2 月 19 日消息，中國科學(xué)院今日宣布，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所在集成光量子芯片領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。

該研究團(tuán)隊(duì)采用“搭積木”式的混合集成策略，將 III-V 族半導(dǎo)體量子點(diǎn)光源與 CMOS 工藝兼容的碳化硅（4H-SiC）光子芯片異質(zhì)集成，構(gòu)建出新型混合微環(huán)諧振腔。

這一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單光子源的片上局域能量動(dòng)態(tài)調(diào)諧，并通過微腔的 Purcell 效應(yīng)提升了光子發(fā)射效率，為光量子芯片的大規(guī)模集成提供了全新解決方案。相關(guān)研究成果已于 2 月 14 日發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》上（附 DOI:10.1038 / s41377-024-01676-y）。

針對(duì)量子點(diǎn)光源與微腔片上集成的技術(shù)瓶頸，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“搭積木”式的混合集成方案。這一方案采用微轉(zhuǎn)印技術(shù)，將含 InAs 量子點(diǎn)的 GaAs 波導(dǎo)精準(zhǔn)堆疊至 4H-SiC 電光材料制備的微環(huán)諧振腔上。

低溫共聚焦熒光光譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)，得益于 GaAs 與 4H-SiC 異質(zhì)波導(dǎo)的高精度對(duì)準(zhǔn)集成，光場通過倏逝波耦合在上下波導(dǎo)間高效傳輸，形成“回音壁”模式的平面局域光場。該結(jié)構(gòu)的腔模品質(zhì)因子達(dá)到 7.8×103，僅比原始微環(huán)下降約 50%，展現(xiàn)了優(yōu)異的光場局域能力。

進(jìn)一步，該研究在芯片上集成微型加熱器，實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)激子態(tài)光譜的 4nm 寬范圍調(diào)諧。這一片上熱光調(diào)諧能力使腔模與量子點(diǎn)光信號(hào)達(dá)到精準(zhǔn)匹配，實(shí)現(xiàn)了微腔增強(qiáng)的確定性單光子發(fā)射。實(shí)驗(yàn)測(cè)得 Purcell 增強(qiáng)因子為 4.9，單光子純度高達(dá) 99.2%。

▲ 基于 III-V 量子點(diǎn)和電光 4H-SiC 材料的混合集成量子點(diǎn)微腔

為驗(yàn)證這一技術(shù)的擴(kuò)展?jié)摿Γ撗芯吭?4H-SiC 光子芯片上制備出兩個(gè)間距 250μm 的量子點(diǎn)混合微腔。研究通過獨(dú)立局域調(diào)諧，克服了量子點(diǎn)生長導(dǎo)致的固有頻率差異，實(shí)現(xiàn)了不同微腔間量子點(diǎn)單光子信號(hào)的頻率匹配。

該工作在 4H-SiC 芯片上同步實(shí)現(xiàn)了光源調(diào)諧、Purcell 增強(qiáng)與多節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展，兼具高純度與 CMOS 工藝兼容性。結(jié)合 4H-SiC 優(yōu)異的電光調(diào)制特性，該技術(shù)有望推動(dòng)光量子網(wǎng)絡(luò)向?qū)嵱没~進(jìn)。