[发明专利]基于马赫曾德尔干涉仪-微环耦合的可调非线性频率变换波导芯片

权利要求书

1.一种基于马赫曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInteferometer，MZI)-微环耦合的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，所述MZI-微环耦合的芯片器件由相位可调的MZI和微环谐振腔构成，在二阶或/和三阶非线性光学材料上加工出波导光路，设计波导MZI作为微环谐振腔的耦合波导，通过热光、电光、光光效应器件来调控MZI干涉仪中两臂的相位差实现对微环品质因子即腔共振增强效果的调控，实现对微环中非线性变频过程的控制及优化，非线性过程包括经典非线性参量过程和产生量子光源的自发参量过程；

MZI的分束的两臂设有一定的光程差，而且两臂上起码在一条臂上的相位差能动态调节；两臂上相位差由MZI-微环耦合芯片中的相位调制器来调控，即通过热光、电光、光光效应器件来调控；微环的共振波长由微环上的热光、电光、光光效应器件来调控；

相位可调的MZI和微环谐振腔的结构，包括级联MZI-微环耦合结构，即干涉仪中有三个及以上的与微环耦合的区域，通过多个相位调制起来实现更大自由度的品质因子调控，包括两个或两个以上独立的Mach-Zehnder干涉仪和微环的耦合，每个MZI干涉仪分别控制不同共振波长的品质因子。

2.根据权利要求1所述的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，引入额外的耦合直波导，形成四端口的微环结构；所述MZI-微环耦合芯片包含MZI-微环耦合结构和其扩展结构的各种组合，提供阵列式的非线性变频器件和量子光源器件；所述MZI-微环耦合芯片还包括对入射光场和出射光场进行线性光学处理的波导集成光路。

3.根据权利要求1所述的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，所述MZI-微环耦合芯片的基质材料包括能制作成波导的所有二阶和三阶非线性光学材料，包括铌酸锂、硅、氮化硅、砷化镓、铝镓砷、氮化铝、氧化钽；MZI-微环耦合芯片中优化的非线性过程包含所有的二阶和三阶非线性光学过程，包含倍频、差频、和频、参量放大、参量振荡、自发参量下转换、三倍频、四波混频、自发四波混频过程。

4.根据权利要求1-3任一所述的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，所述MZI-微环耦合芯片还包括MZI-微环耦合结构之前和之后的波导集成光路，用于处理和操控入射到MZI耦合微环结构的泵浦激光以及从MZI耦合微环结构输出的参量光场和量子光源，这两部分波导集成光路都配有电光、热光、光光调制器。

5.根据权利要求4所述的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，光经由端耦合或者垂直耦合进入直波导后经由与微环的第一个耦合区进行耦合分束，分束后的一束光场耦入到微环，另一束光场经由干涉仪的另一臂自由传输，两束光场在微环与波导的第二个耦合区进行耦合，发生干涉后得到新的两束光场，一束光场经由直波导输出，另一束光场留在环中传输最终稳定为环的共振模式；干涉仪两臂上起码一臂上设置电光、热光、光光调制器来调控两路光程差改变干涉仪的输出效果，即等价于动态调控微环的耦合系数、外品质因子和总品质因子，从而优化微环中非线性过程的效率和产生量子光源的品质。

6.根据权利要求4所述的可调非线性频率变换波导芯片，其特征是，MZI的两臂光程差根据需要设计成不同值：设置所述MZI-微环耦合的波导芯片的臂差即光程差为微环周长的整数倍，调节MZI两臂的光程差即相位差能同步调节所有共振峰的品质因子，实现非线性过程中的几个波长同时达到临界耦合或其他特定的耦合状态；设置所述MZI-微环耦合的波导芯片的臂差为微环半周长的奇数倍时，实现微环中近邻共振峰的品质因子朝相反方向变化，即一个共振峰品质因子提高的同时其左右近邻的品质因子在下降。

7.根据权利要求1-6任一所述的可调非线性频率变换波导芯片的应用，其特征是，MZI-微环耦合芯片通过其干涉仪中相位调制得到高效率的经典参量光场以及高品质的量子光源即可以制备得到高效非线性变频器件以及高亮度单光子、双光子、多光子、高预知率单光子源、高纯度单光子、双光子及多光子源量子光源器件。