三维光量子芯片模组的制备方法及三维光量子芯片模组

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种三维光量子芯片模组的制备方法及三维光量子芯片模组。


背景技术：

2.三维光量子芯片由飞秒激光在衬底材料内直写的各种形状与结构的波导阵列组成，能够实现更复杂、功能更强大的光量子计算，具有广阔的应用前景。
3.三维光量子芯片通常需要通过外部光源照明来实现量子信号的处理。三维光量子芯片与外部光源的高效耦合与封装技术一直是三维光量子芯片的核心技术难点。
4.目前三维光量子芯片与外部信号的耦合方式是通过高倍显微物镜将外部光源汇聚，并在焦点处与三维光量子芯片端口处进行耦合。高倍显微物镜耦合方案虽然表现出相对低的耦合损耗，但是对整个耦合系统有着极高的装调对准要求：首先，高倍显微物镜的焦点要通过外部机械机构精确对准口径只有微米级的光量子芯片端口；其次，周围工作环境的轻微震动就会导致物镜的焦点偏移，耦合效率大幅下降。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的是提供一种三维光量子芯片模组的制备方法及三维光量子芯片模组，旨在解决现有技术中的三维光量子芯片耦合效率低的问题。
6.本发明实施例是这样实现的：一种三维光量子芯片模组的制备方法，所述方法包括:提供一光量子芯片基底；在所述光量子芯片基底的端面沉积tio2层，后在所述tio2层上涂覆光刻胶形成光刻胶层；在所述光量子芯片基底上制备光量子芯片，并在所述光量子芯片基底的端面边缘的不同部位加工多个穿过所述tio2层和光刻胶层的定位波导；根据所述定位波导的位置进行对应的电子束曝光的加工，后依次进行显影、刻蚀以在所述光量子芯片基底上形成光耦合超透镜结构。
7.进一步的，上述三维光量子芯片模组的制备方法，其中，所述光耦合超透镜结构的制备方法包括：获取外部光源属性，并根据所述外部光源属性定义所述光耦合超透镜结构的目标相位分布；根据所述目标相位分布确定所述光耦合超透镜结构的传输相位，并建立传输相位型单元胞结构；获取所述传输相位型单元胞结构透射相位，并等间隔扫描所述传输相位型单元胞结构的半径，建立不同尺寸与透射相位对应的透射相位库；获取所述光耦合超透镜结构不同位置的传输相位，从所述透射相位库中排列组合
不同半径的单元胞结构组合得到所述光耦合超透镜结构。
8.进一步的，上述三维光量子芯片模组的制备方法，其中，所述制备方法还包括：获取所述光耦合超透镜结构的近场电场分布，并通过物理光学传播算法计算获得所述光耦合超透镜结构的远场分布；根据所述光耦合超透镜结构焦点处的电场，通过bmp方法，计算在所述光量子芯片的光波导预设距离后的电场强度以确定光量子芯片与外部光源的耦合效率。
9.进一步的，上述三维光量子芯片模组的制备方法，其中，所述光耦合超透镜结构的目标相位分布为：；其中为坐标为处的传输相位，为照明光源的波长，为光耦合超透镜结构的焦距。
10.进一步的，上述三维光量子芯片模组的制备方法，其中，所述光量子芯片基底为六面抛光的长方体二氧化硅，折射率为1.5。进一步的，上述三维光量子芯片模组的制备方法，其中，采用刮涂或者旋涂在所述tio2层表面涂覆光刻胶，其中，光刻胶为正胶或负胶。进一步的，上述三维光量子芯片模组的制备方法，其中，进行显影的步骤包括：通过冲洗或者等离子体去胶机，对电子束曝光后的三维光量子芯片基底进行显影。
11.进一步的，上述三维光量子芯片模组的制备方法，其中，所述三维光量子芯片基底的可见光波段采用sio2，近红外波段采用硫系玻璃。
12.本发明的另一个目的在于提供一种三维光量子芯片模组，采用上述任一项所述的三维光量子芯片模组的制备方法制备得到，所述三维光量子芯片模组包括：光量子芯片基底；分别设于所述光量子芯片基底上的光耦合超透镜结构和光量子芯片。
13.进一步的，上述三维光量子芯片模组，其中，所述三维光量子芯片的入射端口位置与所述光耦合超透镜结构的焦点重合。
14.与现有技术相比：本发明通过利用光量子芯片基底，在光量子芯片基底的端面沉积tio2层，后在tio2层上涂覆光刻胶，在光量子芯片基底上制备光量子芯片，并在基底端面的不同部位加工多个定位波导，以便电子束曝光定位，根据定位波导的位置，进行电子束曝光的加工，后进行显影、刻蚀，以在所述光量子芯片基底的端面形成光耦合超透镜结构，从而可以以超透镜作为聚光系统，将入射外部光源高效地转化为聚焦的光源，并耦合进入三维光量子芯片端口内，无需通过高倍显微物镜将外部光源汇聚，大大的提升了光量子芯片的耦合效率，解决了现有技术中光量子芯片的耦合效率低的问题。
附图说明
15.图1为本发明第一实施例当中的外延片的三维光量子芯片模组的制备方法的流程图；
图2为本发明一实施例当中的外延片的三维光量子芯片模组的制备方法的中的传输相位型单元胞结构的结构示意图；图3为本发明一实施例当中的外延片的三维光量子芯片模组的制备方法的中的超透镜结构示意图；图4为本发明一实施例当中的外延片的三维光量子芯片模组的制备方法的测试流程示意图。
16.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
17.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
18.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
19.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
20.为了便于理解本发明，下面将参照相关实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
21.实施例一请参阅图1，所示为本发明第一实施例中提出的三维量子芯片的制备方法，所述制备方法包括步骤s10~s13。
22.步骤s10，提供光量子芯片基底。
23.其中，光量子芯片基底分别为光量子芯片的制备以及光耦合的超透镜结构提供基础，具体的，选用六面抛光的长方体二氧化硅作为光量子芯片基底，长方体二氧化硅的折射率选取为1.5左右，并在选取后以及进入下一步的工艺前使用超声清洗光量子芯片基底上的杂质并烘干。
24.另外，在本发明一些可选的实施例当中，三维光量子芯片的基底可见光波段优选采用sio2，近红外波段优选采用硫系玻璃。
25.步骤s11，在所述光量子芯片基底的端面沉积tio2层，后在所述tio2层上涂覆光刻胶形成光刻胶层。其中，光量子芯片基底的端面用于生成光耦合超透镜结构，首先，在光量子芯片基底的端面沉积tio2超透镜材料，在具体实施时，可以采用等离子体增强化学气相沉积方法或者磁控溅射方法在清洗干净的二氧化硅基底层表面沉积tio2层，后在tio2层上涂覆光刻胶，具体的，可以采用刮涂或者旋涂等方法在tio2表面涂覆光刻胶，光刻胶可以为正胶与负
胶。
26.步骤s12，在所述光量子芯片基底上制备光量子芯片，并在所述光量子芯片基底的端面边缘的不同部位加工多个穿过所述tio2层和光刻胶层的定位波导。
27.其中，采用飞秒激光直写技术在二氧化硅基底制备所需的三维光量子芯片，并在基底端面的不同部位加工多个定位波导，定位波导需穿过tio2层与光刻胶层，以便电子束曝光定位。
28.步骤s13，根据所述定位波导的位置进行对应的电子束曝光的加工，后依次进行显影、刻蚀以在所述光量子芯片基底上形成光耦合超透镜结构。
29.其中，根据定位波导进行电子束曝光，并通过等离子体电感耦合刻蚀（icp刻蚀）进行刻蚀，在tio2层形成超透镜结构。
30.另外，在本发明一些可选的实施例当中，为了进一步的提升刻蚀效果，在进行电子束曝光后通过冲洗或者等离子体去胶机，进行显影。
31.具体的，在进行icp刻蚀，为了保证形成的超透镜结构能够满足光耦合，需要对形成的超透镜结构的中的各个性能参数进行设定以制备出对应合适的超透镜结构，其中：光耦合超透镜结构的制备方法包括：获取外部光源属性，并根据所述外部光源属性定义所述光耦合超透镜结构的目标相位分布；根据所述目标相位分布确定所述光耦合超透镜结构的传输相位，并建立传输相位型单元胞结构；获取所述传输相位型单元胞结构透射相位，并等间隔扫描所述传输相位型单元胞结构的半径，建立不同尺寸与透射相位对应的透射相位库；获取所述光耦合超透镜结构不同位置的传输相位，从所述透射相位库中排列组合不同半径的单元胞结构组合得到所述光耦合超透镜结构。
32.具体的，光耦合超透镜的超结构通过fdtd方法仿真优化获得，主要分为定义超透镜的目标相位分布以及单元胞相位模拟并组合成超透镜两部分，在具体实施时，根据外部光源属性，定义超透镜的目标相位分布。对于最常见的平行光、汇聚光束，使用球面相位；对于特殊的外部光源，如涡旋光及其他复杂光场，使用optic studio光线追踪和优化功能实现最小的 rms 光斑半径的相位设计，且超透镜的相位可以为传输相位或几何相位的调控方式，在本实施例当中，超透镜的相位为传输相位调控。
33.其中，外部为平行光照明，光耦合超透镜结构的目标相位分布为：；其中，为坐标为处的传输相位，为照明光源的波长，为光耦合超透镜结构的焦距。
34.建立图2所示的传输相位型单元胞结构，其中圆柱部分为tio2，衬底为三维光量子芯片基底sio2。通过时域有限差分（fdtd）法计算获得单元胞近场透射相位，并等间隔扫描圆柱半径，可以获得不同半径元胞的传输相位，并建立不同尺寸与透射相位建立的相位/半径库。按照不同位置的，从相位/半径库中排列组合不同半径的元胞组合成图3所示
的超透镜结构，其中，图示的左边，即图3中的（a）为超透镜的三维视图，图示的右边，即图3中的（b）为超透镜的俯视图。
35.另外，在本发明一些可选的实施例当中，为了通过耦合效率对制备的三维光量子芯片进行验证，需要对耦合效率进行计算，所述制备方法还包括：获取所述光耦合超透镜结构的近场电场分布，并通过物理光学传播算法计算获得所述光耦合超透镜结构的远场分布；根据所述光耦合超透镜结构焦点处的电场，通过bmp方法，计算在所述光量子芯片光波导预设距离后的电场强度以确定光量子芯片与外部光源的耦合效率。
36.具体的，基于fdtd方法计算获得超透镜的近场电场分布，并通过物理光学传播算法计算获得超透镜的远场分布。通过焦点处的电场，通过bmp方法，计算在光子芯片光波导预设距离后的电场强度，计算耦合效率，其中，预设距离可以根据情况进行设定，例如采取经验值。
37.另外，在本发明一些可选的实施例，通过外部平行光源照明，波导出口位置放置光功率计，对耦合效率进行表征，具体的，可以如图4所示。
38.综上，本发明上述实施例提出的三维光量子芯片的制备方法，通过利用光量子芯片基底，在光量子芯片基底的端面沉积tio2层，后在tio2层上涂覆光刻胶，在光量子芯片基底上制备光量子芯片，并在基底端面的不同部位加工多个定位波导，以便电子束曝光定位，根据定位波导的位置，进行电子束曝光的加工，后进行icp刻蚀，以在所述光量子芯片基底的端面形成光耦合超透镜结构，从而可以以超透镜作为聚光系统，将入射外部光源高效地转化为聚焦的光源，并耦合进入三维光量子芯片端口内，无需通过高倍显微物镜将外部光源汇聚，大大的提升了光量子芯片的耦合效率，解决了现有技术中光量子芯片的耦合效率低的问题。
39.实施例二本发明实施例提出一种三维光量子芯片，该三维光量子芯片由上述实施例一提出的三维光量子芯片制备方法制备得到，该三维光量子芯片包括：光量子芯片基底；分别设于所述光量子芯片基底上的光耦合超透镜结构和光量子芯片，其中，三维光量子芯片的入射端口位置与光耦合超透镜结构的焦点重合。
40.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种三维光量子芯片模组的制备方法，其特征在于，所述方法包括:提供一光量子芯片基底；在所述光量子芯片基底的端面沉积tio2层，后在所述tio2层上涂覆光刻胶形成光刻胶层；在所述光量子芯片基底上制备光量子芯片，并在所述光量子芯片基底的端面边缘的不同部位加工多个穿过所述tio2层和光刻胶层的定位波导；根据所述定位波导的位置进行对应的电子束曝光的加工，后依次进行显影、刻蚀以在所述光量子芯片基底上形成光耦合超透镜结构。2.根据权利要求1所述的三维光量子芯片模组的制备方法，其特征在于，所述光耦合超透镜结构的制备方法包括：获取外部光源属性，并根据所述外部光源属性定义所述光耦合超透镜结构的目标相位分布；根据所述目标相位分布确定所述光耦合超透镜结构的传输相位，并建立传输相位型单元胞结构；获取所述传输相位型单元胞结构透射相位，并等间隔扫描所述传输相位型单元胞结构的半径，建立不同尺寸与透射相位对应的透射相位库；获取所述光耦合超透镜结构不同位置的传输相位，从所述透射相位库中排列组合不同半径的单元胞结构组合得到所述光耦合超透镜结构。3.根据权利要求1所述的三维光量子芯片模组的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：获取所述光耦合超透镜结构的近场电场分布，并通过物理光学传播算法计算获得所述光耦合超透镜结构的远场分布；根据所述光耦合超透镜结构焦点处的电场，通过bmp方法，计算在所述光量子芯片的光波导预设距离后的电场强度以确定光量子芯片与外部光源的耦合效率。4.根据权利要求2所述的三维光量子芯片模组的制备方法，其特征在于，所述光耦合超透镜结构的目标相位分布为：；其中为坐标为处的传输相位，为照明光源的波长，为光耦合超透镜结构的焦距。5.根据权利要求1所述的三维光量子芯片模组的制备方法，其特征在于，所述光量子芯片基底为六面抛光的长方体二氧化硅，折射率为1.5。6.根据权利要求1所述的三维光量子芯片模组的制备方法，其特征在于，采用刮涂或者旋涂在所述tio2层表面涂覆光刻胶，其中，光刻胶为正胶或负胶。7.根据权利要求1所述的三维光量子芯片模组的制备方法，其特征在于，进行显影的步骤包括：通过冲洗或者等离子体去胶机，对电子束曝光后的三维光量子芯片基底进行显影。8.根据权利要求1所述的三维光量子芯片模组的制备方法，其特征在于，所述三维光量
子芯片基底的可见光波段采用sio2，近红外波段采用硫系玻璃。9.一种三维光量子芯片模组，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的三维光量子芯片模组的制备方法制备得到，所述三维光量子芯片模组包括：光量子芯片基底；分别设于所述光量子芯片基底上的光耦合超透镜结构和光量子芯片。10.根据权利要求9所述的三维光量子芯片模组，其特征在于，所述三维光量子芯片的入射端口位置与所述光耦合超透镜结构的焦点重合。

技术总结
本发明提供一种三维光量子芯片模组的制备方法及三维光量子芯片模组，所述方法包括；提供一光量子芯片基底；在所述光量子芯片基底的端面沉积TiO2层，后在所述TiO2层上涂覆光刻胶形成光刻胶层；在所述光量子芯片基底上制备光量子芯片，并在所述光量子芯片基底的端面边缘的不同部位加工多个穿过所述TiO2层和光刻胶层的定位波导；根据所述定位波导的位置进行对应的电子束曝光的加工，后依次进行显影、刻蚀以在所述光量子芯片基底上形成光耦合超透镜结构。本发明解决了现有技术中三维光量子芯片的耦合效率低的问题。片的耦合效率低的问题。片的耦合效率低的问题。


技术研发人员：吴之旭 唐荣欣 夏勇 王玉皞 汤文超 陈洲 李海梦
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/7/22