上海微系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)新型混合集成光量子學(xué)芯片

  近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所異質(zhì)集成XOI團(tuán)隊(duì)張加祥研究員、歐欣研究員和中國(guó)科學(xué)院物理研究所合作，實(shí)現(xiàn)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。通過設(shè)計(jì)雙層波導(dǎo)耦合器和1×2多模干涉儀 (Multimode interferometer, MMI)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)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(duì)確定性單光子二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的片上實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guó)際著名學(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(diào)控及探測(cè)的綜合平臺(tái)，由于其具有集成度高、穩(wěn)定性好、便于操縱等優(yōu)勢(shì)，在量子通信、量子傳感和量子計(jì)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(xué)材料平臺(tái)上成功實(shí)現(xiàn)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，目前所有已開發(fā)的光子學(xué)平臺(tái)均無法同時(shí)具備大帶隙、高折射率、高二階和三階非線性光學(xué)系數(shù)。第三代半導(dǎo)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(xué)非線性，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光學(xué)量子回路的有力競(jìng)爭(zhēng)者。同時(shí)，4H-SiC在較寬的波長(zhǎng)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(shì)，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(shí)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?yàn)?，雖然4H-SiC擁有豐富的自旋缺陷二能級(jí)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(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(dǎo)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(xué)材料和器件的研究熱點(diǎn)之一。

  研究團(tuán)隊(duì)開發(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(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(jí)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(shí)現(xiàn)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(dǎo)的高產(chǎn)率制備;同時(shí)開發(fā)亞微米精度薄膜器件轉(zhuǎn)移技術(shù)實(shí)現(xiàn)砷化鎵納米光波導(dǎo)與4H-SiCOI 光子芯片上光子學(xué)結(jié)構(gòu)的混合集成。采用由錐形波導(dǎo)組成的雙層垂直耦合器來實(shí)現(xiàn)了QD 光子發(fā)射到 4H-SiC光波導(dǎo)的高效耦合(如圖1b和c)。

  圖1. (a) 在4H-SiCOI材料平臺(tái)上設(shè)計(jì)的1×2 MMI器件示意圖。在MMI器件的輸入波導(dǎo)上集成了一個(gè)錐形GaAs納米光子波導(dǎo)。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(jié)構(gòu)的SEM圖像;(b) 雙層波導(dǎo)耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖;(c) 波導(dǎo)耦合器的耦合效率隨錐形長(zhǎng)度的變化，插圖顯示了從頂部GaAs波導(dǎo)到下方4H-SiC波導(dǎo)的基本TE模場(chǎng)轉(zhuǎn)移;(d) MMI器件中的電場(chǎng)強(qiáng)度分布;(e) MMI器件輸出端口傳輸效率與器件耦合長(zhǎng)度的變化關(guān)系。

  此外，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(gè)光柵耦合器的光致發(fā)光譜信號(hào)并傳輸?shù)焦庾V儀中， 上下光柵相同的計(jì)數(shù)率顯示了MMI器件50/50功率分束比(如圖2a和b)。 在對(duì)確定性單光子二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的片上實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，分別通過連續(xù)波激光器和脈沖激光器激勵(lì)，在零延時(shí)處測(cè)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(jí)4H-SiC 光子芯片上實(shí)現(xiàn)QD確定性單光子源的混合集成，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)確定性單光子二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的片上實(shí)驗(yàn)測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)同時(shí)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(diǎn)光致發(fā)光譜(PL)，插圖分別顯示了MMI器件針對(duì)量子點(diǎn)激子發(fā)光峰(X)的二維PL掃描圖，其中的標(biāo)尺長(zhǎng)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(shù)，分別在連續(xù)波激光激勵(lì)條件下(c)和脈沖激光激勵(lì)條件下(d)測(cè)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市科委啟明星項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)資助項(xiàng)目等項(xiàng)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，異質(zhì)集成XOI課題組