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中科院上海微系統所實(shí)現新型混合集成光量子學(xué)芯片
來(lái)源:本站原創(chuàng )  瀏覽次數:435  發(fā)布時(shí)間:2022-07-25

近日,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團隊張加祥研究員、歐欣研究員和中國科學(xué)院物理研究所合作,實(shí)現基于III-V族量子點(diǎn)確定性量子光源和CMOS兼容碳化硅的混合集成光量子學(xué)芯片。通過(guò)設計雙層波導耦合器和1×2多模干涉儀 (Multimode interferometer, MMI),研究團隊實(shí)現了混合量子光子芯片中確定性單光子的高效路由,以及對確定性單光子二階關(guān)聯(lián)函數的片上實(shí)驗測量。相關(guān)研究成果于2022年6月19日以“Hybrid integration of deterministic quantum dots-based single-photon sources with CMOS-compatible silicon carbide photonics”為題在線(xiàn)發(fā)表在國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊Laser & Photonics Reviews上。

集成光量子芯片提供了一個(gè)片上光量子態(tài)的產(chǎn)生、傳輸、調控及探測的綜合平臺,由于其具有集成度高、穩定性好、便于操縱等優(yōu)勢,在量子通信、量子傳感和量子計算等光量子信息應用領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。最近研究人員在硅、高折射率玻璃、氮化硅和氮化鋁等各種CMOS工藝兼容的光子學(xué)材料平臺上成功實(shí)現自組裝量子點(diǎn)單光子源的混合集成,掀起該領(lǐng)域的研究熱潮。然而,目前所有已開(kāi)發(fā)的光子學(xué)平臺均無(wú)法同時(shí)具備大帶隙、高折射率、高二階和三階非線(xiàn)性光學(xué)系數。第三代半導體材料碳化硅(SiC),尤其是具有六方晶相結構的 4H-SiC,由于其CMOS 技術(shù)兼容性和大的光學(xué)非線(xiàn)性,是實(shí)現大規模光學(xué)量子回路的有力競爭者。同時(shí),4H-SiC在較寬的波長(cháng)范圍內具有2.4~3.2 eV的大帶隙和n~2.6的大折射率,其優(yōu)異的綜合特性為集成光量子芯片的應用帶來(lái)巨大優(yōu)勢,包括制造大規模、低成本和高可靠性集成光子回路,以及利用線(xiàn)性電光效應實(shí)現超快速度調制功能的可重構光子回路。然而,利用離子束注入剝離制備的4H-SiCOI在芯片上創(chuàng )建高效的單光子源是具有挑戰性的。這是因為,雖然4H-SiC擁有豐富的自旋缺陷二能級系統,但由于離子注入帶來(lái)的高離子損傷缺陷,制備空間可分辨的單個(gè)缺陷極其困難。因此,如何突破這一限制,在CMOS 兼容的4H-SiC光波導上集成量子光源從而構建綜合性能優(yōu)異的集成光量子芯片成為量子光學(xué)材料和器件的研究熱點(diǎn)之一。

研究團隊開(kāi)發(fā)混合集成方法,成功將基于自組裝量子點(diǎn)的確定性單光子源轉移至基于離子注入剝離與轉移技術(shù)制備的4英寸晶圓級4H-SiCOI光子芯片上(圖1a為混合集成光量子芯片的結構示意圖)。通過(guò)采用電子束曝光和干法蝕刻方法,實(shí)現了 4H-SiC 光子芯片和含有銦鎵砷量子點(diǎn)(QD)的砷化鎵納米光子波導的高產(chǎn)率制備;同時(shí)開(kāi)發(fā)亞微米精度薄膜器件轉移技術(shù)實(shí)現砷化鎵納米光波導與4H-SiCOI 光子芯片上光子學(xué)結構的混合集成。采用由錐形波導組成的雙層垂直耦合器來(lái)實(shí)現了QD 光子發(fā)射到 4H-SiC光波導的高效耦合(如圖1b和c)。


圖1. (a) 在4H-SiCOI材料平臺上設計的1×2 MMI器件示意圖。在MMI器件的輸入波導上集成了一個(gè)錐形GaAs納米光子波導。兩個(gè)輸出端口端分別制備垂直光柵耦合器,左下插圖為該結構的SEM圖像;(b) 雙層波導耦合器的結構示意圖;(c) 波導耦合器的耦合效率隨錐形長(cháng)度的變化,插圖顯示了從頂部GaAs波導到下方4H-SiC波導的基本TE模場(chǎng)轉移;(d) MMI器件中的電場(chǎng)強度分布;(e) MMI器件輸出端口傳輸效率與器件耦合長(cháng)度的變化關(guān)系。

此外,研究團隊設計和制備了分束比為50:50的4H-SiC 1×2 MMI器件(如圖1d和e),通過(guò)光纖分別收集兩個(gè)光柵耦合器的光致發(fā)光譜信號并傳輸到光譜儀中, 上下光柵相同的計數率顯示了MMI器件50/50功率分束比(如圖2a和b)。 在對確定性單光子二階關(guān)聯(lián)函數的片上實(shí)驗測量中,分別通過(guò)連續波激光器和脈沖激光器激勵,在零延時(shí)處測得了g(2)(0) = 0.20 ± 0.03和g(2)(0) = 0.12 ± 0.02,低于經(jīng)典極限(0.5),表明了光子的反聚束現象(如圖2c和d)。該工作成功地在晶圓級4H-SiC 光子芯片上實(shí)現QD確定性單光子源的混合集成,并實(shí)現了對確定性單光子二階關(guān)聯(lián)函數的片上實(shí)驗測量,為實(shí)現同時(shí)具有確定性單光子源的 CMOS 兼容的快速可重構量子光子電路提供了一種新的解決方案和研究思路。

圖2. (a)和(b)是分別從頂部和底部光柵耦合器上采集的量子點(diǎn)光致發(fā)光譜(PL),插圖分別顯示了MMI器件針對量子點(diǎn)激子發(fā)光峰(X)的二維PL掃描圖,其中的標尺長(cháng)度為8 μm;(c)和(d)為從分離的兩個(gè)光柵耦合器中收集的激子光子的歸一化二階空間互相關(guān)函數,分別在連續波激光激勵條件下(c)和脈沖激光激勵條件下(d)測量。

論文共同第一作者為中科院上海微系統所博士研究生朱一帆和博士后伊艾倫、以及中科院物理所博士研究生韋文奇,論文通訊作者為中科院上海微系統所異質(zhì)集成XOI課題組歐欣研究員和張加祥研究員。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、上海市科委啟明星項目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)資助項目等項目的支持。

論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200172


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