[發明專利]一種補償的基于薄膜鈮酸鋰波導的不等臂馬赫-曾德爾干涉儀

在審

• 申請號: 202210403679.3
• 申請日: 2022-04-18
• 公開（公告）號: CN114675461A
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 楊登才;張旭濤;寶劍鋒;楊鋒
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G02F1/21
• 分類號: G02F1/21;G02F1/225;G02B6/125
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

本發明公開了一種補償的基于薄膜鈮酸鋰波導的不等臂馬赫?曾德爾干涉儀，用于解決量子密鑰系統中隨著成碼率需求越來越大，不等臂光纖延時越來越小而無法通過光纖熔接的方式實現的問題。包括Y分支分束器、Y分支合束器、下參考臂波導、上左波導、上右波導、下左延時補償波導、下右延時補償波導、相位調制區。上左波導和上右波導結構相同，下左延時補償波導和下右延時補償波導結構相同，且他們都滿足空間位置對稱。當一束脈沖信號通過Y分支分束器，被分成了上下兩路信號。上路信號經過一段延時調制之后進入到Y分支合束器的上臂。下路信號通過對上臂彎曲波導的補償到達Y分支合束器的下臂。兩路光信號相互干涉，使特定的頻率信號增強，相反則使得特定的頻率信號相消。

技術領域

本發明涉及一種補償的基于薄膜鈮酸鋰波導的不等臂馬赫-曾德爾干涉儀，涉及光量子集成器件技術領域。

背景技術

馬赫-曾德爾干涉儀(英文全稱Mach-Zehnder Interferometer，文中簡稱：MZI)是一種由具有強電光效應的材料制成的干涉結構。將電場施加到臂上并通過電光效應來調制波導材料的折射率從而使得通過該波導的光波獲得相位調制。最后當兩個臂上傳送的光波會合時，這兩束光之間的干涉將把相位調制轉換為強度調制。

傳統基于分立元件的不等臂馬赫-曾德爾干涉儀的整個結構包括：光束分束器、光束合束器、光纖以及相移器，分束器與合束器也就是50/50分光器。分立元件的相對位置校準難度較大，且會出現一些無法避免的擾動，從而影響其工作性能，穩定性較差，且延時精度不高，鏈路一致性差。

薄膜鈮酸鋰材料本身非常穩定、有壽命長、損耗低、受溫度及系統波長影響較小等優點，又因為薄膜鈮酸鋰具有高折射率，可以縮短彎曲半徑和更高的集成密度，因此選用薄膜鈮酸鋰作為相位調制材料是一種優選方案，目前已經成為量子通信保密系統中的關鍵器件。

理論上應使用等臂M-Z干涉環實現兩地之間的量子密鑰分配。但是在實際條件下，要求臂長完全相等才能夠得到良好的輸出結果，這在實驗中一般無法做到。最低要求需要使干涉環的相干性與光源的相干性相匹配。如果兩臂的臂長差大于激光器的最大相干長度，則無法得到干涉結果。實際的量子密碼的傳輸距離往往超過幾十甚至上百公里，而干涉環的最大不匹配長度一般在厘米到毫米量級，在這樣的長度上制作如此精度要求的干涉環是非常困難的。此外由于光子所走過的路徑不同，環境對于兩臂的干擾不同，故而干涉結果同樣無法保持穩定。為了解決長距離等臂干涉環加工難的問題，提出了不等臂M-Z干涉環的方案。

傳統的量子密鑰分發系統利用光在光纖中通過的光程來形成不等臂的結構。但是隨著調制帶寬的逐漸增加，例如，電光調制的帶寬達到了10GHZ，光纖的長度只有2cm，就很難在系統中使用光纖熔接實現延時環，因此我們考慮在片上制作不等臂的結構，可以大大減小體積，減少結構的復雜度，具有穩定性高、結構更緊湊、相位延時精度高、鏈路一致性高、批量制作等優點。

發明內容

本發明的目的在于提出一種補償的基于薄膜鈮酸鋰波導的不等臂馬赫-曾德爾干涉儀，用以解決量子密鑰系統中隨著成碼率需求越來越大，不等臂光纖延時越來越小而無法通過光纖熔接的方式實現的問題；另外由于波導的彎曲會引起薄膜鈮酸鋰折射率的改變，導致延時不精確的問題。

為解決上述的技術問題，本發明的技術方案是這樣實現的：

將量子密鑰分發系統里的不等臂馬赫-曾德爾調制器中的光束分束器、相位調制器、光束合束器、光纖延時環集成至同一芯片上，使其具有精確延時和相位調制的功能；干涉儀由集成在芯片上的薄膜鈮酸鋰波導制成，按區域結構將干涉儀劃分為：Y分支分束器(10)、Y分支合束器(11)、上左波導、上右波導、相位調制區(17)、下左延時補償波導(19)以及下右延時補償波導(20)。