上海微系統(tǒng)所實現(xiàn)新型混合集成光量子學芯片

  近日，中國科學院上海微系統(tǒng)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院物理研究所合作，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(shè)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”為題在線發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊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(yīng)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，由于其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(yīng)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(yīng)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為混合集成光量子芯片的結(jié)構(gòu)示意圖)。通過采用電子束曝光和干法蝕刻方法，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。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(如圖1b和c)。

  圖1. (a) 在4H-SiCOI材料平臺上設(shè)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錐形GaAs納米光子波導。兩個輸出端口端分別制備垂直光柵耦合器，左下插圖為該結(jié)構(gòu)的SEM圖像;(b) 雙層波導耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖;(c) 波導耦合器的耦合效率隨錐形長度的變化，插圖顯示了從頂部GaAs波導到下方4H-SiC波導的基本TE模場轉(zhuǎn)移;(d) MMI器件中的電場強度分布;(e) MMI器件輸出端口傳輸效率與器件耦合長度的變化關(guān)系。

  此外，研究團隊設(shè)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(如圖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，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(如圖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。

  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光致發(fā)光譜(PL)，插圖分別顯示了MMI器件針對量子點激子發(fā)光峰(X)的二維PL掃描圖，其中的標尺長度為8 μm;(c)和(d)為從分離的兩個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(shù)，分別在連續(xù)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(tǒng)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(tǒng)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研發(fā)計劃、上海市科委啟明星項目、中國科學院前沿科學重點資助項目等項目的支持。

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

  文章來源：中科院上海微系統(tǒng)所，信息功能材料國家重點實驗室，異質(zhì)集成XOI課題組