一种基于硅光集成的量子芯片的制作方法

1.本发明涉及微纳光电子及量子通信技术领域，尤其涉及一种基于硅光集成的量子芯片。


背景技术：

2.qkd技术作为量子通信的重要组成部分，主要用于加密密钥的产生和分发。qkd理论上可实现绝对安全的保密通信，其安全性由不确定性原理和量子态不可复制原理等物理规律保证。
3.qkd技术可以利用纠缠量子态来进行密钥分发：将一组纠缠量子态分别发送给两个可信的终端，使得通信双方共享纠缠态；随后在终端处，双方分别随机地选用不同的基矢进行测量；双方通过经典信道告知对方测量所用基矢，并进行同步，保留二者同时测量到的部分。进一步地，通信双方可将数据分为两部分，一部分通过经典信道公开对应的测量结果用于贝尔不等式检验，根据贝尔不等式的破坏程度可以检测出窃听者获取的信息量；另一部分数据中保留测量基矢相同的比特作为原始密钥。
4.由于高速率纠缠态制备技术以及长距离纠缠态传输技术的研究仍处在起步阶段，qkd 技术更多的是利用单光子叠加态来进行密钥分发：通信双方事先选取相互无偏基，制备端随机地选取相互无偏基中一组来制备相应的量子态，发射端依次记录下所选用的无偏基；随后将量子态通过量子信道发送至接收端，由接收端随机地选取相互无偏基中一组来进行测量，接收端记录下测量结果和测量所用的基；双方通过经典信道告知对方测量所用基矢，保留测量基矢相同的比特即可作为原始密钥。此时密钥已经生成并分发至通信双方，发射端可以利用密钥对经典通信信号进行加密并通过经典信道传送给接收端；接收端也可以利用密钥对经典通信信号进行解密并获得信息内容。如果窃听者截获加密的经典通信信号，则由于不掌握密钥而无法进行解密获取具体信息；如果窃听者对量子信道进行窃听，则由于不能在不干扰原始状态的情况下测量传输的量子态(量子态不可复制原理)，因而无法在不使合法通信双方察觉的情况下获取信息；当通信双方察觉传输的量子态被窃听而导致误码率异常时，可以舍弃该组密钥重新生成安全的密钥。
5.实际使用的qkd系统中，制备端和接收端多采用分立体光学元件搭建而成，这将占用巨大的体积，同时对光路的对准提出了较高的要求。此外还具有结构复杂、稳定性差、成本高等缺点，不利于qkd技术的推广应用。
6.基于偏振编码的qkd系统用偏振光子作为编码和传输量子比特的载体，其具有操控成熟，结构简单的优点。偏振光子可以是由非线性过程产生的偏振纠缠光子对，也可以是单光子偏振态，例如偏振编码bb84协议利用两组相互无偏基来编码0态与1态，因此要求发射端制备高消光比的各个偏振态。但由于光纤圆度不理想、残留应力等原因，光纤中会产生双折射效应，使得偏振态在光纤中传输很难保持稳定。
7.因此需要对现有的基于qkd系统进行进一步地改进，以克服体积大，结构复杂、稳定性差、成本高以及偏振态在光纤中传输不稳定的情况。


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题，本发明的提供一种体积小，结构简单，稳定性好，成本低的基于硅光集成的量子芯片。
9.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种基于硅光集成的量子芯片，包括衬底，所述衬底上集成有强度调制器、相位调制器、可调衰减器、偏振调制器、偏振复用器、偏振解复用器和偏振解调器；
10.所述强度调制器、相位调制器、可调衰减器以及偏振调制器通过电信号依次连接；
11.所述可调衰减器出射端的下端口连接至一个单光子探测器用于以监测衰减水平；所述衰减器出射端的上端口连接至偏振调制器用于进行偏振态的制备；
12.所述偏振调制器通过光纤与所述偏振解复用器连接，所述偏振调制器与偏振解复用器还设置有偏振控制器；所述偏振解复用器又与偏振解调器连接；
13.直流光在所述强度调制器的直波导端面耦合经过强度调制器调制为光脉冲后进入所述相位调制器进行相位随机化，随机化的光脉冲的平均光子数在所述可调衰减器140处衰减至单光子级别进入偏振调制器，并通过所述偏振调制器调制偏振态基矢的功率和相位；
14.调制后的光脉冲被偏振复用器转化为一条直波导内的对应偏振态，随后经过端面耦合进入单模光纤，偏振态经单模光纤传输后，通过端面耦合至偏振解复用器，并被偏振解复用器转化为两条直波导内的强度和相位信息；
15.所述偏振解调器解调偏振态基矢的功率和相位，实现投影测量；最后光子经过端面耦合入光纤，并通过光纤传入到2个单光子探测器，在单光子探测器处产生光子计数。
16.优选地，所述偏振调制器包括mmi光耦合器和mzi，所述mzi包括topm和eopm，衰减后的光子进入到偏振调制器后通过mzi内部的topm补偿两臂相差，并通过mzi内部eopm和外部的eopm分别调制偏振态基矢的功率和相位。
17.优选地，所述偏振解调器包括mmi光耦合器和mzi，所述mzi包括topm和eopm，所述偏振解复用器转化后的光量子信息通过mzi内部的topm补偿两臂相差，通过mzi 内部eopm和外部的eopm分别解调偏振态基矢的功率和相位。
18.优选地，所述衬底采用soi体系中的sio2材料。
19.优选地，所述偏振解调器的两个输出端口通过光纤分别依次连接偏振控制器和单光子探测器。
20.优选地，所述偏振复用器、偏振解复用器和偏振解调器均采用片上mzi结构。
21.优选地，所述mmi光耦合器、topm和eopm均采用硅、磷化铟、铟镓砷磷、二氧化硅或氮化硅材料。
22.优选地，所述偏振复用器及偏振解复用器均包括顺序连接的bi level锥形结构和绝热耦合结构。
23.本发明有益的技术效果：
24.1、本发明将各电子元器件集成在衬底上，提高了系统的集成度，增强了系统的灵活性，减少了所采用的元件数量，降低了制造成本。
25.2、本发明基于片上mzi的调制机构，采用eopm进行干涉仪两臂的相位调控。利用载流子效应实现的eopm可以达到1.25ghz的高调制速率，有利于实现高速地偏振态制备过程，
提高了qkd的速率。
26.3、本发明在含eopm的mzi中加入topm补偿两臂相位差，实现了30db高消光比，提高了偏振态制备的保真度。
附图说明
27.图1为本发明一种基于硅光集成的量子芯片的结构示意图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
29.如图1所示，一种基于硅光集成的量子芯片，包括衬底，所述衬底包括第一衬底110 和第二衬底210，在第一衬底110上集成有强度调制器120、相位调制器130、可调衰减器140、偏振调制器150和偏振复用器160。
30.所述第二衬底210上集成有偏振解复用器220和偏振解调器230；
31.各电子元器件的连接方式如下：
32.所述强度调制器120、相位调制器130、可调衰减器140以及偏振调制器150通过电信号依次连接；
33.所述可调衰减器140出射端的下端口连接至一个单光子探测器(图上未画出)用于以监测衰减水平；所述衰减器140出射端的上端口连接至偏振调制器150用于进行偏振态的制备；
34.所述偏振调制器150依次通过单模光纤170和第一偏振控制器180与所述偏振解复用器220连接，所述偏振解复用器220又与偏振解调器230连接；
35.外接激光器的直流光在所述强度调制器120的直波导端面耦合经过强度调制器120调制为光脉冲后进入所述相位调制器130进行相位随机化，随机化的光脉冲的平均光子数在所述可调衰减器140处衰减至单光子级别进入偏振调制器150，并通过所述偏振调制器150 调制偏振态基矢的功率和相位；
36.具体地，所述偏振调制器150包括mmi(multi
‑
mode interference，多模干涉)光耦合器151和mzi(mach
‑
zehnder interferometer，马赫－曾德尔干涉仪)，所述mzi包括topm 152(thermo
‑
optic phase modulator，热光相位调制器)和eopm 153(electro
‑
optic phasemodulator，电光相位调制器)，衰减后的光子进入到偏振调制器150后通过mzi内部的topm 152补偿两臂相差，并通过mzi内部eopm 153和外部的eopm 153分别调制偏振态基矢的功率和相位。
37.调制后的光脉冲被偏振复用器160转化为一条直波导内的对应偏振态，随后经过端面耦合进入单模光纤170，偏振态经单模光纤170传输后，通过端面耦合至偏振解复用器220，并被偏振解复用器220转化为两条直波导内的强度和相位信息；
38.所述偏振解调器230解调偏振态基矢的功率和相位，实现投影测量；
39.所述偏振解调器230包括mmi光耦合器和mzi，所述mzi的有包括topm和eopm，所述偏振解复用器转化后的光量子信息通过mzi内部的topm补偿两臂相差，通过mzi 内部eopm和外部的eopm分别解调偏振态基矢的功率和相位。
40.最后光子经过端面耦合入光纤，并通过光纤传入到2个单光子探测器，在单光子探测器处产生光子计数。
41.具体地，所述衬底采用soi体系中的sio2材料。
42.所述偏振解调器的两个输出端口通过光纤分别依次连接偏振控制器(240，250)和单光子探测器(260，270)。
43.所述偏振复用器160、偏振解复用器220和偏振解调器230均采用片上mzi结构。所述mmi光耦合器151、topm 152和eopm 153元件军采用硅、磷化铟、铟镓砷磷、二氧化硅或氮化硅材料。所述偏振复用器160及偏振解复用器230均包括顺序连接的bi level锥形结构162和绝热耦合结构161。
44.偏振控制器180、240、250用于在系统运行前校准偏振，偏振控制器180可以用于控制光纤传输串扰，提升系统性能；由于所使用的单光子探测器260、270为偏振相关器件，因此需要通过偏振控制器240、250保证其正常工作。
45.本发明将各电子元器件集成在衬底上，提高了系统的集成度，增强了系统的灵活性，减少了所采用的元件数量，降低了制造成本。
46.本发明基于片上mzi的调制机构，可以采用eopm进行干涉仪两臂的相位调控。利用载流子效应实现的eopm可以达到1.25ghz的高调制速率，有利于实现高速地偏振态制备过程，从而提高qkd的速率。
47.本发明在含eopm的mzi中加入topm补偿两臂相位差，可实现30db高消光比，提高了偏振态制备的保真度。
48.本发明采用的mzi、移相器、偏振旋转器等结构均基于硅基成熟工艺，与成熟的微电子cmos工艺兼容。
49.本发明提供的一种偏振补偿的qkd方法降低了系统的误码率，提高了系统的传输距离。
50.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。