.96。

6、作为优选的，所述的包层由氘代二氧化硅材料制成，其厚度为2.5微米，折射率为1.43。

7、作为优选的，所述的微环谐振腔和耦合波导均采用氘代氮化硅材料制成，折射率为1.94。

8、作为优选的，所述的耦合波导为滑轮波导，其高度为780纳米，宽度为1.4微米，滑轮波导耦合部分与微环谐振腔之间的耦合间距为450纳米，滑轮波导耦合部分的长度为60微米。

9、作为优选的，所述微环谐振腔形状为圆环，其高度为780纳米，半径为60微米，环宽为2.1微米。

10、本发明还提供一种基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件的制备方法，具体包括以下步骤：

11、s1)、基于化学气相方法，在衬底的二氧化硅薄膜上沉积氘代氮化硅层，并旋涂负性光刻胶；

12、s2)、对衬底依次进行加热和电子束曝光处理，显影后得到微环谐振腔和耦合波导的掩模图形；通过反应离子刻蚀技术刻蚀图形，并通过电感耦合的离子体技术去除剩下的光刻胶；

13、s3)、基于化学气相沉积的方法，在微环谐振腔和耦合波导的掩模图形上生成氘代二氧化硅，使得微环谐振腔和耦合波导的掩模图形上覆盖一层氘代二氧化硅薄膜，即包层。

14、本发明的有益效果为：

15、1、与传统体光学系统相比，本发明提供的集成量子光源器件由于微环谐振腔的谐振增强作用，非线性转换效率明显提高，所需的材料长度大大降低，因而更适合集成化和小型化，同时系统稳定性也更好；

16、2、本发明通过低压化学气相沉积法沉积氘代氮化硅层以及氘代二氧化硅层，氘代氮化硅能有效避免氮化硅生长过程中氮-氢键的形成从而产生的吸收损耗提高的问题，同时氘代二氧化硅也能够降低包层对光的吸收，在保证cmos工艺兼容的条件下降低波导的传输损耗，增强了对光场的限制能力从而提高了微环谐振腔的q值；

17、3、在减少了器件所占面积的条件下实现了器件性能的提升，提高了紧凑性，此外，该器件适用于通用的半导体微加工平台工艺生产技术和流程，因此具有高度的未来应用前景。

技术特征：

1.一种基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件，包括衬底、包层、器件主体，所述的衬底用于支撑所述器件主体的掩膜图形，所述的包层覆盖在器件主体表面，起保护和光场约束的作用；

2.根据权利要求1所述的一种基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件，其特征在于：所述的衬底为热氧化硅片，且所述的热氧化硅片的衬底上还覆盖有一层二氧化硅层。

3.根据权利要求1所述的一种基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件，其特征在于：所述的微环谐振腔和耦合波导均由氘代氮化硅材料制成，折射率为1.96。

4.根据权利要求1所述的一种基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件，其特征在于：所述的微环谐振腔和耦合波导采用氘代氮化硅材料制成，折射率为1.94。

5.根据权利要求1所述的一种基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件，其特征在于：所述的包层由氘代二氧化硅材料制成，其厚度为2.5微米，折射率为1.43。

6.一种用于制备权利要求1-5任一项所述的基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件的方法，具体包括以下步骤：

7.一种用于测试基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件的测试装置，其特征在于：包括依次连接的连续波激光器(1)、密集波分复用滤波器(2)、可调谐带通滤波器(3)、偏振控制器(4)、光源器件(5)、分束器(6)、密集波分复用滤波器(8)、密集波分复用滤波器9、超导纳米线单光子探测器(10)和数字时间计数器(11)，所述的分束器(6)另一路还连接有功率计(7)；

技术总结本发明提供一种基于氮化硅微环谐振腔的片上集成量子光源器件，包括衬底、包层、器件主体；器件主体包括微环谐振腔和耦合波导，微环谐振腔用于将输入光信号通过非线性频率转换产生光子，耦合波导用于控制光信号耦合进入微环谐振腔与微环谐振腔重新耦合进入波导；本发明由于微环谐振腔的谐振增强作用，非线性转换效率明显提高，所需的材料长度大大降低，更适合集成化和小型化，稳定性也更好；本发明的氘代氮化硅能有效避免氮化硅生长过程中氮‑氢键的形成从而产生的吸收损耗提高的问题，同时氘代二氧化硅也能够降低包层对光的吸收，在保证CMOS工艺兼容的条件下降低波导的传输损耗，增强了对光场的限制能力从而提高了微环谐振腔的Q值。技术研发人员：陈钰杰,罗文达,张彦峰,余思远受保护的技术使用者：中山大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11