一种补偿的基于薄膜铌酸锂波导的不等臂马赫-曾德尔干涉仪

技术领域

本发明涉及一种补偿的基于薄膜铌酸锂波导的不等臂马赫-曾德尔干涉仪，涉及光量子集成器件技术领域。

背景技术

马赫-曾德尔干涉仪(英文全称Mach-Zehnder Interferometer，文中简称：MZI)是一种由具有强电光效应的材料制成的干涉结构。将电场施加到臂上并通过电光效应来调制波导材料的折射率从而使得通过该波导的光波获得相位调制。最后当两个臂上传送的光波会合时，这两束光之间的干涉将把相位调制转换为强度调制。

传统基于分立元件的不等臂马赫-曾德尔干涉仪的整个结构包括：光束分束器、光束合束器、光纤以及相移器，分束器与合束器也就是50/50分光器。分立元件的相对位置校准难度较大，且会出现一些无法避免的扰动，从而影响其工作性能，稳定性较差，且延时精度不高，链路一致性差。

薄膜铌酸锂材料本身非常稳定、有寿命长、损耗低、受温度及系统波长影响较小等优点，又因为薄膜铌酸锂具有高折射率，可以缩短弯曲半径和更高的集成密度，因此选用薄膜铌酸锂作为相位调制材料是一种优选方案，目前已经成为量子通信保密系统中的关键器件。

理论上应使用等臂M-Z干涉环实现两地之间的量子密钥分配。但是在实际条件下，要求臂长完全相等才能够得到良好的输出结果，这在实验中一般无法做到。最低要求需要使干涉环的相干性与光源的相干性相匹配。如果两臂的臂长差大于激光器的最大相干长度，则无法得到干涉结果。实际的量子密码的传输距离往往超过几十甚至上百公里，而干涉环的最大不匹配长度一般在厘米到毫米量级，在这样的长度上制作如此精度要求的干涉环是非常困难的。此外由于光子所走过的路径不同，环境对于两臂的干扰不同，故而干涉结果同样无法保持稳定。为了解决长距离等臂干涉环加工难的问题，提出了不等臂M-Z干涉环的方案。

传统的量子密钥分发系统利用光在光纤中通过的光程来形成不等臂的结构。但是随着调制带宽的逐渐增加，例如，电光调制的带宽达到了10GHZ，光纤的长度只有2cm，就很难在系统中使用光纤熔接实现延时环，因此我们考虑在片上制作不等臂的结构，可以大大减小体积，减少结构的复杂度，具有稳定性高、结构更紧凑、相位延时精度高、链路一致性高、批量制作等优点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种补偿的基于薄膜铌酸锂波导的不等臂马赫-曾德尔干涉仪，用以解决量子密钥系统中随着成码率需求越来越大，不等臂光纤延时越来越小而无法通过光纤熔接的方式实现的问题；另外由于波导的弯曲会引起薄膜铌酸锂折射率的改变，导致延时不精确的问题。

为解决上述的技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

将量子密钥分发系统里的不等臂马赫-曾德尔调制器中的光束分束器、相位调制器、光束合束器、光纤延时环集成至同一芯片上，使其具有精确延时和相位调制的功能；干涉仪由集成在芯片上的薄膜铌酸锂波导制成，按区域结构将干涉仪划分为：Y分支分束器(10)、Y分支合束器(11)、上左波导、上右波导、相位调制区(17)、下左延时补偿波导(19)以及下右延时补偿波导(20)。

上左波导和上右波导结构相同，且空间位置对称，上左波导具体包括多根弯曲波导(15)和多根上臂短直波导(16)，多根上臂短直波导(16)相互平行设置，相邻两根上臂短直波导(16)由一根弯曲波导(15)连接，上左波导和相位调制区(17)之间通过弯曲波导(15)相连；下左延时补偿波导(19)和下右延时补偿波导(20)呈对称结构，具体由多根弯曲波导(15)相连接组成，下参考臂(12)用于连接下左延时补偿波导(19)和下右延时补偿波导(20)。

上左波导一端与Y分支分束器(10)的上臂连接，上左波导另一端通过相位调制区(17)与上右波导一端相连，上右波导的另一端与Y分支合束器(11)的上臂连接；Y分支分束器(10)的下臂连接下左延时补偿波导(19)，下左延时补偿波导(19)通过下参考臂波导(12)与下右延时补偿波导(20)一端连接，下右延时补偿波导(20)的另一端与Y分支合束器(11)下臂连接；相位调制区(17)和下参考臂波导(12)所走的光程相同，相互抵消，下左延时补偿波导(19)所走的光程补偿了上左波导中的所有弯曲波导所走的光程，下右延时补偿波导(20)所走的光程补偿了上右波导中所有弯曲波导所走的光程，因此上左波导中所有上臂短直波导(16)与上右波导中所有上臂短直波导(16)所走的光程就对应所需要的延时。

还在相位调制区(17)两侧设置了电极(18)，通过改变电极(18)上加载的电压，改变了相位调制区(17)铌酸锂波导的折射率，从而影响光的传输特性，将要传输的电信号加载至光波中，使激光发射的单色光转换成携带有信息的光信号，从而实现相位调制。

根据干涉仪所需要的延时时间Δt，以及薄膜铌酸锂的折射率n

ΔX＝Δt*C

其中，ΔX为真空中光传输的长度，C为光速；

即可计算出在薄膜铌酸锂上产生该延时时间Δt所需要波导的长度；

上左波导中所有上臂短直波导(16)长度之和与上右波导中所有上臂短直波导(16)长度之和相同，即为ΔX

当一束脉冲信号通过Y分支分束器，被分成了上下两路信号。上路信号经过一段延时调制之后进入到Y分支合束器的上臂。下路信号通过对上臂弯曲波导的补偿到达Y分支合束器的下臂。两路光信号相互干涉，使特定的频率信号增强，相反则使得特定的频率信号相消。通过调节偏置电压，可以实现干涉相位精细可调，从而改变光传感、通信系统的性能。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)稳定性高、集成度高。传统量子密钥分发系统受环境的扰动因素大，基于半导体工艺制作平台制作延时的不等臂马赫-曾德尔干涉仪，将量子密钥分发系统中的马赫-曾德尔调制器、不等臂干涉环在集成波导上实现，可大大减小体积，提高了稳定性，减少了环境对其所带来的影响。

(2)相位延时精度高、链路一致性高。单片上实现相位调制和延时差，将复杂的结构进行集成，结构变得更简洁。熟悉工艺制作之后，可通过一次制作，链路得一致性会更好。计算出所需要的延时长度画好版图，制作出来的薄膜铌酸锂波导可以精确控制延时，无需再像传统的器件再进行控制。加入对弯曲波导的补偿后，延时精度会更高。

附图说明

图1是由多个分立元件组成的不等臂相位调制器的结构示意图；

图2是本发明实施例在薄膜铌酸锂上刻蚀的具有补偿功能的不等臂马赫-曾德尔干涉仪波导延时的示意图。

图示说明：

图中：光束分束器1、相位调制器2、光纤延时环3、光束合束器4、第一光纤5、第二光纤6、第三光纤7、第四光纤8、第五光纤9，Y分支分束器10、Y分支合束器11、下参考臂波导12、上左延时直波导区23，上右延时直波导区24，弯曲波导15、第一弯曲波导区13、第二弯曲波导区14、第三弯曲波导区21、第四弯曲波导区22、上臂短直波导16、相位调制区17、电极18、下左延时补偿波导19、下右延时补偿波导20。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。

如图1所示，是由多个分立元件组成的不等臂相位调制器的结构示意图。在第一光纤5中输入一束脉冲信号，经过光束分束器1分成上下两束周期相同，功率减半的脉冲信号，上束脉冲信号通过第二光纤6经过相位调制2后经过1ns的光纤延时环3，再通过第三光纤7到达光束合束器4，下束脉冲信号通过第五光纤9直接到达光束合束器4。上下两束脉冲信号最终在光束合束器4中合束产生干涉，通过第四光纤8输出。因为上束脉冲信号相对于下束脉冲信号落后了1ns，所以输出间隔为1ns的脉冲信号。

现将实现上述图1中功能的结构集成。

与由多个分立元件组成的不等臂相位调制器相比，Y分支分束器10代替了分立元件中的光束分束器1，Y分支合束器11代替了分立元件中的光束合束器4，上左波导和上右波导代替了分立元件中的第二光纤6、第三光纤7和光纤延时环3，下参考臂波导12代替了分立元件中的第五光纤9，电极18代替了分立元件中相位调制2。

图2是本发明实施例在薄膜铌酸锂上刻蚀的具有补偿功能的不等臂马赫-曾德尔干涉仪波导延时的示意图。其中，上左波导划分为第一弯曲波导区13、第三弯曲波导区21和上左延时直波导区23，上右波导划分为第二弯曲波导区14、第四弯曲波导区22和上右延时直波导区24。给一束周期为2ns的脉冲信号通过Y分支分束器10，分成了上下两束周期相同，功率减半的脉冲信号。上束脉冲信号经过上左波导，延时500ps，在经过相位调制区17的时候，通过改变施加在电极18上的加载电压，改变了相位调制区17铌酸锂波导的折射率，从而影响光的传输特性，将要传输的电信号加载至光波中，使脉冲信号转换成携带有信息的信号，从而实现相位调制。随后经过上右波导，再次延时500ps，到达Y分支合束器11的上臂；下束脉冲信号经过下左补偿波导19，经过下参考臂波导12，通过下右补偿波导20到达Y分支合束器11的下臂。上下两束脉冲信号在Y分支合束器11上合束，光合束后会产生干涉，最终输出的光强会产生强度的变化，实现强度调制。相位调制区17和下参考臂波导12所走的光程相同，相互抵消，下左延时补偿波导19补偿了第一弯曲波导区13和第三弯曲波导区21，下右延时补偿波导20补偿了第二弯曲波导区14和第四弯曲波导区22，因此上左延时直波导区23和上右延时直波导区24相累加就是所需要的延时，为1ns。因为上束脉冲信号相对于下束脉冲信号落后了1ns，所以输出周期为1ns的脉冲信号。

其中上左波导和上右波导由弯曲波导15、上臂短直波导16这两个部分相互连接组成。

根据上述的描述，我们进行波导长度和弯曲半径的设计。

因为我们所需要的延时为1ns，根据薄膜铌酸锂的折射率为2.138，根据公式

我们所用的芯片大小为1cm x 1cm，需要在上面刻蚀波导来形成不等臂的结构。根据延时需要总共140318um的光程要求，我们设计上左延时直波导区23和上右延时直波导区24的上臂短直波导16各22根，每根长度为3189um，共44根。由于相位调制区17和下参考臂波导12所走的光程相同，所需要的时间相同，所以相互抵消，下左延时补偿波导19补偿了第一弯曲波导区13和第三弯曲波导区21，下右延时补偿波导20补偿了第二弯曲波导区14和第四弯曲波导区22，即上左延时直波导区23和上右延时直波导区24相累加就是所需要的延时。在满足芯片尺寸要求以及所需波导的总长要求的基础上，每根上臂短直波导的长度以及弯曲的长度可自行设计。

由此可见，本发明的一种补偿的基于薄膜铌酸锂波导的不等臂马赫-曾德尔干涉仪，基于半导体工艺制备，稳定性高、集成度高；将复杂的结构进行集成，结构变得更简洁，通过制备工艺可完成一次制作，链路得一致性会更好；通过计算所需要的延时，可设计版图制作，可实现精确的延时，避免了在量子密钥分发系统中传统分立器件光纤过短而无法进行熔接的问题。通过对弯曲波导的补偿，延时精度会更高。应用本发明实施例所提供的方案，有利于提升量子密钥分发系统的成码率和小型化发展。

以上所述的实施案例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。