一种基于量子共振隧穿效应的光学晶体管

本发明属于量子信息，具体涉及一种基于量子共振隧穿效应的光学晶体管。

背景技术：

1、光学晶体管是通过非线性光学相互作用来实现的一种利用一束控制光对另一束信号光的传播调控的器件。信号光的光强大小或自旋状态等性质受到控制光的调制，在一定条件下随控制光的变化而发生变化，进而可以实现光信号的开关、放大和稳压的功能。相较于电信号，光信号具有传输速度快、坑干扰能力强、工作频率广的优点。而光学晶体管是用以实现光信号之间交互调控的关键技术，是实现光学逻辑计算的基础元件。因此，光学晶体管在光子计算机等领域具有至关重要的作用。

2、目前的诸多光学晶体管方案中，基于光纤系统中的四波混频、自相位调制和交叉相位调制等非线性光学效应需要很强的光源才能激发。而采用一维波导和空腔等亚波长器件将光场限制在小体积空间中可以极大地增强光与物质的耦合，但是其往往制造困难或者工作波段超出常用光电系统的波长范围。

3、近年来，有关量子遂穿的研究已经成为量子信息领域的一大热门。目前的量子共振隧穿研究主要集中于电子方面，尚未有基于光子的量子共振隧穿效应实现的光学晶体管方案。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于量子共振隧穿效应的光学晶体管，在量子共振隧穿理论基础上，通过一束控制光对非连续介质波导内部分材料的折射率的调控来实现信号光通过该非连续介质波导的概率，以较低控制光强来驱动信号光的开关、放大等功能，在全光量子信息、光子计算机等领域具有非常广泛的应用。

2、本发明采用的技术方案为：一种基于量子共振隧穿效应的光学晶体管，是一个由三种不同材料组成的介质非连续性的矩形波导结构，具体结构从左往右依次为：信号光入射端波导1、第一截止波导2、控制光入射中间波导3、第二截止波导4、信号光输出端波导5。

3、所述介质非连续性的矩形波导结构为宽为a高为b的矩形波导，沿着矩形波导的长度方向分别由三种不同折射率的材料组成。

4、所述介质非连续性的矩形波导结构的信号光入射端波导1和信号光输出端波导5为高折射率材料，控制光入射中间波导3为克尔材料，第一截止波导2和第二截止波导4为低折射率材料，所述低折射率材料位于所述高折射率材料和所述克尔材料的中间。

5、进一步地，所述低折射率材料被所述高折射率材料和克尔材料包夹，对于频率ω满足的信号光光源来说，所述介质非连续性的矩形波导结构构成一个双光子势垒结构。

6、其中，所述低折射率材料折射率为η0，属于截止波导，起到光子势垒的作用；所述高折射率材料折射率为η，属于行波波导；所述克尔材料折射率为η1；ω表示入射信号光光子的角频率，c＝3×108m/s表示真空中光速。

7、进一步地，所述双光子势垒结构中，特定频率光子通过双光子势垒时发生共振隧穿，具体如下：

8、频率ω满足的入射信号光子通过所述介质非连续性的矩形波导构成的双光子势垒时，发生共振隧穿的穿透概率t表达式如下：

9、

10、其中，

11、

12、

13、

14、其中，l表示低折射率材料的长度，d表示控制光入射中间波导3的长度，a表示矩形波导的宽度。

15、当克尔材料的折射率和高折射率材料的折射率相同且没有控制光时，同时满足以下共振条件时，光子发生量子共振隧穿，此时有t＝1，即光子百分之百地穿过双光子势垒：

16、

17、进一步地，所述介质非连续性的矩形波导结构中，信号光信号沿着z轴，即波导方向入射到波导内，控制光垂直入射到波导的中间波导3位置处；且控制光光强改变时，信号光在百分之百地通过波导和无法通过波导之间切换。

18、本发明的有益效果为：本发明所述光学晶体管是一个介质非连续性的矩形波导结构，具体结构从左往右依次为：信号光入射端波导、第一截止波导、控制光入射中间波导、第二截止波导、信号光输出端波导。本发明基于电磁波导内光子的量子共振隧穿原理，通过简单的介质非连续性的双势垒波导结构，采用克尔材料折射率随着光强的变化而变化的原理，实现了控制光对波导填充介质折射率的调控，进而实现了对光子透过率的调控。由于光子通过非连续介质波导时发生量子共振隧穿的概率高度依赖于填充介质的折射率，其敏感程度非常大，因此可以实现很低的控制光强对信号光的调控，进而实现光学晶体管的功能，该结构简单、尺寸小、便于大规模集成，并且采取简单的介质非连续性的矩形波导结构，降低成本的同时增加光学晶体管的稳定性，在全光量子信息、光子计算机等领域具有非常广泛的应用。

技术特征：

1.一种基于量子共振隧穿效应的光学晶体管，是一个由三种不同材料组成的介质非连续性的矩形波导结构，具体结构从左往右依次为：信号光入射端波导(1)、第一截止波导(2)、控制光入射中间波导(3)、第二截止波导(4)、信号光输出端波导(5)；

2.根据权利要求1所述的一种基于量子共振隧穿效应的光学晶体管，其特征在于，所述低折射率材料被所述高折射率材料和克尔材料包夹，对于频率ω满足的信号光光源来说，所述介质非连续性的矩形波导结构构成一个双光子势垒结构；

3.根据权利要求1所述的一种基于量子共振隧穿效应的光学晶体管，其特征在于，所述双光子势垒结构中，特定频率光子通过双光子势垒时发生共振隧穿，具体如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于量子共振隧穿效应的光学晶体管，其特征在于，所述介质非连续性的矩形波导结构中，信号光信号沿着z轴，即波导方向入射到波导内，控制光垂直入射到波导的中间波导(3)位置处；且控制光光强改变时，信号光在百分之百地通过波导和无法通过波导之间切换。

技术总结本发明公开了一种基于量子共振隧穿效应的光学晶体管，是一个介质非连续性的矩形波导结构，具体结构从左往右依次为：信号光入射端波导、第一截止波导、控制光入射中间波导、第二截止波导、信号光输出端波导。本发明基于光波导内光子的量子共振隧穿原理，通过简单的介质非连续性的矩形波导结构，采用两种折射率不同的波导材料和一部分克尔材料构建一个双光子势垒结构，利用控制光对克尔材料折射率的控制来实现控制光对信号光穿透概率的调制，实现光信号的放大、开关功能，该结构简单、尺寸小、便于大规模集成，且采取所述矩形波导结构，降低成本的同时增加系统的稳定性，在全光信息领域具有广泛的应用。技术研发人员：王智勇,贾志国,吴晓彤,张浩然,汪相如,吴双红受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13