本申请根据35 U.S.C.§119要求于2019年10月8日提交的美国临时申请序列第62/912153号的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开涉及包括可用于生成二进制数的光学表示的二进制光子晶格的光学系统。
背景技术
使用光子器件的光学计算具有优于传统的电子计算的许多优势。光学信号没有电子信号的时间响应限制，并且光学信号不需要绝缘体。在光学计算中，可以使用不同的频率同时发送数百甚至数千个光子信号流。此外，光学系统有助于低损耗传输并提供大带宽和多路复用能力两者，这允许在若干个通道上并行通信而不会受到干扰。光子器件结构紧凑、重量轻、以及制造成本低，并且比磁性材料更擅长存储信息。通过用光子和光子器件代替电子和电线，将促进计算速度大大超过当前的计算技术。通过当前的估计，与使用当前电子设备可实现的每秒千兆位(109)的速率相比，光学计算机每秒可以执行超过1017位的操作。
然而，实现全光学计算机一直很困难，因为当前的光学器件不适合用于以二进制(即以“0”和“1”)执行计算。事实上，二进制的光学表示是促进光学计算的关键组成部分之一。二进制的光学表示以光速传送二进制数，而没有电子晶体管的延迟。二进制是以2为基础的数字系统，它使用两种状态—0和1—来表示数字或二进制表示。二进制表示对于数字计算中的数字逻辑或数字逻辑门很重要。当前的计算机使用半导体晶体管来以电学方式表示二进制。在光学数字计算中，以光学方式执行二进制表示是优选的。事实上，在没有光学二进制表示的情况下，光学计算限于光学模拟计算，光学模拟计算不如当前的数字计算机强大。因此，期望用于执行光学二进制表示的方法和系统。
传统上，已提出光学晶体管来以光学方式表示二进制并类似于电子数字计算机中的电子晶体管进行操作。光学晶体管基于光与材料之间的非线性相互作用或光学非线性进行操作，这比电子晶体管中的电学非线性要弱得多。因此，每个光学晶体管通常都需要高功率，这使得在需要大量光学晶体管(数百万甚至数十亿)时，常规的光学晶体管在光学计算中的应用是不切实际的。此外，在没有以高功率操作的许多光学非线性元件的系统的情况下，也可能是不稳定的。因此，需要用于以低功率生成二进制的光学表示而不依赖光学非线性的系统和装置。
技术实现要素：
在第一方面A1中，二进制光子晶格包括具有设置在基底中的多个单模波导的波导阵列，所述多个单模波导包括具有第一V数V1的一个或多个第一波导以及具有第二V数V2的一个或多个第二波导。第一V数V1小于第二V数V2。一个或多个第一波导和一个或多个第二波导以线性分布布置，该线性分布具有第一边缘波导区域、第二边缘波导区域、以及位于第一边缘波导区域与第二边缘波导区域之间的二进制波导区域。二进制波导区域是二或更大的十进制数的对称二进制表示。此外，二进制波导区域包括：表示对称二进制表示的数字0的至少一个第一波导，表示对称二进制表示的数字1的至少一个第二波导，或表示对称二进制表示的数字0的至少一个第一波导和表示对称二进制表示的数字1的至少一个第二波导两者。
第二方面A2包括第一方面A1的二进制光子晶格，其中该十进制数为三或更大。
第三方面A3包括第一方面-第二方面A1-A2中任一项的二进制光子晶格，其中该十进制数为四或更大。
第四方面A4包括第一方面-第三方面A1-A3中任一项的二进制光子晶格，其中该十进制数为六或更大。
第五方面A5包括第一方面-第四方面A1-A4中任一项的二进制光子晶格，其中该十进制数为八或更大。
第六方面A6包括第一方面-第五方面A1-A5中任一项的二进制光子晶格，其中第一边缘波导区域和第二边缘波导区域的每个波导包括第一波导。
第七方面A7包括第一方面-第六方面A1-A6中任一项的二进制光子晶格，其中第一边缘波导区域和第二边缘波导区域各自包括相同数量的波导。
第八方面A8包括第一方面-第七方面A1-A7中任一项的二进制光子晶格，其中二进制波导区域包括与对称二进制表示的单位数字(unit digit)相对应的中心波导、和第一二进制段，中心波导是第一波导或第二波导，并且第一二进制段位于中心波导与第一边缘波导区域之间。第一二进制段与对称二进制表示的一个或多个次级数字相对应，并且第一二进制段包括至少一个第一波导、至少一个第二波导、或者至少一个第一波导和至少一个第二波导两者。二进制光子晶格还包括位于中心波导与第二边缘波导区域之间的第二二进制段。第二二进制段与对称二进制表示的一个或多个镜像次级数字相对应，并且第二二进制段包括至少一个第一波导、至少一个第二波导、或者至少一个第一波导和至少一个第二波导两者。
第九方面A9包括第一方面-第七方面A1-A7中任一项的二进制光子晶格，其中二进制波导区域包括具有经修改的第二波导并且与对称二进制表示的单位数字相对应的中心波导。经修改的第二波导包括比一个或多个第二波导的折射率更低的折射率并且对应于对称二进制表示的数字1。二进制光子晶格还包括位于中心波导与第一边缘波导区域之间的第一二进制段。第一二进制段与对称二进制表示的一个或多个次级数字相对应，并且第一二进制段包括至少一个第一波导、至少一个第二波导、或者至少一个第一波导和至少一个第二波导两者。二进制光子晶格还包括位于中心波导与第二边缘波导区域之间的第二二进制段。第二二进制段与对称二进制表示的一个或多个镜像次级数字相对应，并且第二二进制段包括至少一个第一波导、至少一个第二波导、或者至少一个第一波导和至少一个第二波导两者。
第十方面A10包括第九方面A9的二进制光子晶格，其中第二波导与经修改的第二波导之间的折射率的差异小于第一波导与经修改的第二波导之间的折射率的差异。
第十一方面A11包括第一方面-第十方面A1-A10中任一项的二进制光子晶格，其中其中nWG1是一个或多个第一波导的折射率，nCLAD是基底的折射率，a1是一个或多个第一波导的半径，并且λ是沿一个或多个第一波导传播的一个或多个光子的波长，并且其中nWG2是一个或多个第二波导的折射率，nCLAD是基底的折射率，a2是一个或多个第二波导的半径，并且λ是沿多个单模波导传播的一个或多个光子的波长。
第十二方面A12包括第十一方面A11的二进制光子晶格，其中一个或多个第一波导各自具有比一个或多个第二波导更小的折射率。
第十三方面A13包括第十一方面A11或第十二方面A12的二进制光子晶格，其中一个或多个第一波导各自具有比一个或多个第二波导更小的直径。
第十四方面A14包括第一方面-第十三方面A1-A13中任一项的二进制光子晶格，其中多个单模波导以线性分布均匀地间隔开，并且多个单模波导中的每个相邻的波导对(pair)之间的间隔距离约为30μm或更小。
在第十五方面A15中，一种光学系统包括前述方面中的任何方面的二进制光子晶格以及被光学耦合到二进制波导区域的中心波导的输入端的光子源。
第十六方面A16包括第十五方面A15的光学系统，进一步包括一个或多个光子检测器，所述一个或多个光子检测器被光学耦合到多个单模波导中的至少一个波导的输出端。
第十七方面A17包括第十六方面A16的光学系统，其中波导阵列的每个波导的输出端被光学耦合到一个或多个光子检测器中的一个。
第十八方面A18包括第十五方面A15的光学系统，进一步包括多个光子路径，每个光子路径被光学耦合到多个单模波导中的单个波导的输出端，使得二进制光子晶格是分束器。
在第十九方面A19中，一种以光学方式表示二进制数的方法包括：将使用光子源生成的多个光子引导到二进制光子晶格的波导阵列的二进制波导区域的中心波导的输入端中。波导阵列包括设置在基底中的多个单模波导，所述多个单模波导包括具有第一V数V1的一个或多个第一波导以及具有第二V数V2的一个或多个第二波导。第一V数V1小于第二V数V2。一个或多个第一波导和一个或多个第二波导以线性分布布置，该线性分布具有二进制波导区域、第一边缘波导区域和第二边缘波导区域。二进制波导区域位于第一边缘波导区域与第二边缘波导区域之间。二进制波导区域包括十进制数的对称二进制表示。此外，二进制波导区域包括：表示对称二进制表示的数字0的至少一个第一波导，表示对称二进制表示的数字1的至少一个第二波导，或表示对称二进制表示的数字0的至少一个第一波导和表示对称二进制表示的数字1的至少一个第二波导两者。以光学方式表示二进制数的方法还包括：使用一个或多个光子检测器接收多个光子，其中一个或多个光子检测器中的每一个被光学耦合到多个单模波导中的至少一个的输出端；以及基于由一个或多个光子检测器接收到的多个光子测量输出功率分布，其中输出功率分布对应于十进制数的对称二进制表示。
第二十方面A20包括第十九方面A19的方法，进一步包括：确定二进制数和十进制数，所述二进制数和十进制数各自与输出功率分布的对称二进制表示相对应。
第二十一方面A21包括第十九方面A19或第二十方面A20的方法，其中十进制数为二或更大。
第二十二方面A22包括第十八方面-第二十一方面A18-A21中任一项的方面的方法，其中十进制数为四或更大。
第二十三方面A23包括第十八方面-第二十二方面A18-A22中任一项的方面的方法，其中十进制数为八或更大。
第二十四方面A24包括第十八方面-第二十三方面A18-A23中任一项的方法，其中，第一边缘波导区域和第二边缘波导区域的每个波导是第一波导，并且第一边缘波导区域和第二边缘波导区域各自具有相同数量的波导。
第二十五方面A25包括第十八方面-第二十四方面A18-A24中任一项的方法，其中二进制波导区域包括中心波导和第一二进制段，该中心波导与对称二进制表示的单位数字相对应并且是第一波导或第二波导，该第一二进制段位于中心波导与第一边缘波导区域之间。第一二进制段与对称二进制表示的一个或多个次级数字相对应。第一二进制段包括至少一个第一波导、至少一个第二波导、或者至少一个第一波导和至少一个第二波导两者。二进制波导区域进一步包括位于中心波导与第二边缘波导区域之间的第二二进制段。第二二进制段与对称二进制表示的一个或多个镜像次级数字相对应，并且第二二进制段包括至少一个第一波导、至少一个第二波导、或者至少一个第一波导和至少一个第二波导两者。
第二十六方面A26包括第十八方面-第二十五方面A18-A25中任一项的方法，其中其中nWG1是一个或多个第一波导的折射率，nCLAD是基底的折射率，a1是一个或多个第一波导的半径，并且λ是沿一个或多个第一波导传播的一个或多个光子的波长，并且其中nWG2是一个或多个第二波导的折射率，nCLAD是基底的折射率，a2是一个或多个第二波导的半径，并且λ是沿多个单模波导传播的一个或多个光子的波长。
鉴于下面的具体实施方式，将结合附图更充分地理解由本文所描述的实施例提供的这些和其他特征。
附图说明
本公开的特定实施例的以下具体实施方式能够结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记来指示，而且在附图中：
图1示意性地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的包括光子源、二进制光子晶格和光子检测器的光学系统；
图2A示意性地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的示例二进制光子晶格，该示例二进制光子晶格包括波导阵列，该波导阵列具有多个单模波导并且包括与数字0的对称二进制表示相对应的二进制波导区域；
图2B示意性地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的示例二进制光子晶格，该示例二进制光子晶格包括波导阵列，该波导阵列具有多个单模波导并且包括与数字1的对称二进制表示相对应的二进制波导区域；
图2C示意性地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的示例二进制光子晶格，该示例二进制光子晶格包括波导阵列，该波导阵列具有多个单模波导并且包括与数字2的对称二进制表示相对应的二进制波导区域；
图2D示意性地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的示例二进制光子晶格，该示例二进制光子晶格包括波导阵列，该波导阵列具有多个单模波导并且包括与数字3的二进制表示相对应的二进制波导区域；
图2E示意性地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的示例二进制光子晶格，该示例二进制光子晶格包括波导阵列，该波导阵列具有多个单模波导并且包括与数字4的对称二进制表示相对应的二进制波导区域；
图2F示意性地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的示例二进制光子晶格，该示例二进制光子晶格包括波导阵列，该波导阵列具有多个单模波导并且包括与数字5的对称二进制表示相对应的二进制波导区域；
图2G示意性地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的示例二进制光子晶格，该示例二进制光子晶格包括波导阵列，该波导阵列具有多个单模波导并且包括与数字6的对称二进制表示相对应的二进制波导区域；
图2H示意性地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的示例二进制光子晶格，该示例二进制光子晶格包括波导阵列，该波导阵列具有多个单模波导并且包括与数字7的对称二进制表示相对应的二进制波导区域；
图3A-1是根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的从图2B的二进制光子晶格的输入端到输出端的光传播的示意性俯视图；
图3A-2图解地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的图3A-1的光传播的输出功率分布；
图3B-1是根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的从图2C的二进制光子晶格的输入端到输出端的光传播的示意性俯视图；
图3B-2图解地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的图3B-1的光传播的输出功率分布；
图3C-1是根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的从图2D的二进制光子晶格的输入端到输出端的光传播的示意性俯视图；
图3C-2图解地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的图3C-1的光传播的输出功率分布；
图3D-1是根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的从图2E的二进制光子晶格的输入端到输出端的光传播的示意性俯视图；
图3D-2图解地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的图3D-1的光传播的输出功率分布；
图3E-1是根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的从图2F的二进制光子晶格的输入端到输出端的光传播的示意性俯视图；
图3E-2图解地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的图3E-1的光传播的输出功率分布；
图3F-1是根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的从图2G的二进制光子晶格的输入端到输出端的光传播的示意性俯视图；
图3F-2图解地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的图3F-1的光传播的输出功率分布；
图3G-1是根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的从图2H的二进制光子晶格的输入端到输出端的光传播的示意性俯视图；以及
图3G-2图解地描绘了根据本文所示出和描述的一个或多个实施例的图3G-1的光传播的输出功率分布。
具体实施方式
总体地参考附图，本公开的实施例涉及光学系统，该光学系统包括被设计为执行二进制的光学表示的二进制光子晶格。二进制光子晶格包括具有多个单模波导的波导阵列。多个单模波导包括具有第一V数的一个或多个第一波导和具有第二V数的一个或多个第二波导。一个或多个第一波导和一个或多个第二波导以线性分布布置，该线性分布包括位于第一边缘波导区域与第二边缘波导区域之间的二进制波导区域，其中二进制波导区域包括十进制数的对称二进制表示。具体地，二进制波导区域可以包括一个或多个第一波导，或多个第二波导，或这两者，每个第一波导表示对称二进制表示的数字0并且每个第二波导表示对称二进制表示的数字1。此外，光学系统包括光子源以及一个或多个光子检测器，该光子源被光学耦合到二进制波导区域的中心波导，该一个或多个光子检测器在二进制光子晶格的输出端处被光学耦合到多个单模波导中的一个或多个。
在操作中，多个光子可以从光子源被引导到二进制光子晶格的输入端处、二进制波导区域的中心波导中。多个光子进入中心波导并从二进制光子晶格的输入端传播到二进制光子晶格的输出端。在传播期间，光子可在相邻波导之间经历倏逝波耦合(evanescent coupling)，使得从各个不同波导离开二进制光子晶格的输出端的多个光子使用光学地耦合到二进制光子晶格的一个或多个光子检测器而被接收到。可以测量接收到的光子以确定输出功率分布，该输出功率分布对应于二进制波导区域的对称二进制表示。该输出功率分布是二进制的光学表示，并将二进制数(并因此将对应的十进制数)传送到一个或多个光子检测器。本公开的二进制光子晶格是可编程并且可控制的，并且可以使用诸如激光写入之类的当前技术被制造为片上集成光子。此外，二进制光子晶格为开发用于光学数字计算的片上全光学二进制部件提供了构建块，该片上全光学二进制部件可以以低功率操作并且不依赖于光学非线性。现在将描述二进制光子晶格和包括二进制光子晶格的光学系统的实施例，并且只要可能，将在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。
现在参考图1和图2A-2H，描绘了包括二进制光子晶格101的光学系统100(图1)。二进制光子晶格101包括多个单模波导110(图2A-2H)。在一些实施例中，二进制光子晶格101的多个单模波导110设置在基底105中，基底105可以是包层(cladding)。在一些实施例中，多个单模波导110是激光写入波导，并且在一些实施例中，多个单模波导110是光刻蚀刻的，例如光刻蚀刻的Si波导。在一些实施例中，多个单模波导110是使用用于制造波导的离子交换方法形成的。多个单模波导110包括以线性分布140设置的一个或多个第一波导120和/或一个或多个第二波导130。一个或多个第一波导120和一个或多个第二波导130这两者都是单模波导。
此外，光学系统100包括一个或多个光子源180，一个或多个光子源180光学耦合到多个单模波导110中的至少一个的输入端114。在一些实施例中，光学系统100进一步包括一个或多个光子检测器190，一个或多个光子检测器190光学耦合到多个单模波导110中的至少一个的输出端116。例如，在一些实施例中，一个或多个光子检测器190中的至少一个光子检测器光学耦合到多个单模波导110的输出端116。在其他实施例中，光学系统100包括多个光子路径，诸如多个光纤，每个光子路径被光学耦合到多个单模波导110中的单个波导的输出端116，使得二进制光子晶格101可操作为分束器。此外，在这些实施例的每一个中，光学系统100可以是嵌入在单个芯片上的集成光学器件。
在操作中，光学系统100可用于通过以下方式来执行二进制的光学表示：将使用光子源180生成的多个光子引导到二进制光子晶格101的单个波导(诸如，中心波导151)的输入端114，使用一个或多个光子检测器190接收多个光子，以及测量由一个或多个光子检测器190接收到的多个光子的输出功率分布。光子源180可以包括相干光源，使得多个光子包括具有例如1550nm波长的相干光束。输出功率分布是多个光子中的离开多个单模波导110中的每个单个波导的光子的相对数量。输出功率分布还表示从多个单模波导110的输出端116输出的功率的相对分布。虽然不旨在受理论限制，但当统计上显著数量的光子被引导到二进制光子晶格101的单个波导中时，输出功率分布对应于光子概率分布，该光子概率分布是如下的分布函数：该分布函数表示被引导到二进制光子晶格101的输入端114的光子离开二进制光子晶格101的多个单模波导110的单个波导的输出端116的概率。
现在参考图2A-2H，描绘了图1的二进制光子晶格101的多个不同版本。实际上，图2A-2H各自示意性地描绘了图1的二进制光子晶格101沿线2-2的横截面，并且图2A-2H中的每一个描绘了被配置成用于生成不同的二进制数(所述不同的二进制数各自对应于不同的十进制数)的光学表示的二进制光子晶格101。具体地，每个二进制光子晶格101的多个单模波导110以线性分布140布置，线性分布140包括第一边缘波导区域142、第二边缘波导区域144、以及位于第一边缘波导区域142与第二边缘波导区域144之间的二进制波导区域150。
图2A-2H中描绘的每个二进制光子晶格101(即，二进制光子晶格101a-101h)包括独特的二进制波导区域150(即，二进制波导区域150a-150f)，二进制波导区域150包括一个或多个第一波导120、一个或多个第二波导130、或第一波导120和第二波导130的组合。此外，一个或多个第一波导120包括第一V数并且一个或多个第二波导130包括第二V数。第一V数小于第二V数。仍然参考图2A-2H，每个二进制波导区域150a-150f是对不同二进制数的对称二进制表示，因此是不同的十进制数。在一些实施例中，二进制波导区域150可以是二或更大、三或更大、四或更大、五或更大、六或更大、七或更大、八或更大、九或更大、十或更大等的十进制数的对称二进制表示。实际上，应该理解，在本文描述的实施例中，二进制波导区域150可以是对任何十进制数的对称二进制表示。
在二进制波导区域150a-150f中，每个第一波导120表示对称二进制表示的数字0，并且每个第二波导130表示对称二进制表示的数字1。如本文所使用的，“对称二进制表示”是二进制数的表示，其中二进制数的单位数字是对称二进制表示的中心数字，并且其中二进制数的单位数字之外的任何次级数字由从中心数字在一个方向上延伸的第一组数字表示，并且二进制数的这些次级数字的镜像版本由从中心数字在相对方向上延伸的第二组数字表示。作为非限制性示例，常规地，十进制数5的二进制是101，使得单位数字(因此是对称二进制表示中的中心数字)是1，二进制数的次级数字是10，并且次级数字的镜像版本是01。因此，十进制数5的对称二进制表示为10101，其中单位数字1也是中心数字。
仍然参考图2A-2H，每个二进制波导区域150包括与对称二进制表示的单位数字相对应的中心波导151。在二进制光子晶格101的实施例中，其中二进制波导区域150是二或更大的十进制数的对称二进制表示(图2C-2H)，二进制波导区域150还包括与对称二进制表示的一个或多个次级数字相对应的第一二进制段152、以及与对称二进制表示的一个或多个镜像次级数字相对应的第二二进制段154。当对称二进制表示的单位数字为数字0时，中心波导151包括第一波导120，并且当对称二进制表示的单位数字为数字1时，中心波导151包括第二波导130。对称二进制表示中的为数字0的每个次级数字与第一二进制段152中的第一波导120相对应，并且对称二进制表示中的为数字1的每个次级数字与第一二进制段152中的第二波导130相对应。类似地，对称二进制表示中的为数字0的每个镜像次级数字与第二二进制段154中的第一波导120相对应，并且对称二进制表示中的为数字1的每个镜像次级数字与第二二进制段154中的第二波导130相对应。此外，第一二进制段152位于中心波导151与第一边缘波导区域142之间，并且第二二进制段154位于中心波导151与第二边缘波导区域144之间。在不旨在受理论的限制的情况下，通过以对称二进制表示布置二进制波导区域150并且包括第一边缘波导区域142和第二边缘波导区域144，传播无序被最小化。具体地，如果表示二进制数的单位数字的波导位于波导阵列的边缘(类似于典型的二进制数字表示中单位数字的最右侧位置)处，则会在该输入波导处引起强烈的无序，并且输出功率分布可能与二进制结构不同。
在本文所述的实施例中，第一边缘波导区域142和第二边缘波导区域144各自包括多个第一波导120，因此各自与对称二进制表示的数字0相对应。在一些实施例中，第一边缘波导区域142和第二边缘波导区域144各自包括相同数量的波导。此外，在一些实施例中，第一边缘波导区域142和第二边缘波导区域144两者都比二进制波导区域150包括更多数量的总波导。然而，虽然不旨在受理论限制，但在二进制波导区域150是对大的二进制数的对称二进制表示的实施例中，第一边缘波导区域142和第二边缘波导区域144两者都比二进制波导区域150包括更少数量的总波导。
尽管仍不旨在受理论限制，但增加第一边缘波导区域142和第二边缘波导区域144中的波导总数增加了输出功率分布中的与二进制波导区域150对齐的部分(section)与二进制波导区域150的理想对称二进制表示之间的相似性。虽然仍不旨在受理论限制，但当光传播通过二进制光子晶格101时，在更外侧的波导(诸如，第一边缘波导区域142和第二边缘波导区域144中的波导)与更中心的波导(诸如，二进制波导区域150中的波导)之间发生一些干扰。当波导总数的增加(即，通过增加第一边缘波导区域142和第二边缘波导区域144中的波导的数量)时，更外侧的波导与更中心的波导之间的干扰减少，从而改善了输出功率分布。作为示例，为了使干扰最小化，在表示高至4的二进制的实施例中，二进制光子晶格可以是29个或更多个波导，在表示高至8的二进制的实施例中，二进制光子晶格可以是49个或更多个波导，并且在表示高至16的二进制的实施例中，二进制光子晶格可以是69个或更多个波导。此外，在不旨在受理论限制的情况下，为了表示高至264的二进制，二进制光子晶格101将包括大约1300个波导。应该理解，二进制光子晶格中的波导总数在不同情况下可能不同，例如，由于材料、操作的波长等而不同。
此外，在一些实施例中，二进制波导区域150的中心波导151包括经修改的第二波导。经修改的第二波导包括比一个或多个第二波导130的折射率更低的折射率并且仍对应于对称二进制表示的数字1。此外，第二波导与经修改的第二波导之间的折射率的差异小于第一波导与经修改的第二波导之间的折射率的差异。尽管不旨在受理论限制，但在二进制波导区域150与具有多个数字1的对称二进制表示相对应并且单位数字是数字1并且每个数字1由第二波导130来表示的实施例中，输出功率分布中的与二进制波导区域150对齐的部分中的功率分布的均匀性减小。然而，虽然仍不旨在受理论限制，但当中心波导151是经修改的第二波导，并因此具有比第二波导130的折射率略低的折射率时，输出功率分布中的与二进制波导区域150对齐的部分与二进制波导区域150的理想对称二进制表示之间的相似性被改善。换言之，经修改的第二波导提高了输出功率分布中的与二进制波导区域150对齐的部分中的功率分布的均匀性。
如上所述，每个第一波导120包括第一V数并且每个第二波导130包括第二V数。第一V数小于第二V数，并且该V数差提供了由每个二进制光子晶格101a-101h生成的独特的输出功率分布。在不旨在受理论限制的情况下，在单模方案中，具有较低V数的波导在光束与波导芯之间具有较低的重叠，因此光限制比在具有较高V数的波导中更弱。V数nWG是多个单模波导110的单个波导的折射率，nCLAD是基底105的折射率，a1是多个单模波导110的单个波导的半径，并且λ是沿着多个单模波导110传播的一个或多个光子的波长。具体地，第一V数其中nWG1是一个或多个第一波导120的折射率，nCLAD是基底105的折射率，a1是一个或多个第一波导120的半径，并且λ是沿多个单模波导110传播的一个或多个光子的波长，并且第二V数其中n WG2是一个或多个第二波导130的折射率，nCLAD是基底105的折射率，a2是一个或多个第二波导130的半径，并且λ是沿多个单模波导110传播的一个或多个光子的波长。此外，由于一个或多个第一波导120和一个或多个第二波导130为单模波导，因此第一V数V1和第二V数V2小于2.405。
如V数在数学上所示的，包括不同折射率的两个波导可以包括不同的V数，并且包括不同直径的两个波导可以包括不同的V数。例如，一个或多个第一波导120包括第一直径和第一折射率，并且一个或多个第二波导130包括第二直径和第二折射率。为了实现不同的V数，第一直径可以不同于第二直径，第一折射率可以不同于第二折射率，或者第一直径可以不同于第二直径并且第一折射率可以不同于第二折射率这两者。在本文描述的实施例中，第一波导120包括比第二波导130更低的折射率和/或更小的直径，因此第一波导120(第一波导120表示二进制数的数字0)比第二波导130(第二波导130表示二进制数的数字1)具有更小的V数，并因此具有更弱的光限制。因此，第二波导130中的光限制强于第一波导120中的光限制。
此外，虽然不旨在受理论限制，但是在第一波导120和第二波导130的二进制光子晶格101中传播的波场(例如，光波)可以被耦合，并且二进制光子晶格101可以包括第一耦合系数κ12(即，用于从第二波导130耦合到第一波导120的耦合系数)和第二耦合系数κ21(即，用于从第一波导120耦合到第二波导130的耦合系数)，第一耦合系数κ12和第二耦合系数κ21表示两个波导中的场之间的耦合量。换言之，耦合系数分别测量第一波导120和第二波导130中的模场(modal field)ψ1(x,y)和ψ2(x,y)之间的重叠量。因此，每个耦合系数κ由重叠积分控制，重叠积分指示模场之间的耦合行为导致能量从一个波导转移到另一个波导。此外，第一耦合系数κ12与第二耦合系数κ21不同。通常，波导中的模场ψ1(x,y)和ψ2(x,y)取决于各种参数，诸如，波导的宽度(例如直径)、波导的折射率n1(x,y)、n2(x,y)、基底105的材料、以及操作的波长(λ)。虽然不旨在受理论限制，但是耦合系数κ12和κ21可在数学上由和表示，其中β1是第一波导120的传播常数，β2是第二波导130的传播常数，并且并且其中nT(x,y)是包括与单个第二波导130相邻的单个第一波导120的波导阵列110的双波导部分的折射率分布。
如图2A-2H中所描绘的，设置在线性分布140中的多个单模波导110的相邻波导彼此间隔开间隔距离D。虽然不旨在受理论限制，但当执行对二进制数的光学表示时，每个光子传播通过二进制光子晶格101，从而经由倏逝波耦合在相邻波导之间移动，同时从二进制光子晶格101的输入端114传播到二进制光子晶格101的输出端116。因此，相邻波导之间的间隔距离D足够接近以发生倏逝波耦合，例如，间隔距离D可以包括大约30μm或更小，例如，大约25μm或更小，大约20μm或更小，大约15μm或更小、大约10μm或更小，诸如8μm、约5μm或更小等。此外，在一些实施例中，波导阵列110的相邻波导可以在线性分布140中均匀地间隔开。此外，一旦这些光子从二进制光子晶格101的输入端114传播到输出端116，所得到的光子分布就是输出功率分布。在不旨在受理论限制的情况下，第一波导120和第二波导130之间的差异打破了二进制光子晶格101的周期性，产生了在二进制光子晶格101中传播的光的局部化，并且二进制光子晶格的二进制波导区域150中的第一波导120和第二波导130的特定布置导致特定的输出功率分布。现在将描述特定示例二进制光子晶格101及其相应的输出功率分布。
现在参考图2A，示意性地描绘了二进制光子晶格101a，二进制光子晶格101a包括具有二进制波导区域150a的波导阵列110a，该二进制波导区域150a与十进制数0的对称二进制表示相对应。具体地，二进制波导区域150a包括与对称二进制表示的数字0相对应的单个第一波导120。实际上，十进制数0转换为二进制数0，因此十进制数0的对称二进制表示是0。
现在参考图2B，示意性地描绘了二进制光子晶格101b，二进制光子晶格101b包括具有二进制波导区域150b的波导阵列110b，二进制波导区域150b与十进制数1的对称二进制表示相对应。具体地，二进制波导区域150b包括与对称二进制表示的数字1相对应的单个第二波导130。具体地，二进制波导区域150b包括中心波导151、第一二进制段152和第二二进制段154，该中心波导151是与对称二进制表示的数字1相对应的第二波导130，该第一二进制段152包括与对称二进制表示的数字0相对应的第一波导120，该第二二进制段154包括与对称二进制表示的数字0相对应的第一波导120。实际上，十进制数1转换为二进制数01，因此十进制数1的对称二进制表示是010。在操作中，当多个光子被引导到二进制波导区域150b的中心波导151中时，光从二进制光子晶格101b的输入端114传播到二进制光子晶格101b的输出端116，如图3A-1中示意性示出的。此外，多个光子以输出功率分布20离开二进制光子晶格101b的输出端116，输出功率分布20如图3A-2中图形描绘的。输出功率分布20是二进制数01和十进制数1的对称二进制表示。
现在参考图2C，示意性地描绘了二进制光子晶格101c，二进制光子晶格101c包括具有二进制波导区域150c的波导阵列110c，二进制波导区域150c与十进制数二的对称二进制表示相对应。具体地，二进制波导区域150c包括中心波导151、第一二进制段152和第二二进制段154，该中心波导151是与对称二进制表示的数字0相对应的第一波导120，该第一二进制段152包括与对称二进制表示的数字1相对应的第二波导130，该第二二进制段154包括与对称二进制表示的数字1相对应的第二波导130。实际上，十进制数2转换为二进制数10，因此十进制数2的对称二进制表示是101。在操作中，当多个光子被引导到二进制波导区域150c的中心波导151中时，光从二进制光子晶格101c的输入端114传播到二进制光子晶格101c的输出端116，如图3B-1中示意性示出的。此外，多个光子以输出功率分布30离开二进制光子晶格101c的输出端116，输出功率分布30如图3B-2中图形描绘的。输出功率分布30是二进制数10和十进制数2的对称二进制表示。
现在参考图2D，示意性地描绘了二进制光子晶格101d，二进制光子晶格101d包括具有二进制波导区域150d的波导阵列110d，二进制波导区域150d与十进制数三的对称二进制表示相对应。具体地，二进制波导区域150d包括中心波导151、第一二进制段152和第二二进制段154，该中心波导151是与对称二进制表示的数字1相对应的第二波导130，该第一二进制段152包括与对称二进制表示的数字1相对应的第二波导130，该第二二进制段154包括与对称二进制表示的数字1相对应的第二波导130。实际上，十进制数3转换为二进制数11，因此十进制数3的对称二进制表示是111。在操作中，当多个光子被引导到二进制波导区域150d的中心波导151中时，光从二进制光子晶格101d的输入端114传播到二进制光子晶格101d的输出端116，如图3C-1中示意性示出的。此外，多个光子以输出功率分布40离开二进制光子晶格101d的输出端116，输出功率分布40如图3C-2中图形描绘的。输出功率分布40是二进制数11和十进制数3的对称二进制表示。
现在参考图2E，示意性地描绘了二进制光子晶格101e，二进制光子晶格101e包括具有二进制波导区域150e的波导阵列110e，二进制波导区域150e与十进制数四的对称二进制表示相对应。二进制波导区域150e的中心波导151是与对称二进制表示的数字0相对应的第一波导120。二进制波导区域150e的第一二进制段152包括第一波导120和第二波导130，该第一波导120与对称二进制表示的数字0相对应并且被定位成与中心波导151相邻，该第二波导130与对称二进制表示的数字1相对应并且被定位成与第一边缘波导区域142相邻。此外，第二二进制段154包括第一波导120和第二波导130，该第一波导120与对称二进制表示的数字0相对应并且被定位成与中心波导151相邻，该第二波导130与对称二进制表示的数字1相对应并且被定位成与第二边缘波导区域144相邻。实际上，十进制数4转换为二进制数100，因此十进制数4的对称二进制表示是10001。在操作中，当多个光子被引导到二进制波导区域150e的中心波导151中时，光从二进制光子晶格101e的输入端114传播到二进制光子晶格101e的输出端116，如图3D-1中示意性示出的。此外，多个光子以输出功率分布50离开二进制光子晶格101e的输出端116，输出功率分布50如图3D-2中图形描绘的。输出功率分布50是二进制数100和十进制数4的对称二进制表示。
现在参考图2F，示意性地描绘了二进制光子晶格101f，二进制光子晶格101f包括具有二进制波导区域150f的波导阵列110f，二进制波导区域150f与十进制数五的对称二进制表示相对应。二进制波导区域150f的中心波导151是与对称二进制表示的数字1相对应的第二波导130。二进制波导区域150e的第一二进制段152包括第一波导120和第二波导130，该第一波导120与对称二进制表示的数字0相对应并且被定位成与中心波导151相邻，该第二波导130与对称二进制表示的数字1相对应并且被定位成与第一边缘波导区域142相邻。此外，第二二进制段154包括第一波导120和第二波导130，该第一波导120与对称二进制表示的数字0相对应并且被定位成与中心波导151相邻，该第二波导130与对称二进制表示的数字1相对应并且被定位成与第二边缘波导区域144相邻。实际上，十进制数5转换为二进制数101，因此十进制数5的对称二进制表示是10101。在操作中，当多个光子被引导到二进制波导区域150f的中心波导151中时，光从二进制光子晶格101f的输入端114传播到二进制光子晶格101f的输出端116，如图3E-1中示意性示出的。此外，多个光子以输出功率分布60离开二进制光子晶格101f的输出端116，输出功率分布60如图3E-2中图形描绘的。输出功率分布60是二进制数101和十进制数5的对称二进制表示。
现在参考图2G，示意性地描绘了二进制光子晶格101g，二进制光子晶格101g包括具有二进制波导区域150g的波导阵列110g，二进制波导区域150g与十进制数六的对称二进制表示相对应。二进制波导区域150g的中心波导151是与对称二进制表示的数字0相对应的第一波导120。二进制波导区域150e的第一二进制段152包括第二波导130和另一第二波导130，该第二波导130与对称二进制表示的数字1相对应并且被定位成与中心波导151相邻，该另一第二波导130与对称二进制表示的另一数字1相对应并且被定位成与第一边缘波导区域142相邻。此外，第二二进制段154包括第二波导130和另一第二波导130，该第二波导130与对称二进制表示的数字1相对应并且被定位成与中心波导151相邻，该另一第二波导130与对称二进制表示的另一数字1相对应并且被定位成与第二边缘波导区域144相邻。实际上，十进制数6转换为二进制数110，因此十进制数6的对称二进制表示是11011。在操作中，当多个光子被引导到二进制波导区域150g的中心波导151中时，光从二进制光子晶格101g的输入端114传播到二进制光子晶格101g的输出端116，如图3F-1中示意性示出的。此外，多个光子以输出功率分布70离开二进制光子晶格101g的输出端116，输出功率分布70如图3F-2中图形描绘的。输出功率分布70是二进制数110和十进制数6的对称二进制表示。
现在参考图2H，示意性地描绘了二进制光子晶格101h，二进制光子晶格101h包括具有二进制波导区域150h的波导阵列110h，二进制波导区域150h与十进制数七的对称二进制表示相对应。二进制波导区域150g的中心波导151是与对称二进制表示的数字1相对应的第二波导130。二进制波导区域150e的第一二进制段152包括第二波导130和另一第二波导130，该第二波导130与对称二进制表示的数字1相对应并且被定位成与中心波导151相邻，该另一第二波导130与对称二进制表示的另一数字1相对应并且被定位成与第一边缘波导区域142相邻。此外，第二二进制段154包括第二波导130和另一第二波导130，该第二波导130与对称二进制表示的数字1相对应并且被定位成与中心波导151相邻，该另一第二波导130与对称二进制表示的另一数字1相对应并且被定位成与第二边缘波导区域144相邻。实际上，十进制数7转换为二进制数111，因此十进制数7的对称二进制表示是11111。在操作中，当多个光子被引导到二进制波导区域150h的中心波导151中时，光从二进制光子晶格101h的输入端114传播到二进制光子晶格101h的输出端116，如图3G-1中示意性示出的。此外，多个光子以输出功率分布80离开二进制光子晶格101h的输出端116，输出功率分布80如图3G-2中图形描绘的。输出功率分布80是二进制数111和十进制数7的对称二进制表示。
再次参考图1至图3G-2，使用本文描述的光学系统100以光学方式表示二进制数的方法可以包括：将使用光子源180生成的多个光子引导到二进制光子晶格101的波导阵列110的二进制波导区域150的中心波导151的输入端114中。一旦被引导到波导阵列110中，光子从输入端114传播到输出端116，并且经倏逝波耦合，光子中的一些光子在相邻波导之间传播。接下来，该方法包括，使用一个或多个光子检测器190接收多个光子，并且基于由一个或多个光子检测器190接收到的多个光子测量输出功率分布。输出功率分布与二进制数及其对应的十进制数的对称二进制表示相对应。此外，该方法还包括：使用一个或多个光子检测器190或者以光学方式或以其他方式通信地耦合到一个或多个光子检测器190的另一计算部件，来确定各自与输出功率分布的对称二进制表示相对应的二进制数和十进制数。
此外，虽然本文描述的二进制光子晶格101主要用于以光学方式表示二进制数，但在其他实施例中，二进制光子晶格101可用作可集成在芯片上的分束器，并可操作以基于二进制光子晶格101中波导的特定布置将单个输入信号分成多个部分。常规的分束器，诸如棱镜或定向耦合器，可以将单个输入信号分成两个或几个光束。相比之下，二进制光子晶格可以可控制地且可重复地将单个输入信号分成远多于两个的光束，这在经典光学应用和量子光学应用两者中都是有用的。
为了描述和限定本发明技术，注意本文中引用的作为参数或另一变量的“函数”的变量并不旨在表示该变量仅是所列举的参数或变量的函数。而是，在本文中引用作为所列举的参数的“函数”的变量旨在是开放式的，使得该变量可以是单个参数或多个参数的函数。
还应当注意，本文中对“至少一个”部件、元件等的记载不应当用于推断冠词“一”或“一个”的替代使用应当限于单个部件、元件等。
注意，本文中对本公开的部件以特定方法被“配置”以使特定特性具体化、或以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，与预期用途的叙述相反。更具体地，本文提到部件被“配置”的方式是指该部件的现有物理条件，并且因此被视作该部件的结构特性的明确叙述。
出于描述和限定本发明技术的目的，注意在本文中采用术语“基本上”和“约”来表示可以归因于任何定量比较、数值、测量、或其他表示的固有不确定度。本文还使用术语“基本上”和“约”来表示量化表示可以与所述参考不同而不会导致所讨论主题的基本功能的改变的程度。
在已经详细描述本公开主题并参考其特定实施例的情况下，还应当注意本文所公开的各种细节不应当被视作暗示这些细节涉及作为本文中所描述的各种实施例的基本部件的元件，即使在本说明书的附图中的每一个中示出了特定元件的情况下也是如此。此外，显而易见的是，修改和变化是可能的，而不脱离包括但不限于所附权利要求书所限定的实施例的本公开的范围。更具体地，虽然本公开的一些方面在本文中被标识为优选的或特别有优势的，但可以构想本公开不一定限于这些方面。
注意，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其特征在于/其中”作为过渡短语。出于限定本发明技术的目的，应当注意该术语是作为开放式的过渡短语而被引入所附权利要求中的，该开放式的过渡短语用于引入对所述结构的一系列特性的记载，且应当按照与更常用的开放式前序术语“包括”相似的方式进行解释。
