(57)【要約】【課題】  単一フォトンマイクロ波信号を光信号に変換するトランスデューサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】  トランスデューサ及びその作製方法は、入力信号の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径のキャビティを有する基板を含む。キャビティ内の集束構造体は、入力信号の電場を集束させる。集束構造体の直下の共振器は、電場に曝されたときに電気光学効果を発生させる結晶構造を有する。入力信号の電場は、電気光学効果を介して共振器内で出力信号を変調する。【選択図】      図７
2019512104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径のキャビティを有する基板と、
前記入力信号の電気を集束させるように構成された前記キャビティ内の集束構造体と、
前記集束構造体の直下にある、電場に曝されたときに電気光学効果を発生させる結晶構造を有する共振器であって、前記入力信号の電場が前記電気光学効果を介して前記共振器内で出力信号を変調する、共振器と、
を含む、トランスデューサ。
【請求項２】
前記キャビティは、円筒形であり、前記集束構造体は、キャビティと同軸の中心ピンである、請求項０に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
前記キャビティの内面上及び前記集束構造体の外面上に直接形成された超電導膜をさらに含む、前記請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項４】
前記共振器は、上面に溝を有する第１の材料と、前記溝内に形成された第２の材料とから形成され、前記第２の材料は、前記第１の材料の結晶構造内に歪みを生じさせて前記電気光学効果を発生させる、前記請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項５】
前記共振器は、光学ディスク構造を含む、請求項４に記載のトランスデューサ。
【請求項６】
前記共振器は、光学リング構造を含む、請求項４に記載のトランスデューサ。
【請求項７】
前記集束構造体は、前記共振器に面した表面を含む円筒形ピンであり、前記表面は、外周に沿った隆起部を有する、前記請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項８】
前記光共振器の下に、前記基板内の前記キャビティと同じ直径を有する第２のキャビティをさらに含む、前記請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項９】
前記キャビティは、マイクロ波周波数においてウィスパリングギャラリーモードで共振し、前記共振器は、光周波数で共振する、前記請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項１０】
第１の周波数の第１の信号を提供するように構成されたキュービットと、
前記キュービットに結合した請求項１〜請求項９のいずれかに記載のトランスデューサと、
を含む、量子コンピューティングデバイス。
【請求項１１】
トランスデューサを形成するための方法であって、
歪み材料を共振器材料上に堆積させて前記共振器材料の結晶構造を歪ませ、電場に曝されたときに電気光学効果を発生させるようにすることにより、第１の基板上に第１の周波数で共振する共振器を製造することと、
第２の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径のキャビティを有する第２の基板を製造することと、
前記マイクロ波キャビティ内の集束構造体が前記光共振器と整列するように前記第２の基板を前記第１の基板の上で位置合わせすることと、
を含む、方法。
【請求項１２】
前記共振器を製造することが、
前記共振器にパターン形成して溝を形成することと、
前記歪み材料を前記溝内に堆積させることと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記キャビティ内に超電導膜を堆積させることをさらに含む、請求項１１又は請求項１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記共振器に面した前記集束構造体の表面の外縁部上に隆起部を形成することをさらに含む、請求項１１〜請求項１３のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波と光ドメインとの間の変換に関し、より具体的には、単一フォトンマイクロ波信号を光信号に変換するトランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバは低損失、高帯域幅、低バックグラウンドノイズ、及び引き回しが容易なので、種々の通信プロトコルは、光ファイバに依存している。光ファイバは、量子情報を単一フォトン又はコヒーレント状態で送信するために用いることもできる。他方、多くの実行可能な量子処理アーキテクチャは、マイクロ波周波数で動作する。マイクロ波構造の高い振幅安定性は、高忠実度のゲート動作を使用可能にする量子ビット（キュービット）に対する正確な制御を可能にする。しかしながら、マイクロ波フォトンは、かかる信号が導波路内で伝搬するときの高い熱的バックグラウンドノイズ及び高い損失にゆえに、長距離通信目的での使用がより困難である。
【０００３】
マイクロ波信号と光信号との間での変換のための既存の手法は、複雑であり、固体システムで実装するのは難しく、又は最適化するのが難しい。いくつかの既存のトランスデューサは、電気光学的結晶性光共振器を用いて、マイクロ波−光変換を行う。かかる共振器を使用することの問題の１つは、焦電気及び圧電気のような他の共存する非線形的性質がマイクロ波共振器のマイクロファブリケーションプロセスを妨げることである。別の問題は、マイクロファブリケーションが同様に結晶性電気光学的光共振器を汚染してＱ因子（quality factor）を低減させる場合があることである。これらの共振器はまた、高マイクロ波損失を有し、かつ、極低温において整列することが難しい。
【０００４】
したがって、上記の問題に対処することが当該分野で必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の問題に対処する。より具体的には、単一フォトンマイクロ波信号を光信号に変換するトランスデューサ及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の態様から見て、本発明は、入力信号の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径のキャビティを有する基板と、入力信号の電気を集束させるように構成されたキャビティ内の集束構造体と、集束構造体の直下にある、電場に曝されたときに電気光学効果を発生させる結晶構造を有する共振器であって、入力信号の電場が電気光学効果を介して前記共振器内で出力信号を変調する共振器と、を含む、トランスデューサを提供する。
【０００７】
さらなる態様から見て、本発明は、トランスデューサを形成するための方法であって、歪み材料を共振器材料上に堆積させて共振器材料の結晶構造を歪ませ、電場に曝されたときに電気光学効果を発生させるようにすることにより、第１の基板上に第１の周波数で共振する共振器を製造することと、第２の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径のキャビティを有する第２の基板を製造することと、マイクロ波キャビティ内の集束構造体が光共振器と整列するように第２の基板を前記第１の基板の上で位置合わせすることと、を含む方法を提供する。
【０００８】
さらなる態様から見て、本発明は、第１の周波数の第１の信号を提供するように構成されたキュービットと、本発明のトランスデューサとを含む、量子コンピューティングデバイスを提供する。
【０００９】
トランスデューサは、入力信号の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径のキャビティを有する基板を含む。キャビティ内の集束構造体は、入力信号の電場を集束させる。集束構造体の直下の共振器は、電場に曝されたときに電気光学効果を発生させる結晶構造を有する。入力信号の電場は、電気光学効果を介して共振器内で出力信号を変調する。
【００１０】
量子コンピューティングデバイスは、第１の周波数の第１の信号を提供するように構成されたキュービットを含む。トランスデューサは、キュービットに結合されており、第１の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径の円筒形キャビティを有する基板を含む。キャビティ内に中央ピンがある。共振器は、中央ピンの直下に配置される。共振器は、電場に曝されたときに電気光学効果を発生させる結晶構造を有する。入力信号の電場は、電気光学効果を介して共振器内で第２の周波数の第２の信号を変調する。導波路は、共振器に光学的に結合されており、変調された第２の信号を共振器から遠ざかる方向に搬送するように構成される。
【００１１】
トランスデューサを形成するための方法は、歪み材料を共振器材料上に堆積させて、共振器材料の結晶構造を歪ませ、電場に曝されたときに電気光学効果を発生させるようにすることにより、第１の基板上に第１の周波数で共振する共振器を製造することを含む。第２の基板には、キャビティが製造される。キャビティは、第２の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径を有する。マイクロ波キャビティ内の集束構造体が光共振器と整列するように、第２の基板を第１の基板の上で位置合わせする。
【００１２】
これら及び他の特徴及び利点は、添付の図面との関連で解釈すべき例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１３】
本開示は、以下の図面を参照して、以下の好ましい実施形態の説明において詳細を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本原理によるマイクロ波−光トランスデューサの断面図である。
【図２】本原理によるマイクロ波−光トランスデューサの一部の平面図である。
【図３】本原理によるマイクロ波−光トランスデューサの一部の底面図である。
【図４】本原理によるマイクロ波−光トランスデューサの一部の詳細断面図である。
【図５】本原理によるマイクロ波−光トランスデューサの模式図である。
【図６】本原理による歪み誘導型電気光学的光共振器の詳細断面図である。
【図７】本原理によるマイクロ波−光トランスデューサの製造方法のブロック／フロー図である。
【図８】本原理による代替的なマイクロ波−光トランスデューサの一部の平面図である。
【図９】本原理による代替的なマイクロ波−光トランスデューサの一部の詳細断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態は、超電導マイクロ波及び光キャビティを用いて、電気光学効果を介して、単一フォトンマイクロ波信号と単一フォトン赤外／光信号との間の結合を提供する。各キャビティは、電気光学材料を組み込んでおり、歪み材料によって電気光学効果が誘導される。結合は量子レベルで生じ、信号レベルはおよそ単一フォトンである。本実施形態は、標準的な半導体製造プロセスを用いて製造することができるワンチップ上に実装することができる。
【００１６】
ここで図面をすると、図中、類似の符号は同じ又は同様の要素を示しており、最初に図１を参照すると、マイクロ波−光トランスデューサ１００の断面図が示されている。底部基板１０２は、例えば量子コンピューティングデバイス１０４（「キュービット」）を有するものとして示されており、これは、例えば単一フォトンレベルのマイクロ波信号を超電導チャネル１０６に沿って変換キャビティ１３０へ提供する。底部基板１０２は、シリコンから形成することができることが特に企図されているが、他の任意の適切な基板材料を所定位置で使用することができる。変換キャビティ１３０内でマイクロ波信号を光信号に変換した後、光信号は、導波路１０８と結合し、その行先へ伝送される。キャビティ１３０は、マイクロ波伝送線路であり得る超電導チャネル１０６、又は他の共振構造（例えばキュービット１０４自体）のいずれかに対して容量性結合される。
【００１７】
上部基板１２０は、円筒形キャビティ１１２及び中央ピン１１４を含む。一実施形態において、キャビティは半径約２．５ｍｍを有することができ、中央ピン１１４は半径約２ｍｍ及び高さ約２ｍｍを有することができる。上部基板１２０は、シリコンから形成することができることが特に企図されているが、他の任意の適切な基板材料を所定位置で使用することができる。キャビティ１１２の側壁及び中央ピン１１４は、超電導膜で被覆される。キャビティ１１２は、底部基板１０２上の同様のキャビティ１１１と接合してマイクロ波共振器１２２を形成し、これが接地される。底部キャビティ１１１は、例示的な深さ０．６７ｍｍ及び例示的な半径１．９８ｎｍを有する。上部基板１２０は、少なくとも超電導膜又はチャネル１０６を有する領域においては、これらの構造に対する損傷を防ぐために、底部基板と接触しないようにすべきであることに留意されたい。中央ピン１１４は、底部基板１０２内の架台１１５上の光共振器１１０に接近するが、接触しない。光共振器１１０は、シリコン及びシリコン−ゲルマニウムから形成されることが特に企図されており、シリコン−ゲルマニウムがシリコン材料に対して歪みをもたらす。一実施形態において、光共振器１１０は、半径約２ｍｍ及び厚さ約０．１ｍｍを有するものとすることができる。この歪みは、シリコンの結晶構造を変形させるので、シリコン内で電気光学効果を生じさせる。
【００１８】
本実施形態の集積設計は、光共振器１１０と導波路１０８との間の結合がマイクロファブリケーションによって定められるので、光共振器１１０と導波路１０８との間の位置合わせ誤差を最小化する。かかる位置合わせ誤差は、さもなければ、光学カプラがデバイス内に組み込まれない場合、例えば結合のためにプリズムを使用するシステムの場合に発生し得る。特に、ミリケルビン温度の極低温環境において、異なる材料の異なる熱膨張係数に起因する位置合わせ不良誤差を低減するか又は完全に回避することができる。
【００１９】
動作中、キュービット１０４からのマイクロ波信号は、マイクロ波共振器１２２に結合し、そこでキャビティの外周及び内周上に定在波が形成され、境界には強い場が生じ、キャビティの中間部には無視できる場の強さが生じる。超電導膜は、非常に高いＱを有する低損失共振器を作り出す。中央ピン１１４と光共振器１１０との接合部において、マイクロ波モードの場が、光共振器１１０内で光信号を変調する。光共振器に印加される光ポンプ信号の支援により、マイクロ波信号を単一フォトンレベルで光信号に変換することができる。
【００２０】
一実施形態において、マイクロ波共振器は、オンチップの伝送線路キャビティ又は共面導波路キャビティ内に形成することができる。伝送線路キャビティ若しくは共面導波路キャビティの中心ピン又は高電圧電極は、マイクロ波信号を光共振器へ送出することができる円形を有する。
【００２１】
光共振器１１０は、図示したようにディスク形に形成することも又はリングとして形成することもでき、どちらの実施形態も複数の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする。光共振器１１０の直径は、赤側波帯（red-sideband）に対する周波数ωｏｐ−ωｑ、キャリアに対する周波数ωｏｐ、及び青側波帯（blue-side band）に対する周波数ωｏｐ＋ωｑにおける３つのモードを提供するように選択され、ωｑはマイクロ波共振器１２２のマイクロ波周波数である。一実施形態において、ωｏｐ／２πは、約１９３ＴＨｚ（１５５０ｎｍ波長）とすることができ、ωｑは約１０ＧＨｚとすることができる。この実施形態は、自由スペクトル領域がωｑとなるように選択することによって達成することができ、これは光共振器１１０の屈折率及び直径によって決定される。側波帯モードを用いて、マイクロ波フォトンと光フォトンとを結合する３波混合器が実現される。
【００２２】
図２を参照すると、底部基板１０２の平面図が示されている。超電導キュービット１０４及び超電導チャネル１０６は、底部基板１０２の中又は上に形成される。下部キャビティ１１１は、例えば微細機械加工又はエッチングを含む任意の適切なプロセスによって、底部基板１０２内に形成される。超電導膜は、下部キャビティ１１１の内面を覆って堆積される。超電導膜は、例えば、アルミニウム、ニオブ、チタン、インジウム、又は所望の温度範囲で超電導特性を示す任意の他の材料若しくは合金を含むことができる。超電導膜は、例えばスパッタリングによって、又は真空チャンバ内の熱蒸着によって堆積させることができる。光共振器１１０は、例えば、鋸歯状シリコンディスク又はリングから形成され、さらに詳細に後述するように、シリコンの結晶構造に歪みをもたらすシリコン−ゲルマニウムの層を有する。光導波路１０８は、光共振器１１０と結合して光信号をチップ外へ伝送し、一実施形態において、光導波路１０８は、結合を促進するために光共振器１１０から１ミクロン未満だけ離して配置される。
【００２３】
ここで図３を参照すると、上部基板１２０の底面図が示されている。上部キャビティ１１２は、例えば微細機械加工又はエッチングを含む任意の適切なプロセスによって、上部基板１２０内に形成される。中央ピン１１４も同様に微細機械加工プロセスによって形成され、上部キャビティ１１２及び中央ピン１１４の表面を覆って超電導膜が堆積される。中央ピン１１４の対面した円の外縁部に沿って、隆起部３０２が形成される。隆起部３０２は、光共振器１１０との結合のために、この縁部に沿ってウィスパリングギャラリーモードの場を集中させる。隆起部３０２は、微細機械加工又はエッチングを含む任意の適切なプロセスによって形成することができる。上部基板１２０が底部基板１０２の上に配置されたとき、隆起部３０２は、光共振器１１０の外縁部と整列する。
【００２４】
ここで図４を参照すると、ピン１１４と光共振器１１０との間の接続のより詳細な断面図が示されている。隆起部３０２は、光共振器のわずかに上方に、これら２つの構造体の間に小さい間隙を設けて位置決めされ、超電導膜を通じた光信号のプラズモン損失を防止する。中央ピン１１４の面の内部部分の小部分は、切取り深さ約０．５ｍｍ及び切取り半径約１．９ｍｍで切り取られている。さらに、その上に堆積された超電導膜を有した超電導表面４０２が太線で示されている。
【００２５】
中央ピン１１４は、キャビティ１１２の側壁に対しても凹んでいることに留意されたい。凹みの深さは、光共振器１１０ための空間を提供するとともに、ピン１１４と共振器１１０との間のプラズモン・モードを防ぐための小さい付加的な間隙を提供する。キャビティ１１２及び間隙は、空気で満たされてもよく、又は真空状態にあるか若しくは適切な不活性ガスで満たされてもよい。
【００２６】
本発明は、ウェハを有する所与の例証的なアーキテクチャについて説明されるが、その他のアーキテクチャ、構造、基板材料並びにプロセスの特徴及びステップを、本発明の範囲内で変更することができることを理解されたい。
【００２７】
層、領域又は基板などの要素が別の要素の「上に（ｏｎ）」又はこれを「覆って（ｏｖｅｒ）」あると言及される場合、これは他の要素の上に直接存在してもよく、又は介在する要素が存在してもよいこともまた理解されるであろう。対照的に、ある要素が別の要素の「直接上に」又はこれを「直接覆って」と言及される場合、介在する要素は存在しない。ある要素が別の要素に「接続する」又は「結合する」と言及される場合、これは他の要素に直接接続又は結合してもよく、又は介在する要素が存在してもよいこともまた理解されるであろう。対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続する」又は「直接結合する」と言及される場合、介在する要素は存在しない。
【００２８】
集積回路チップ用の設計は、グラフィカル・コンピュータプログラミング言語で作成することができ、コンピュータストレージ媒体（ディスク、テープ、物理ハードドライブ、又はストレージアクセスネットワークにおける場合の仮想ハードドライブなど）に格納することができる。設計者が、チップ又はチップを製造するために使用されるフォトリソグラフィ・マスクを製造しない場合、その設計者は、得られた設計を物理的手段によって（例えば設計を格納したストレージ媒体のコピーを提供することによって）又は電気的に（例えばインターネットを通じて）伝達することができる。格納された設計は、次いでフォトリソグラフィ・マスクの製造に適した形式（例えばＧＤＳＩＩ）に変換され、これは典型的にはウェハ上に形成されることになる当該チップ設計の複数のコピーを含む。フォトリソグラフィ・マスクは、ウェハ（及び／又はその上の層）の、エッチング又はその他の加工を受ける領域を定めるために利用される。
【００２９】
本明細書で説明する方法は、集積回路チップの製造に使用することができる。得られた集積回路チップは、未加工ウェハ形態（すなわち多数のパッケージングされていないチップを有する単一ウェハとして）ベアダイとして、又はパッケージング形態で、製造者によって配布される。後者の場合、チップは、シングルチップパッケージ（マザーボード又は他の高次キャリアに固定されるリード線を有するプラスチックキャリアなど）又はマルチチップパッケージ（表面相互接続又は埋設相互接続のいずれか又は両方を有するセラミックキャリアなど）内に取り付けられる。いずれの場合でも、チップはその後、（ａ）マザーボードのような中間製品、又は（ｂ）最終製品の一部として、他のチップ、別個の回路要素、及び／又は他の信号処理デバイスと統合される。最終製品は、玩具及びその他の下位用途からディスプレイ、キーボード又は他の入力デバイス、及び中央プロセッサを有する高度なコンピュータ製品までにわたる、集積回路チップを含む任意の製品とすることができる。
【００３０】
明細書における本原理の「一実施形態」又は「実施形態」、並びにその他の変形に対する言及は、その実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、特性などが、本原理の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。それゆえ、明細書全体を通じて様々な箇所に現れる「一実施形態において」又は「実施形態において」という語句、並びにその他の変形の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すものではない。
【００３１】
以下の「／」、「及び／又は」、及び「少なくとも１つの」の使用は、例えば「Ａ／Ｂ」、「Ａ及び／又はＢ」、及び「Ａ及びＢの少なくとも１つ」の場合、第１に挙げた選択肢（Ａ）のみの選択、又は第２に挙げた選択肢（Ｂ）のみの選択、又は両方の選択肢（Ａ及びＢ）の選択を包含することが意図されることを認識されたい。さらなる例として、「Ａ、Ｂ、及び／又はＣ」及び「Ａ、Ｂ、及びＣの少なくとも１つ」の場合、かかる語句は、第１に挙げた選択肢（Ａ）のみ選択、又は第２に挙げた選択肢（Ｂ）のみの選択、又は第３に挙げた選択肢（Ｃ）のみの選択、又は第１及び第２に挙げた選択肢（Ａ及びＢ）のみの選択、又は第１及び第３に挙げた選択肢（Ａ及びＣ）のみの選択、又は第２及び第３に挙げた選択肢（Ｂ及びＣ）のみの選択、又は３つの選択肢すべての選択（Ａ及びＢ及びＣ）を包含することが意図される。これは、この分野及び関連分野の当業者には容易に明らかになるように、挙げられただけ多くの項目に対して拡張することができる。
【００３２】
ここで図５を参照すると、光キャリアの電気光学的変調の略図が示されている。光ビーム５０８は、一部が鏡になった半透明鏡プレート５０２を通過し、電気光学的変調器（ＥＯＭ）領域５０６を通り、鏡５０４で反射されるものとして示されている。鏡５０２及び５０４は、ファブリ−ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）キャビティを形成する。本実施形態において、ＥＯＭ領域５０６は、光波長における共振器である。インダクタ５１４及びキャパシタ５１２のプレートは、マイクロ波周波数における共振器を形成し、キュービット５１０の出力は、キャパシタ５１６を通じて共振器に注入される。マイクロ波信号が共振器内で振動するにつれて、電荷が蓄積してＥＯＭ領域５０６の周りのキャパシタプレート５１２をオンに切り換える。これらの電荷は、光信号における位相偏移を引き起こす振動電場を生じさせる。
【００３３】
位相偏移は、外部電場Ｅｊによって生じるＥＯＭ５０６における屈折率の変化によって生じる。この変化は、
【数１】
2019512104.tif 000003
として特徴づけられ、ここでｎはＥＯＭ５０６の媒体の屈折率であり、ｒｉｊは、電気光学係数である。位相偏移は、
【数２】
2019512104.tif 000004
として特徴づけられ、ここでＬはインダクタ５１４のインダクタンスであり、ωａは、光信号の周波数である。周波数の変化は、
【数３】
2019512104.tif 000005
によって特徴づけられ、ここでτは光の往復時間（optical round-trip time）であり、ｃは光速である。指数ｉ及びｊは、電気光学材料の結晶軸の指数である。
【００３４】
この実施形態は、特にポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）効果を利用したものであり、光共振器１１０の共振周波数は、マイクロ波キャビティ１１２からのマイクロ波の場を使用して変調される。基板の結晶の対称性を破る歪み材料を堆積させることによって、光共振器１１０内で電気光学効果が生じる。マイクロ波信号と光信号との間の結合は、結合ハミルトン：
【数４】
2019512104.tif 000006
によって記述され、ここで
【数５】
2019512104.tif 000007
は、それぞれ光キャビティ１１０における赤側波帯モード、キャリアモード、及び青側波帯モードについての消滅（生成）演算子であり、
【数６】
2019512104.tif 000008
は、キュービット１０４のマイクロ波フォトンについての消滅（生成）演算子であり、ｇは、光フォトンとマイクロ波フォトンとの間の結合強度である。回転波近似を適用した後、赤及び青側波帯モードを含む、電気光学デバイス１００のハミルトニアン
【数７】
2019512104.tif 000009
は、
【数８】
2019512104.tif 000010
となり、ここでωｏｐは光キャリア周波数であり、ω−及びω＋は赤側波帯周波数及び青側波帯周波数であり、ωｑはキュービット１０４のマイクロ波周波数である。
【００３５】
結合ハミルトニアン
【数９】
2019512104.tif 000011
は、キャリア及び側波帯における光フォトン並びに超電導キュービット１０４のマイクロ波フォトンの間の３波混合を示す。ω＋＝ωｏｐ＋ωｑにおける強いポンプトーン（pump tone）を適用することによって、演算子
【数１０】
2019512104.tif 000012
を古典的励振（classical drive）α＋（ｃ数）で置き換えることができ、ここで｜α＋｜２は、ω＋におけるポンプフォトンの平均数を表し、これは、速度（rate）ΩＲ＝ｇ｜α＋｜において、量子マイクロ波ノード
【数１１】
2019512104.tif 000013
と基本光モード
【数１２】
2019512104.tif 000014
との間の有効な結合速度を与える。一実施形態において、現実のパラメータでは、結合強度ｇ〜１０ｋＨｚ、及び共振器内の１０６フォトンに対応するα＝１０００で、この速度は約１０ＭＨｚとすることができる。これが通信チャネルの速度の上限を設定する。一般に結合強度は、
【数１３】
2019512104.tif 000015
として推定することができ、ここでＶＺＰＶは超電導キャビティのゼロ点電圧（約０．１μＶから約１μＶまでの範囲を有する）であり、ｄは光共振器１１０の厚さ（約１μｍから約１００μｍまでの範囲を有する）であり、ｆａは光通信周波数（約１９３ＴＨｚ）であり、ｎはポンプフォトンの数であり、ｒは電気光学材料の電気光学係数である。ポンプ信号は、上記の光導波路１０８を通して提供されることができることに留意されたい。
【００３６】
ここで図６を参照すると、光共振器１１０の構造の詳細の断面図が示されている。基板１０２は、その上に形成された付加材料（例えばシリコン）のリング６０２を有する。リング６０２の材料は、上面にパターン形成され、別の材料６０４（例えばシリコンゲルマニウム）が隙間内に堆積される。付加材料６０４は、リング６０２の格子構造とは異なる格子構造を有するように選択され、それがリング６０２の格子構造に歪みを生じさせる。リング６０２が電気光学効果の影響を受けやすくさせるのは、この歪みである。歪み材料６０４は、任意の適切なプロセス、例えば化学蒸着、物理蒸着、及び原子層堆積によって堆積させることができる。
【００３７】
光共振器１１０のその他の実施形態を使用することができることが企図される。上記のように、リング６０２は単なる１つの構造であり、代わりにディスクの実施形態を、これが該当する光周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする限りにおいて用いることができる。それに加えて、異なる材料を使用することができる。上述の実施形態は、共振器１１０の結晶格子構造における歪みを用いてポッケルス電気光学効果を生じさせるものであるが、そのままで結晶の反転対称性を本来有さない幾つかの材料もまたこの効果を示すので代わりに用いることができることに留意されたい。光共振器１１０は、機械加工、マイクロファブリケーション、エッチングなどを含む任意の適切な製造技術で形成することができる。
【００３８】
ここで図７を参照すると、マイクロ波−光トランスデューサを形成する方法が示されている。ブロック７０２は、光共振器１１０を製造する。具体的には、ブロック７０２は、例えばブロック７０４において共振器材料を堆積させ（あるいはバルク基板１０２から共振器材料をエッチングで除去し）、ブロック７０６において上述のように共振器表面にパターン形成して隆起部を形成し、ブロック７０８において歪み材料６０４を堆積させて光共振器１１０の結晶構造に歪みを生じさせることによって、上部基板１０２の中又は上に光共振器を形成する。あるいは、ブロック７０２は、そのままで電気光学（ポッケルス）効果を本来示す材料から光共振器１１０を製造することができる。
【００３９】
ブロック７１０は、上部基板１２０内にマイクロ波キャビティを構築する。ブロック７１２は、微細機械加工又はエッチングを含む任意の適切なマイクロファブリケーション技術によって、上部基板１２０内にマイクロ波キャビティ１１２を機械加工する。マイクロ波キャビティ１１２は、例えば、マイクロ波同軸キャビティ（上記のような）、マイクロ波共面導波路、マイクロ波マイクロストリップキャビティ等とすることができ、キュービット１０４のマイクロ波周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径において平滑な内面を有するように形成される。ブロック７１４は、例えばピン１１４の表面を機械加工することによって又はエッチングプロセスによって、中央ピン１１４の面上に隆起部３０２を形成して、マイクロ波信号の電場を光共振器１１０上に集中させるようにする。ブロック７１６は、マイクロ波キャビティ１１２の内面及び中央ピン１１４の外面を覆って超電導膜を形成する。
【００４０】
ブロック７１６は、下部基板１０２上にキュービット１０４を製造する。キュービット１０４は超電導材料で作製することができ、かつ、上記のように同じ基板１０２に集積することもでき又は別個のパッケージで形成した後でデバイスに接続若しくは取付することもできることに留意されたい。
【００４１】
ブロック７１８は、導波路を例えば底部基板１０２内に形成し、これは、光共振器１１０に結合し、光共振器１１０からオンチップ又はオフチップの他のデバイスへの変調信号の通信を提供する。ブロック７２０は、キュービット１０４をマイクロ波キャビティ１１２内のマイクロ波電場に結合する超電導結合路１０６を形成する。結合路は、例えばマイクロ波アンテナ又は超電導チャネルを含むことができる。ブロック７２２は、上部基板１２０を底部基板１０２の上に配置するとともにマイクロ波キャビティ１１２の中央ピン１１４を光共振器１１０の上方に位置合わせしてトランスデューサを組み立て、中央ピン１１４上のウィスパリングギャラリーモードからの電場が光共振器１１０に印加されるようにする。
【００４２】
ここで図８を参照すると、代替的な底部基板８０２の平面図が示されている。キュービット１０４、超電導チャネル１０６、及び導波路１０８は、図２の実施形態と同様に配置されているものとして示されている。しかしながら、下部キャビティ１１１とその上に配置された光共振器１１０とを有する代わりに、この実施形態は、下部キャビティ無しで底部基板８０２の上に直接配置されたリング光共振器８０４を有する。この実施形態は、代替的にディスク共振器を光共振器８０４として有することができる。
【００４３】
ここで図９を参照すると、ピン１１４と光共振器８０４との間の接続部のより詳細な断面図が示されている。見てわかるように、共振器８０４は、底部基板１０２の上に直接載置されており、隆起部３０２の直下に断面で示されている。
【００４４】
集積マイクロ波−光単一フォトントランスデューサの好ましい実施形態（これは例証的かつ非限定的であることが意図される）を説明してきたが、当業者は上記教示に鑑みて修正及び変形を行うことができることに留意されたい。したがって、添付の特許請求の範囲によって概説される本発明の範囲内の変更を、開示した特定の実施形態において行うことができることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４５】
１００：マイクロ波−光トランスデューサ
１０２、８０２：底部基板
１０４：量子コンピューティングデバイス（キュービット）
１０６：超電導チャネル
１０８：導波路
１２０：上部基板
１１０、８０４：光共振器
１１１：底部キャビティ
１１２：キャビティ
１１４：中央ピン
１１５：架台
１２２：マイクロ波共振器
１３０：変換キャビティ
３０２：隆起部
４０２：超電導表面
５０２、５０４：鏡
５０６：電気光学的変調器（ＥＯＭ）
５０８：光ビーム
５１０：キュービット
５１２、５１６：キャパシタ
５１４：インダクタ
６０２：リング
６０４：付加材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年11月30日(2018.11.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径のキャビティを有する基板と、
前記入力信号の電気を集束させるように構成された前記キャビティ内の集束構造体と、
前記集束構造体の直下にある、電場に曝されたときに電気光学効果を発生させる結晶構造を有する共振器であって、前記入力信号の電場が前記電気光学効果を介して前記共振器内で出力信号を変調する、共振器と、
を含む、トランスデューサ。
【請求項２】
前記キャビティは、円筒形であり、前記集束構造体は、キャビティと同軸の中心ピンである、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
前記キャビティの内面上及び前記集束構造体の外面上に直接形成された超電導膜をさらに含む、前記請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項４】
前記共振器は、上面に溝を有する第１の材料と、前記溝内に形成された第２の材料とから形成され、前記第２の材料は、前記第１の材料の結晶構造内に歪みを生じさせて前記電気光学効果を発生させる、前記請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項５】
前記共振器は、光学ディスク構造を含む、請求項４に記載のトランスデューサ。
【請求項６】
前記共振器は、光学リング構造を含む、請求項４に記載のトランスデューサ。
【請求項７】
前記集束構造体は、前記共振器に面した表面を含む円筒形ピンであり、前記表面は、外周に沿った隆起部を有する、前記請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項８】
前記共振器の下に、前記基板内の前記キャビティと同じ直径を有する第２のキャビティをさらに含む、前記請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項９】
前記キャビティは、マイクロ波周波数においてウィスパリングギャラリーモードで共振し、前記共振器は、光周波数で共振する、前記請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項１０】
第１の周波数の第１の信号を提供するように構成されたキュービットと、
前記キュービットに結合したトランスデューサであって、
入力信号の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径のキャビティを有する基板と、
前記入力信号の電気を集束させるように構成された前記キャビティ内の集束構造体と、
前記集束構造体の直下にある、電場に曝されたときに電気光学効果を発生させる結晶構造を有する共振器であって、前記入力信号の電場が前記電気光学効果を介して前記共振器内で出力信号を変調する、共振器と、
を含む、トランスデューサと、
を含む、量子コンピューティングデバイス。
【請求項１１】
前記キャビティは、円筒形であり、前記集束構造体は、キャビティと同軸の中心ピンである、請求項１０に記載の量子コンピューティングデバイス。
【請求項１２】
前記キャビティの内面上及び前記集束構造体の外面上に直接形成された超電導膜をさらに含む、請求項１０又は請求項１１のいずれかに記載の量子コンピューティングデバイス。
【請求項１３】
前記共振器は、上面に溝を有する第１の材料と、前記溝内に形成された第２の材料とから形成され、前記第２の材料は、前記第１の材料の結晶構造内に歪みを生じさせて前記電気光学効果を発生させる、請求項１０〜請求項１２のいずれかに記載の量子コンピューティングデバイス。
【請求項１４】
前記集束構造体は、前記共振器に面した表面を含む円筒形ピンであり、前記表面は、外周に沿った隆起部を有する、請求項１０〜請求項１３のいずれかに記載の量子コンピューティングデバイス。
【請求項１５】
前記共振器の下に、前記基板内の前記キャビティと同じ直径を有する第２のキャビティをさらに含む、請求項１０〜請求項１４のいずれかに記載の量子コンピューティングデバイス。
【請求項１６】
前記キャビティは、マイクロ波周波数においてウィスパリングギャラリーモードで共振し、前記共振器は、光周波数で共振する、請求項１０〜請求項１５のいずれかに記載の量子コンピューティングデバイス。
【請求項１７】
トランスデューサを形成するための方法であって、
歪み材料を共振器材料上に堆積させて前記共振器材料の結晶構造を歪ませ、電場に曝されたときに電気光学効果を発生させるようにすることにより、第１の基板上に第１の周波数で共振する共振器を製造することと、
第２の周波数においてウィスパリングギャラリーモードをサポートする直径のキャビティを有する第２の基板を製造することと、
前記キャビティ内の集束構造体が前記共振器と整列するように前記第２の基板を前記第１の基板の上で位置合わせすることと、
を含む、方法。
【請求項１８】
前記共振器を製造することが、
前記共振器にパターン形成して溝を形成することと、
前記歪み材料を前記溝内に堆積させることと、
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記キャビティ内に超電導膜を堆積させることをさらに含む、請求項１７又は請求項１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記共振器に面した前記集束構造体の表面の外縁部上に隆起部を形成することをさらに含む、請求項１７〜請求項１９のいずれかに記載の方法。
【国際調査報告】
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