中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術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,構建出新型混合微環(huán)諧振腔。這一結構實現(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。這一方案采用微轉印技術,將含InAs量子點的GaAs波導精準堆疊至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)波導的高精度對準集成,光場通過倏逝波耦合在上下波導間高效傳輸,形成“回音壁”模式的平面局域光場。該結構的腔模品質(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。

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%。

為驗證這一技術的擴展?jié)摿?該研究在4H-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。結合4H-SiC優(yōu)異的電光調(diào)制特性,該技術有望推動光量子網(wǎng)絡向實用化邁進。

近日,相關研究成果以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:科學與應用》(Light: Science & Applications)上。