【產(chǎn)通社，7月19日訊】中國科學院（Chinese Academy of Sciences）官網(wǎng)消息，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中科院物理研究所研究人員合作，近日實現(xiàn)基于III-V族量子點確定性量子光源和CMOS兼容碳化硅的混合集成光量子學芯片。通過設計雙層波導耦合器和1×2多模干涉儀（Multimode interferometer, MMI），研究團隊實現(xiàn)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(shù)的片上實驗測量。相關(guān)研究成果于近日以Hybrid integration of deterministic quantum dots-based single-photon sources with CMOS-compatible silicon carbide photonics為題在線發(fā)表在Laser & Photonics Reviews上。 

集成光量子芯片提供了一個片上光量子態(tài)的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)控及探測的綜合平臺，由于其具有集成度高、穩(wěn)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。近期研究人員在硅、高折射率玻璃、氮化硅和氮化鋁等各種CMOS工藝兼容的光子學材料平臺上成功實現(xiàn)自組裝量子點單光子源的混合集成，掀起該領(lǐng)域的研究熱潮。然而，目前所有已開發(fā)的光子學平臺均無法同時具備大帶隙、高折射率、高二階和三階非線性光學系數(shù)。第三代半導體材料碳化硅（SiC），尤其是具有六方晶相結(jié)構(gòu)的4H-SiC，其具有CMOS技術(shù)兼容性和大的光學非線性，是實現(xiàn)大規(guī)模光學量子回路的有力競爭者。同時，4H-SiC在較寬的波長范圍內(nèi)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巨大優(yōu)勢，包括制造大規(guī)模、低成本和高可靠性集成光子回路，以及利用線性電光效應實現(xiàn)超快速度調(diào)制功能的可重構(gòu)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(zhàn)性的。這是因為，雖然4H-SiC擁有豐富的自旋缺陷二能級系統(tǒng)，但由于離子注入帶來的高離子損傷缺陷，制備空間可分辨的單個缺陷極其困難。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(gòu)建綜合性能優(yōu)異的集成光量子芯片成為量子光學材料和器件的研究熱點之一。 

研究團隊開發(fā)混合集成方法，成功將基于自組裝量子點的確定性單光子源轉(zhuǎn)移至基于離子注入剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)制備的4英寸晶圓級4H-SiCOI光子芯片上（圖1a）。通過采用電子束曝光和干法蝕刻方法，研究實現(xiàn)了4H-SiC光子芯片和含有銦鎵砷量子點（QD）的砷化鎵納米光子波導的高產(chǎn)率制備；同時開發(fā)亞微米精度薄膜器件轉(zhuǎn)移技術(shù)，實現(xiàn)砷化鎵納米光波導與4H-SiCOI光子芯片上光子學結(jié)構(gòu)的混合集成。研究人員采用由錐形波導組成的雙層垂直耦合器來實現(xiàn)了QD光子發(fā)射到4H-SiC光波導的高效耦合（圖1b和c）。  

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（圖1d和e），通過光纖分別收集兩個光柵耦合器的光致發(fā)光譜信號并傳輸?shù)焦庾V儀中，上下光柵相同的計數(shù)率顯示了MMI器件50/50功率分束比（圖2a和b）。在對確定性單光子二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的片上實驗測量中，研究人員分別通過連續(xù)波激光器和脈沖激光器激勵，在零延時處測得了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(xiàn)象（圖2c和d）。該工作成功地在晶圓級4H-SiC光子芯片上實現(xiàn)QD確定性單光子源的混合集成，并實現(xiàn)了對確定性單光子二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的片上實驗測量，為實現(xiàn)同時具有確定性單光子源的CMOS兼容的快速可重構(gòu)量子光子電路提供了一種新的解決方案和研究思路。 

相關(guān)研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、上海市科委啟明星項目、中科院前沿科學重點資助項目等的支持。查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://www.cas.cn/syky/202207/t20220704_4840494.shtml，以及http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200172。（張怡，產(chǎn)通發(fā)布）     （完）