摘要
单光子源是量子计算、量子通信网络中必不可少的组成之一，K.L.M提出利用测量引入非线性过程，为线性量子计算铺平了道路。线性量子计算需要高质量的单光子源，需要单光子源具有单光子、确定性、高不可分辨率以及高亮度的特性。硅基集成的单光子源能够与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺兼容，可大规模集成，而且具有相位稳定，易于控制的优势，和后续的光子线路也能够完全集成在一起，因此具有广阔的发展前景。硅基集成的单光子源是利用自发四波混频效应产生光子对，该过程是概率的，但是可以通过时分复用，频分复用等各种方式实现“确定”的单光子。复用单光子源的关键组成部分为单光子源阵列和交换网络。本文即围绕单光子源和交换网络架构进行研究，主要对微环单光子源的设计，微环波长监测和锁定，交换网络架构等这些关键问题进行深入研究，主要的贡献和创新在以下四个方面： 1.基于微环的单光子源阵列设计及基于单光子计数的微环波长锁定方案：针对微环谐振腔锁定时探测器放大倍数不够导致的锁定精度不足的问题，本研究提出直接利用单光子计数的结果进行反馈控制，更加精确的控制微环的谐振波长。本研究对基于螺旋线和微环谐振器的单光子源性能进行建模分析，在实验上表征了其CAR,纯度，预示概率等性能特点,并完成了基于单光子计数的双微环并行波长锁定。 2.基于串联双环的无阻塞交换网络：针对复用单光子源对交换网络端口灵活扩展的需求，提出了一种基于串联双环的Half-Crossbar的交换网络，该结构扩展更灵活，使用较少的基本开关单元就能实现任意交换的功能。本研究设计了4×4的交换网络结构，在实验上对其插损、串扰、开关时间、高速信号传输能力均进行表征。该网络应用于复用单光子源架构中，传输效率和基本单元效率的N-1次方正相关，N为单光子源的数目，通过单光子源数目的增加可以将预示效率提升为1。 3.基于串联双环的严格无阻塞交换网络：为了减少交换网络开关级数且能够保证交换网络的自由度，路由光子时在任何时刻都能建立起任意输入端口到任意输出端口的连接，而不影响已建立的连接状态，基于此本研究设计了Double-layer结构的4端口网络。本项工作分析了Double-layer结构下的单光子产生概率与单光子源数目的关系，该网络以O(log2(N))增加开关级数，与Half-crossbar结构相比其单通道损耗会更低，因此该网络应用于复用单光子源架构中更具优势，在相同的单光子源数目下单光子产生概率更高。 4.基于双环的波长监测方案：针对波长监测问题，提出利用双法诺干涉效应实现超高分辨率的波长监测。两束相位不同的光在微环谐振器内干涉会产生法诺效应，表现为陡峭的干涉谱线，利用该干涉谱线能够实现波长监测功能。波长监测功能的硬件实现是基于马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interference,MZI)结构，将MZI其中一个多模干涉仪(Multi-mode Interference,MMI)更换为串联双环，通过调节MZI的两臂相位差来调节进入微环的两束光的相位，同时也能改变谱线斜率。干涉谱线的斜率变化均围绕两个点进行，其所在的功率恰好是3dB干涉点，因此能够形成双“X”谱线，具有自对准功能。测试结果表明，该波长检测结构可以实现1pm的波长分辨率，理论上可以实现0.4pm的波长分辨率。
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