新技术可产生持续的多核波导，有望优化量子光子芯片

2022-08-11 18:05

近期，牛津大学研究人员开发出了一种制造技术，这一技术能够在同个芯片中快速产生波导。该芯片具有精确控制的3D截面，还能够沿波导显示出不断变化的行为；而其波导则具有非常低的损耗，有望用于光子和/或量子芯片的设计。

在光子晶体集成电路的基本元件中，有微米尺度的光波导。这些元件类似于传统电子集成电路中的半导体二极管。由于制作工艺的限制，以往的光波导仅限于二维正方形、椭圆形和圆形截面结构。目前的选择是有限地生产这些波导，以显示低损耗和精确的三维截面变化。

具有不同截面的“球形相位诱导多核波导”（SPIM-WGs）可实现模式转换，它提供了任何形状的光学模式转换能力，只受限于衍射限制的制造激光焦点的大小，这项技术在光子和/或量子芯片设计方面显示出了希望。

上述研究是与伦敦帝国理工学院的科学家一起进行的，他们打造了一种称为“球形相位诱导多核波导”(SPIM-WGs)的技术。该方法将具有连续可变三维截面的光波导有效地制作在芯片上。基于自适应光学，科学家们使用这种方法产生可变截面，包括圆形、方形、环形和许多其他复杂形状。每个轴上的横截面控制精度可以降低到数百纳米。对于单个波导，截面形状沿波导本身变化。

研究人员们观察到，在精确的形貌变化过程中，波导表现出非常低的传输损耗，约为-0.14dB/cm，当通过芯片传输1cm时，光功率的损耗仅为3%。实验结果进一步表明，截面变化引起的额外传输损失几乎可以忽略不计。

传统的硅上硅方法需要大约一个月或更长时间来生产波导。而相比之下，SPIM-WGs则能够在几分钟内达成这一目的。

理论上，SPIM-WGs可以提供任意形状的光学模式转换能力，仅受限于衍射限制的激光聚焦尺寸。实验证明，SPIM-WGs可以很容易地在一系列光电芯片中实现高斯光模式和椭圆光模式之间的转换。其中最重要的应用是pp-KTP波导和单模光纤之间的模式转换，用于桥接量子光源和量子芯片。

目前，量子光源中的pp-KTP波导必须直接连接到单模光纤上，这样会损失约25%-30%的光强。而如果采用SPIM-WGs制作的模式转换波导进行桥接，预计光强损耗可降低到10%以下。这将大大提高大多数量子芯片的效率。

此外，基于模式转换的功能，SPIM-WGs可以连接到单模光纤，耦合效率高达95%。这使得SPIM-WG器件可以很容易地与大多数现有的光子器件相结合。研究人员还发现，弯曲在90°的矩形截面波导甚至可以控制光的偏振，这为各种光子和量子应用提供了希望。