近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中科院物理研究所研究人員合作，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，以及對確定性單光子二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的片上實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jì)算等光量子信息應(yīng)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(xué)材料平臺上成功實(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，其具有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)量子回路的有力競爭者。同時(shí)，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(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(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。研究人員采用由錐形波導(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（圖1b和c）。 

 

圖1.  (a) 在4H-SiCOI材料平臺上設(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模場轉(zhuǎn)移；(d) MMI器件中的電場強(qiáng)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