[發明專利]一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置

在審

• 申請號: 202211059797.3
• 申請日: 2022-08-30
• 公開（公告）號: CN115326212A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 李永民;賈雁翔;王旭陽;盧振國;劉建強;張瑜;郭旭波
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 太原申立德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14115
• 代理人: 孫樂

本發明公開了一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置，可用于對強度為光子數級別的脈沖相干態光場的正交分量進行精密測量。該裝置包括：高數值孔徑的光纖陣列，硅基光電子芯片和外圍電路三部分，其中高數值孔徑光纖陣列與硅基光電子芯片采用端面耦合方式相連，可將信號光和本地光導入硅基芯片中，硅基芯片包括兩個端面耦合器，50/50多模干涉耦合器，兩個光衰減器，兩個鍺光電二極管；外圍電路提供芯片運行所需的精密電壓源和低噪聲放大電路等。該探測裝置具有體積小、功耗低、成本低、精度高、穩定性好等優點。

技術領域

本發明涉及連續變量量子信息領域，具體涉及可用于對強度為光子數級別的脈沖相干態光場的正交分量進行精密測量的一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置。

背景技術

平衡零拍探測裝置能夠對光場的正交分量進行測量，廣泛應用于量子通信、量子層析、量子計算和量子精密測量等量子信息領域。該探測裝置主要可分為頻域和時域兩種類型，其中時域探測裝置能夠直接測量脈沖光場的正交分量，無需采用頻率邊帶技術。同時，該探測裝置具有與光子計數探測技術相兼容和對強度為光子數級別的脈沖光場的正交分量進行精密測量的優點，但其需要具有高的共模抑制比。在自由空間和光纖器件的量子信息實驗中，通常采用響應一致的兩個光電二極管、光纖彎曲衰減等技術實現探測裝置的高共模抑制比。但受硅基光電子芯片工藝的限制，硅基光電子芯片技術與CMOS工藝相兼容，采用光刻、摻雜和刻蝕等工藝，將光電器件規模化集成在硅基芯片上。因此，上述技術不適用于集成化的硅基光電子芯片。

現有相關技術研究中，“Silicon photonics interfaced with integratedelectronics for 9GHz measurement of squeezed light.Nature Photonics,15(1),11-15(2021)”和“Integrated balanced homodyne photonic–electronic detector forbeyond 20GHz shot-noise-limited measurements.Optica,8(9),1146-1152(2021)”的文獻僅僅對基于硅基光電子芯片的頻域平衡零拍探測器進行了報道。但目前尚沒有對基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置的具體實施技術方案進行研究的相關報道。上述兩篇文獻中提及的硅基光電子芯片，其采用了信號光和本地光的垂直耦合技術，但這種耦合損耗較大，致使探測器的探測效率較低；另外，在雙臂平衡過程中，引入了基于熱相移器的MZ干涉儀對光場進行衰減，在衰減過程中，由于其具有消光點漂移、衰減不穩定、精度差、較難實現后續的雙臂自動平衡等缺點。因此，上述芯片的設計也不適用于基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測技術。

發明內容

本發明針對背景技術中現有時域平衡零拍探測裝置在硅基光電子芯片應用中技術的缺陷以及時域平衡零拍探測裝置存在探測效率的問題，從而實現對強度為光子數級別的脈沖光場的正交分量進行精密測量，本發明公開的探測裝置則是將信號光和本地光以端面耦合的方式導入到硅基光電子芯片中，實現了較低的耦合損耗；同時基于載流子吸收效應，采用PIN相位調制器可對片上兩輸出臂光強實現精密、穩定的調節，實現了片上高共模抑制比。基于上述可行性的理論分析以及試驗驗證，本發明利用硅基集成電路上的技術來設計、制造、封裝光器件和光電集成電路，從而在成本、體積和功耗上取得突破的一種技術。為此，本發明提供了一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置。