一种对背向散射免疫的频率复用单光子循环器的制作方法

1.本发明属于光量子信息技术领域，具体涉及一种对背向散射免疫的频率复用单光子循环器。


背景技术：

2.光循环器是一种具有多个端口的光学器件，其对光的方向进行了限制，使光只能单向传输，在光量子信息处理中有重要的应用。在量子通信中，使用最多的为单光子，而现有技术中单光子循环器普遍依赖弱磁光效应，需要提供磁场装置，以至于难以实现小型化和集成化。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明旨在提供一种单光子循环器，在无需磁光效应的情况下即可打破时间反演对称性，利于器件的小型化和集成化，并可以保护单个光子的传播免受背向散射的影响。
4.技术方案：本发明采用如下技术方案：
5.一种对背向散射免疫的频率复用单光子循环器，包括：第一线性波导、第二线性波导、周期性耦合共振光学波导；
6.所述第一线性波导与第二线性波导并行设置；所述周期性耦合共振光学波导位于第一线性波导和第二线性波导之间；
7.所述周期性耦合共振光学波导包括至少一个耦合共振光学单元，每个耦合共振光学单元包括第一环形腔、第二环形腔、量子点，所述第一环形腔和第二环形腔结构相同且直接耦合；所述第一环形腔与量子点手性耦合；
8.所述量子点的共振频率与第一环形腔、第二环形腔的共振频率相同。
9.有益效果：本发明公开单光子循环器具有如下优点：
10.1、本发明利用光与量子点的手性相互作用，在不需要磁光效应的情况下就可以打破系统的时间反演对称性，从而可以实现具有高隔离度的单光子隔离器和循环器；
11.2、手性相互作用也可以保护单个光子的传播免受背向散射的影响，在考虑背散射影响的情况下，单光子的透射几乎不变，而背散射引起的反射和透射率为0。因此系统对噪声具有非常好的鲁棒性，可以实现具有高隔离度的频率复用单光子隔离器和循环器。
12.3、耦合共振光学波导的透射峰个数依赖于环形腔的个数，通过调控环形腔的个数便可以实现具有多个频率窗口的单光子隔离器和循环器。
附图说明
13.图1为本发明公开单光子循环器的结构示意图；
14.图2为单光子从第一线性波导或第二线性波导的正向端口入射时的透射谱示意图；
15.图3为单光子从第一线性波导或第二线性波导的反向端口入射时的透射谱示意图；
16.图4为考虑背散射影响时一个频率窗口的透射谱示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
18.本发明公开了一种对背向散射免疫的频率复用单光子循环器，其结构如图1所示，包括：第一线性波导1、第二线性波导2、周期性耦合共振光学波导3；
19.所述第一线性波导1与第二线性波导2并行设置；所述周期性耦合共振光学波导3位于第一线性波导1和第二线性波导2之间；
20.第一线性波导与第二线性波导通常采用硅基材料制成；第一线性波导与第二线性波导的两端分别为正向端口和反向端口，第一线性波导与第二线性波导的正向端口位于同侧，反向端口位于同侧；如图1中的p1、p2分别为第一线性波导的正向端口和反向端口；p3、p4分别为第二线性波导的正向端口和反向端口。
21.所述周期性耦合共振光学波导3包括至少一个耦合共振光学单元30，每个耦合共振光学单元包括第一环形腔301、第二环形腔302、量子点303，所述第一环形腔301和第二环形腔302结构相同且直接耦合；所述第一环形腔301与量子点303手性耦合；光在环形腔外壁以倏逝场形式传播时，由于动量模式锁定，其偏振态与入射方向有关。当光子从第一线性波导的正向端口入射时，光在第一环形腔外壁以右旋偏振场模式传播，此时可以激发量子点；当光子从第一线性波导的反向端口入射时，在第一环形腔外壁以左旋偏振模式传播，此时不能激发量子点；
22.所述量子点的共振频率与第一环形腔、第二环形腔的共振频率相同。
23.第一环形腔、第二环形腔可以为氧氮化硅、高分子聚合物、或基于光子晶体的纳米腔制造而成。
24.量子点可以为二能级原子，目前对其的控制可以精确到纳米级别。量子点也可以为在第一环形腔上长出的纳米柱，所述纳米柱上覆盖有单分子层。这种单分子层与纳米柱形成的结构可以等效成一个二能级量子发射器且可以通过磁场进行预先的自旋初始化设置。
25.所述第一环形腔与量子点的手性耦合可以通过如下两种方法实现：
26.方法一：
27.s1.1、将量子点初始化在右旋圆偏振基态或左旋圆偏振基态；
28.s1.2、通过第一环形腔外腔壁上具有完全右旋圆偏振或左旋圆偏振的强倏逝场实现接近单位一的光学手性耦合。
29.方法二：
30.s2.1、利用光学斯塔克效应，使量子点产生右旋圆偏振或左旋圆偏振的跃迁；
31.s2.2、通过与量子点具有相同圆偏振的强倏逝场实现接近单位一的光学手性耦合。
32.通过上述两种方法，量子点与第一环形腔之间可以实现接近单位一的光学手性耦合。
33.本实施例中，周期性耦合共振光学波导3中有10个耦合共振光学单元，即包括20个全同的环形腔，每个环形腔的半径均为40μm，有效折射率均为2，共振频率均为195thz，外部衰减均为19.4ghz，内部衰减均为3.9ghz，相邻环形腔之间的耦合强度为60ghz。
34.量子点的共振频率与第一环形腔、第二环形腔的共振频率一致，为195thz。量子点与第一环形腔之间的耦合轻度为46.6ghz。
35.本发明公开的单光子循环器工作原理：
36.根据光子在环形腔中的传输特性，相邻环形腔中传播的光学模式相反，即每个耦合共振光学单元30中的第一环形腔301、第二环形腔302的传输模式相反。如图1所示，当单光子从第一线性波导的正向端口p1入射，在第一个耦合共振光学单元30'中，其第一环形腔中，光子以顺时针方向传播，而在第二环形腔中则以逆时针方向传播，后面耦合共振光学单元中的环形腔传播模式依次交替。因此，以顺时针模式传播的环形腔为所有耦合共振光学单元中的第一环形腔，以逆时针模式传播的环形腔为所有耦合共振光学单元中的第二环形腔。
37.在具有自旋动量锁定的光子结构中，量子发射器与光的耦合是方向依赖的，即手性。每一个耦合共振光学单元中的第一环形腔手性耦合一个量子点。由于动量模式锁定，每个量子点只与顺时针传播的光学模式耦合，与逆时针模式解耦合。
38.当单光子从p1或者p3入射时，量子点与其所在的耦合共振光学波导中的第一环形腔发生相互作用，而当从p2或者p4入射时，则不与其所在的耦合共振光学波导中的第一环形腔发生相互作用。
39.量子点与第一环形腔的相互作用改变了耦合共振光学波导的频率共振条件。
40.当从p1入射时，耦合共振光学波导中的第一环形腔与量子发射器耦合，其透射谱见图2，频率选在p1到p2为透射率为一的范围。因此从p1入射从p2出射。
41.当从p2入射时，耦合共振光学波导中的第一环形腔传输模式改变，不与量子点耦合，其透射谱见图3。此时频率选在p2到p3透射率为1的点，见图2圆圈的标记。因此从p2入射从p3出射。此时形成多频率窗口的单光子隔离器。
42.由于空间对称性，当单光子从p3入射时，则从p4出射，从p4入射时，则从p1出射。因此，透射关系为：p1
→
p2
→
p3
→
p4
→
p1，形成多频率窗口的单光子循环器。
43.同时，光与量子点的手性相互作用也可以保护单光子传输不受背散射的影响，见图4。背散射引入的反射与透射率为0。因此，该器件可以实现高隔离度的频率复用单光子隔离器和循环器，并且对噪声具有很好的鲁棒性。
44.利用这种非互易的透射谱性质，选取如图2中圆圈标记的频率窗口，便可以实现具有高隔离对比度的单光子隔离器和循环器。
45.耦合共振光学波导的透射峰个数依赖于环形腔的个数，即耦合共振光学波导的个数为透射峰个数的本实施例中，有10个耦合共振光学波导，则透射峰为20个，如图3所示。
46.上述内容结合附图对本发明的原理、系统结构和实施例子进行了描述。但是本发明并不限于上述系统结构和具体实施方案，说明书的实施方案仅是给出具体实现方法，具有示意性，而非限制性。本领域技术人员在本发明启示下，可以根据提出的原理对系统结构做调整，并可以根据需要选择不同的量子点和不同材质制成的耦合共振光学波导。在不违背本发明提出的通过量子点手性耦合具有周期结构的耦合共振光学波导系统的情况下可
以做出多种形式的具体实施，这些均属于本发明的保护范围之内。