中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近期，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所異質(zhì)集成XOI團隊在集成光量子芯片領(lǐng)域取得突破性成果。研究團隊創(chuàng )新采用“搭積木”式混合集成策略，成功將III-V族半導體量子點(diǎn)光源與CMOS工藝兼容的碳化硅（4H-SiC）光子芯片異質(zhì)集成，構建出新型混合微環(huán)諧振腔。該結構不僅實(shí)現了單光子源的片上局域能量動(dòng)態(tài)調諧，還通過(guò)微腔的Purcell效應顯著(zhù)提升光子發(fā)射效率，為光量子芯片的大規模集成提供了全新解決方案。相關(guān)成果以《A hybrid single quantum dot coupled cavity on a CMOS-compatible SiC photonic chip for Purcell-enhanced deterministic single-photon emission》為題，發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Light: Science & Applications》。論文通訊作者為中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所張加祥研究員、歐欣研究員，以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)霍永恒教授；共同第一作者包括該所朱一帆博士生、伊艾倫副研究員與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉潤澤博士。
與微電子學(xué)的發(fā)展軌跡相似，光量子信息技術(shù)正朝著(zhù)小型化與芯片化的方向快速演進(jìn)。自2008年英國布里斯托大學(xué)首次實(shí)現石英基集成光量子芯片以來(lái)，該領(lǐng)域取得了顯著(zhù)進(jìn)展。得益于成熟的CMOS工藝，硅光子平臺已成為當前集成光量子芯片的主流選擇，并在高維量子糾纏、量子通信、量子模擬及量子計算等關(guān)鍵技術(shù)中展現了巨大潛力。然而，硅材料的間接帶隙特性及其缺乏電光效應的局限性，嚴重制約了片上大規模量子光源的制備以及高速、低功耗光子回路的動(dòng)態(tài)重構。因此，如何在光量子芯片上實(shí)現可擴展的量子光源及電光可重構回路，成為該領(lǐng)域亟待解決的核心挑戰。
混合異質(zhì)集成技術(shù)通過(guò)將不同材料的光子器件整合到單一芯片中，為解決上述問(wèn)題提供了重要途徑。該技術(shù)不僅能夠顯著(zhù)提升光子線(xiàn)路的集成度和功能性，還可增強光源的擴展性。在眾多混合集成方案中，III-V族量子點(diǎn)光源因其獨特的性能備受關(guān)注。量子點(diǎn)，常被稱(chēng)為“人造原子”，具有近乎100%的單光子發(fā)射效率和高度的全同性，是量子通信與計算的理想光源。盡管量子點(diǎn)已成功集成到微柱腔和布拉格環(huán)形腔中，但這些微腔的面外光場(chǎng)局域模式使其難以實(shí)現芯片級集成。雖然光子晶體微腔為量子點(diǎn)的片上集成提供了可能，但其對超精密加工、局域光譜調諧以及腔模-量子點(diǎn)位置匹配的嚴苛要求，極大地增加了技術(shù)難度。因此，量子點(diǎn)光源與微腔的片上集成及其在電光芯片中的應用，仍是集成光量子領(lǐng)域的一大技術(shù)瓶頸，相關(guān)研究尚處于空白階段。
針對量子點(diǎn)光源與微腔片上集成的技術(shù)瓶頸，研究團隊創(chuàng )新性地提出了一種“搭積木”式的混合集成方案。該方案通過(guò)微轉印技術(shù)將含InAs量子點(diǎn)的GaAs波導精準堆疊至4H-SiC電光材料制備的微環(huán)諧振腔上（如圖1）。低溫共聚焦熒光光譜測試表明，得益于GaAs與4H-SiC異質(zhì)波導的高精度對準集成，光場(chǎng)通過(guò)倏逝波耦合在上下波導間高效傳輸，形成了“回音壁”模式的平面局域光場(chǎng)。尤為重要的是，該結構的腔模品質(zhì)因子達到7.8×103，僅比原始微環(huán)下降約50%，展現了優(yōu)異的光場(chǎng)局域能力。
圖1：基于III-V量子點(diǎn)和電光4H-SiC材料的混合集成量子點(diǎn)微腔
研究團隊進(jìn)一步在芯片上集成微型加熱器，實(shí)現了量子點(diǎn)激子態(tài)光譜的4 nm寬范圍調諧。這一片上熱光調諧能力使腔模與量子點(diǎn)光信號達到精準匹配，成功實(shí)現了微腔增強的確定性單光子發(fā)射。實(shí)驗測得Purcell增強因子為4.9，單光子純度高達99.2%，為高性能量子光源的片上集成提供了重要突破。
圖2：（a）片上調控微腔耦合量子點(diǎn)單光子信號；（b）量子點(diǎn)熒光增強；（c）片上微腔增強量子點(diǎn)單光子純度測試
為驗證該技術(shù)的擴展潛力，團隊在4H-SiC光子芯片上制備了兩個(gè)間距250 μm的量子點(diǎn)混合微腔。通過(guò)獨立局域調諧，成功克服了量子點(diǎn)生長(cháng)導致的固有頻率差異，實(shí)現了不同微腔間量子點(diǎn)單光子信號的頻率匹配。這一成果為未來(lái)片上多節點(diǎn)量子干涉及光量子比特互聯(lián)奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎。
圖3：片上可擴展微腔耦合量子點(diǎn)光源
區別于其他類(lèi)型片上微腔，該工作通過(guò)創(chuàng )新集成策略，在4H-SiC芯片上同步實(shí)現了光源調諧、Purcell增強與多節點(diǎn)擴展，兼具高純度與CMOS工藝兼容性。結合4H-SiC優(yōu)異的電光調制特性，該技術(shù)有望推動(dòng)光量子網(wǎng)絡(luò )向實(shí)用化邁進(jìn)，為量子計算、通信等領(lǐng)域的芯片級集成提供全新解決方案。
