在当今社会中,人们的日常生活越来越离不开电子产品,不论是笔记本电脑,还是平板电脑,尤其是人手一份的移动手机。随着信息量的爆炸式增长,集成电子学的飞速发展,其物理学瓶颈也日益显现,比如,当集成度高到电路仅能容一个电子传输时,电子的隧穿效应等便不能忽视。而以光子为信息载体的集成光学芯片,因其编码自由度高、响应速率快、传输速度快、并行性高、相容性好等诸多优势,迅速进入了人们的视野。但是,为了适应未来更高信息量的要求,同时拥有更快信息处理速度和更低能量消耗,发展基于量子力学的量子集成光学芯片成为了必然趋势。事实上,早在一个世纪前,普朗克、爱因斯坦等科研先驱首先从光中发现量子概念开始,就注定了光学与量子力学的密不可分性。一个功能性的集成光学芯片与集成电子芯片一样,也包含光源、光传输、光探测、光调制、门操作等各种元器件。本论文致力于量子集成光学芯片上的器件设计的研究,一方面是线性的光学元器件,实现对光子态的操纵,另一方面是基于非线性光学相互作用制成的集成元器件,实现对光子态的制备。具体的研究内容包括:(1)我们从量子光学中的受激拉曼绝热通道概念得到启发,提出了一个偏振旋转器的设计,该器件在以光子偏振编码的量子信息处理中可以用作Pauli X门。偏振旋转器的结构包含一个信号波导和一个辅助波导,信号波导中的两个正交偏振模式和辅助波导中的辅助模式,形成了一个A型三能级系统。通过控制信号波导的宽度和两个波导之间的距离,便可以在信号波导中绝热地实现两个正交模式间的相互转化。所需的波导长度仅为150μm,而水平和竖直偏振间的相互转化效率均可达到99%以上。并且,这样的偏振旋转器设计对于加工误差不敏感,因而旋转器的结构参数的容错度都很高。这个工作表明,我们可以用特定结构的波导对一些相干的量子现象进行光学模拟,同时也启发我们将这些量子现象应用到实际的光学器件设计中。.(2)同样是利用绝热模式转化的思想,我们提出了一个集成的能量吸收器的设计,用于将集成光学芯片上的杂散光吸收掉,其工作原理是引入金属,利用表面等离激元的吸收损耗。在40μm长的器件内,入射光(1550nm)的吸收效率高达99.8%,即反射率和透射率均小于0.1%。由于是绝热的转化,所以其工作效率对入射波长不敏感,在300nm的带宽范围内均保持稳定,并且对周围的工作环境和温度也不敏感。而且,金属的使用令器件可以非常小,散热的问题也更容易解决。这样的器件对于集成光学芯片很重要,因为芯片上常常会用到高功率的泵浦光,或者会有杂散光影响弱光测量。而在光子态制备方面,则需要借助非线性光学相互作用。比如利用二阶非线性光学效应(二倍频、参量下转换等),能够产生相互关联、相互纠缠的光子对;或者需要用三阶非线性光学效应(四波混频等),将原本不相关的光子关联起来。对于硅基非线性器件,最低阶只有三阶非线性光学效应,且功耗相对较高,所有我们主要关注的是二阶非线性光学材料,如氮化铝和铌酸锂,它们的二阶非线性系数都很高,并且线性传输损耗也都很低,最重要的是,它们的加工工艺与CMOS兼容,是非常棒的替代硅基非线性器件的材料。(1)我们提出用集成的宽度变化的氮化铝波导,在光子学芯片上实现了基于二阶非线性光学效应的光子频率转换。我们证实,在绝热锥形波导中,频率转换谱更宽带,并且在有效带宽范围内,非线性转换效率几乎不变,这对于短脉冲的频率转换是非常有利的。这样一个简单却有效的设计,不仅对误差的容错度更高,也使得我们可以调整器件的工作带宽。我们还用解析方法以及数值方法证明了频率转换过程中的"面积定则",可以用于以后设计非线性集成光学器件的通用法则。用我们的方法,在集成芯片上对短脉冲进行高效的、波形可保持的频率转换成为了可能,为未来可扩展的集成光学信息处理打下了基础。(2)我们展示了在刻蚀的薄膜铌酸锂微纳波导中实现的相位匹配的二倍频过程。集成的薄膜铌酸锂芯片最近初露锋芒,有望用于下一代可密集封装、可批量生产的高效率的频率转换系统。我们采用了两种机制:首先是在波导宽度恒定的均匀波导中进行了模式相位匹配,然后在宽度周期调制的波导中进行了准相位匹配。我们对两种波导均进行了理论分析和实验验证。实验证明,我们的微纳波导的线性传输损耗(～3.0dB/cm)使得归一化的非线性转换效率可以高达41%W-1cm-2。