过耦合结构超导铝共面波导谐振器温度特性研究

制备了基于超导铝膜的四分之一波长反射型共面波导谐振器,并利用矢量网络分析仪测量了该谐振器在低温超导状态下的传输特性。实验结果表明:对于拥有较大耦合电容的超导共面波导谐振器,在超导状态下随着环境温度的升高,超导薄膜的表面阻抗会增大,进而谐振器的中心谐振频率降低,谐振峰变宽。温度越高,谐振频率随温度升高而向低频偏移的速率越快。另一方面,随着环境温度升高,谐振器的外部耦合品质因数和负载品质因数也都会降低。温度越高,谐振器品质因数随温度升高而降低的速率越快。用二能级理论解释了实验现象,品质因数理论计算值与实验测量结果相接近。     

超导共面波导谐振腔耦合与串扰特性仿真

通过仿真对超导共面波导谐振腔的耦合与串扰进行了研究;建立了直线和不同形状蜿蜒线的超导共面波导谐振腔模型,通过对比分析,选择了合理的配置;仿真了间隙和不同长度的叉指形式的输入输出耦合电容,得到谐振频率和品质因数随其大小的变化规律;仿真了双腔之间的距离、腔的输入输出耦合电容以及腔间附加耦合电容对串扰的影响。     

可调半波长超导共面波导谐振器

和传统的共面波导谐振腔相比,超导共面波导谐振器(SCPWR)具有低损耗、高Q值等优势,可以方便地与超导量子比特相互耦合.通过在谐振器的中心导体中嵌入一系列的dc-SQUID,可以实现谐振器谐振频率的连续可调.我们利用深紫外曝光和电子束蒸发相结合的微加工工艺,制备了分别嵌入1个和3个dc-SQUID的SCPWR,并在极低温(mK)和低噪声环境下,测量了样品的传输特性.实验结果表明,嵌入1个和3个dc-SQUID的实验样品分别实现了60 MHz和187 MHz范围的谐振频率可调,实验数据与理论计算结果具有较好的一致性.     

用于超导量子计算的三维谐振腔仿真研究

在三维传输子超导量子位系统中,三维空间微波谐振腔代替了传统的共面波导谐振腔。文中对适用于传输子超导量子位的三维空间谐振腔进行了输入输出耦合强度、材料电导率和腔体表面粗糙度等因素的仿真分析,得到了谐振腔最低本征模式(TE101)的谐振频率、有载品质因子、插入损耗与这些因素之间的变化关系。     

枝节直波导与开口方环耦合谐振腔的Fano谐振特性研究

本文构建了一个枝节直波导与带开口方环耦合谐振腔.基于金属-绝缘体-金属结构的Fano谐振原理,采用有限元法分析了该波导结构的透射谱线对谐振腔结构参数的依赖关系.在开口方环与直波导间距G=90 nm,枝节高度H=140 nm时,该谐振腔结构中可以产生中心波长分别为λ=746 nm和1521 nm具有反对称线型的双重Fano共振透射峰.研究表明：左侧谐振峰值先随H增高而升高,至H=140 nm达到最大值,之后随H增高峰值缓慢减弱,直至消失.右侧谐振峰值则几乎不受H变化影响.传输谷受H影响最大,随着H增大,枝节谐振腔的传输谷向长波长方向移动,而右侧两个传输谷基本保持不变.当H=210 nm时,左边Fano谐振完全消失,只剩下右边的谐振,且谐振峰基本保持不变.设置参数化扫描,观测Fano谐振的变化,在波长1500 nm～1700 nm之间,设置最佳参数,经拟合计算得到该谐振耦合腔可以作为一个灵敏度S为1496 nm/RIU,FOM=60.1的折射率传感器.该结构可以为纳米级折射率传感器设计提供有效依据.     

基于锚形谐振腔的等离子体波导特性研究

基于表面等离子体激元在金属-介质-金属结构中优良的传输特性,设计了一种由直波导和锚形谐振腔组成的波导滤波器。仿真分析了波导滤波器传输特性和电场分布随结构参数和谐振腔内介质折射率变化规律。结果表明,该锚形谐振腔最佳结构时滤波器半峰全宽低至8 nm,品质因数高达121.9。利用共振波长与结构参数变化规律,设计了光通信波长窗口的窄带带阻滤波器。根据SPPs对谐振腔介质折射率敏感的特性,发现透射谱线随折射率变大而发生红移。本文提出的基于锚形谐振腔的等离子体MIM波导滤波器为设计特定波长的窄带带阻滤波器提供了新思路,也为基于谱线红移特性设计的介质折射率传感器提供了技术支持。     

介质谐振器法测量超导薄膜微波表面阻抗

本文所用的测试方法为蓝宝石介质谐振器法,它采用一片超导薄膜替代谐振器的一端,通过测量微波介质谐振腔的品质因数和谐振频率随温度变化来确定超导薄膜的微波表面阻抗.本文设计和制作了一个工作于TE01δ模式,谐振频率在18.3GHz左右的蓝宝石介质谐振器,其无载品质因数在3K时可达到130000.用此方法可以对薄膜进行无损伤测量,测量后的薄膜还可继续使用.     

铁电薄膜可调带通滤波器

铁电薄膜的介电常数随外加电场强度的增加而减小.依据铁电薄膜的这一特性,提出了一种新颖的基于共面传输线结构的铁电薄膜可调带通滤波器.为了减小传输损耗,滤波器的导体部分由超导薄膜构成.滤波器的输入输出采用抽头线的方式分别与谐振器相接,外加电压通过输入输出端口直接施加到共面谐振器缝隙处的铁电薄膜上,用以改变铁电薄膜的介电常数,从而改变谐振器的谐振频率,实现带通滤波器通带频率的移动.这种新型可调带通滤波器具有结构紧凑、尺寸小及施加外加偏压容易等优点.仿真结果表明:铁电薄膜的介电常数在外加偏压下从250减小到150时,带通滤波器的传输特性曲线的形状基本保持不变,通带的中心频率从10.283GHz增加到10.518GHz,其3dB带宽保持在0.150GHz左右,反射损耗始终小于-17dB.     

结构偏心对开放式同轴谐振腔性能的影响

 采用CST微波工作室软件,数值模拟了内外导体轴线偏心对开放式同轴谐振腔的影响。结果表明：不管是内外导体的轴线发生平行偏心,还是倾斜偏心,都引起开放式同轴谐振腔的谐振频率、品质因数和场振幅实质性下降;其中,倾斜偏心产生的影响比平行偏心更为严重。     

一种基于金刚石多层波导结构微环谐振器的仿真分析

提出了一种以金刚石新型材料为芯层的单微环谐振器模型.谐振器的纵切面采用五层脊形波导结构,中间一层设定为金刚石,上下两侧分别是SiO_2和As_2S_3,即As_2S_3-SiO_2-金刚石-SiO_2-As_2S_3.设置操作波长为1550 nm,依据耦合膜理论和微环谐振理论,利用Comsol软件仿真模拟了单直波导纵切面、直波导和环形波导耦合区的纵切面以及微环在谐振波长为1543 nm时的场强分布,及直波导和环形波导耦合区间距改变时微环的场强分布和传输特性.在此基础上,依据传输矩阵法讨论了微环的品质因数、耦合系数变化对输出光谱的影响,并对微环损耗进行了讨论.结果表明:以金刚石为芯层的微环谐振器具有良好的光学特性,本结构在谐振波长为1543 nm时谐振峰值达到了-12 dB以上,品质因数达到了1.54×10~5,在耦合系数为0.01时,自由光谱范围约为40 nm.     

Effects produced by metal-coated near-field probes on the performance of silicon waveguides and resonators

We study the effects of metal-coated fiber near-field probes on the performance of nanophotonic devices. Employing a heterodyne near-field scanning optical microscope and analyzing transmission characteristics, we find that a metal-coated probe can typically introduce a 3 dB intensity loss and a 0.2 rad phase shift during characterization of a straight waveguide made in a silicon-on-insulator system. In resonant nanophotonic structures such as a 5 mum radius microring resonator, we demonstrate that the probe induces a 1 nm shift in resonant wavelength and decreases the resonator quality factor, Q, from 1100 to 480.     

应用于弱光探测的热敏超导谐振器

近几十年来,超导单光子探测技术被越来越广泛的应用于量子保密通信与线性光量子计算等重要领域中.其中,基于超导共面波导谐振器的单光子技术以其结构简单,高探测效率及可分辨光子数目等特性吸引了人们越来越多的关注.随着科研工作者对样品制备工艺的不断改进,对选用超导薄膜材料的不断优化,以及对相关背景理论的深入研究,共面波导谐振器单光子探测技术在近几年中取得了巨大的突破.本文将从共面波导谐振器单光子探测器的工作原理,相关理论研究,样品参数设计等方面出发,结合本实验室近期测试得到的实验结果,对共面波导谐振器单光子探测技术的发展近况进行简要的综述.     

基于不同液晶填充光子晶体光纤传输特性的研究

将5种不同折射率的液晶分别填入实芯光子晶体光纤的空气孔中, 通过改变外场条件, 研究其输出光谱的变化规律, 并进行了理论模拟分析. 结果表明: 填充液晶后, 输出光谱由全通变为多个波峰的带隙式; 同时, 液晶的折射率差值越大, 其波峰位置越向长波长方向移动, 且相对光强的对比度可以达到16 dB; 温度由20 ℃上升到85 ℃时, 波峰向短波长方向移动, 最大调控范围可达41 nm; 调节电压从0-250 V, 输出光谱的相对光强变小, 但波峰具有较好的稳定性; 在室温下, 波峰不随入射光偏振态的变化而变化. 该液晶光子晶体光纤可应用于温控可调谐滤波器或电控衰减器.     

基于金刚石氮-空位色心自旋系综与超导量子电路混合系统的量子节点纠缠

量子纠缠是实现量子计算和量子通信的核心基础,本文提出了在金刚石氮-空位色心(NV centers)自旋系综与超导量子电路耦合的混合系统中实现两个分离量子节点之间纠缠的理论方案.在该混合系统中,把金刚石NV centers自旋系综和与之耦合的超导共面谐振器视为一个量子节点,两个量子节点之间通过一个空的超导共面谐振器连接.具有较长相干时间的NV centers自旋系综作为一个量子存储器,用于制备、存储和发送量子信息;易于外部操控的超导量子电路可执行量子逻辑门操作,快速调控量子信息.为了实现两个分离量子节点之间的纠缠,首先对系统的哈密顿量进行正则变换,将其等价为两个NV centers自旋系综与同一个超导共面谐振器之间的JC耦合;然后采用NV centers自旋-光子混合比特编码的方式,通过调节超导共面谐振器的谐振频率,精确控制体系演化时间,高保真度地实现了两个分离量子节点之间的量子纠缠.本方案还可以进一步扩展和集成,用于构建多节点纠缠的分布式量子网络.     

Full wave analysis of conductor-backed and multi-layer high-Tc superconducting coplanar waveguide

Dispersions, attenuation and characteristic impedance of shielded conductor-backed coplanar waveguide(CBCPW) and shielded three-layer coplanar waveguide (CPW) with finite conductor thickness as well as their superconducting applications are calculated. The method of lines(MoL) is employed to analyze these coplanar waveguides. The analysis is validated by a comparison of the calculated results with those published previously. Effects of finite width of grounded strip for a CPW are considered. Extensive investigation of the numerical convergence for calculation of the characteristic impedance is also described.     

一种新型可调制的光子晶体环形腔滤波器

在光子晶体环形腔中增加两个散射介质柱,构成一个新型的环形腔滤波器,该滤波器能有效选择光波透过,光波的透射率可以达到90%以上,带宽较小.可通过这两种不同的调节方式使滤波器中波长的带宽和数值进行任意的改变:1)减小散射介质柱半径,从负载波导输出波长的带宽变大,主波导中波长的带宽减小;增大其半径时,它们的变化正好相反.2)改变耦合区域介质柱半径的大小,滤波器中波长的数值也会相应地变化,它与介质柱半径的变化呈正比,并且透射率也会发生明显的变化.这就为其在制备集成光子器件的应用中奠定了基础. 关键词： 环形腔 滤波器 散射介质柱 透射率     

Field emission and x-ray effect on RAON half-wave resonator (HWR) superconducting cavity performance

Performance of superconducting cavities are investigated with field emission effect and x-ray detection. Conducting particles and surface curvature can cause field emission from the surface of the superconducting Nb cavity. The field emission makes the local temperature increase and the quality factor decrease. Vertical test is performed for half-wave resonator (HWR) cavities. The vertical test facilities are introduced and the quality factors are measured for the half-wave resonator (HWR) cavities. The quality factors of the cavities decrease as the x-ray are increased. The surface resistance and x-ray generation of the cavity can be fitted well with the field emission theory. The quality factor for the half-wave resonator (HWR) cavities decreases linearly with the field enhancement factor for x-ray generation.     

Dipole coupling of a double quantum dot to a microwave resonator

We demonstrate the realization of a hybrid solid-state quantum device, in which a semiconductor double quantum dot is dipole coupled to the microwave field of a superconducting coplanar waveguide resonator. The double dot charge stability diagram extracted from measurements of the amplitude and phase of a microwave tone transmitted through the resonator is in good agreement with that obtained from transport measurements. Both the observed frequency shift and linewidth broadening of the resonator are explained considering the double dot as a charge qubit coupled with a strength of several tens of MHz to the resonator.