中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所在集成光量子芯片研究方面取得進展。該研究采用“搭積木”式混合集成策略，將III-V族半導(dǎo)體量子點光源與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)實現(xiàn)了單光子源的片上局域能量動態(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。

針對量子點光源與微腔片上集成的技術(shù)瓶頸，該團隊創(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量子點的GaAs波導(dǎo)精準堆疊至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試發(fā)現(xiàn)，得益于GaAs與4H-SiC異質(zhì)波導(dǎo)的高精度對準集成，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。

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基于III-V量子點和電光4H-SiC材料的混合集成量子點微腔

進一步，該研究在芯片上集成微型加熱器，實現(xiàn)了量子點激子態(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光信號達到精準匹配，實現(xiàn)了微腔增強的確定性單光子發(fā)射。實驗測得Purcell增強因子為4.9，單光子純度高達99.2%。

為驗證這一技術(shù)的擴展?jié)摿Γ�該研究�?H-SiC光子芯片上制備出兩個間距250μm的量子點混合微腔。研究通過獨立局域調(diào)諧，克服了量子點生長導(dǎo)致的固有頻率差異，實現(xiàn)了不同微腔間量子點單光子信號的頻率匹配。

該工作在4H-SiC芯片上同步實現(xiàn)了光源調(diào)諧、Purcell增強與多節(jié)點擴展，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)有望推動光量子網(wǎng)絡(luò)向?qū)嵱没�邁進。

近日，相關(guān)研究成果以A hybrid single quantum dot coupled cavity on a CMOS-compatible SiC photonic chip for Purcell-enhanced deterministic single-photon emission為題，發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01676-y