中國科學(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)近日在集成光量子芯片領(lǐng)域取得突破性成果。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用“搭積木”式混合集成策略，成功將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。該結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了單光子源的片上局域能量動(dòng)態(tài)調(diào)諧，還通過微腔的Purcell效應(yīng)顯著提升光子發(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)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)表于光學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Light: Science & Applications》。論文通訊作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所張加祥研究員、歐欣研究員，以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)霍永恒教授；共同第一作者包括該所朱一帆博士生、伊艾倫副研究員與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉潤澤博士。
 

　　與微電子學(xué)的發(fā)展軌跡相似，光量子信息技術(shù)正朝著小型化與芯片化的方向快速演進(jìn)。自2008年英國布里斯托大學(xué)首次實(shí)現(xiàn)石英基集成光量子芯片以來，該領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。得益于成熟的CMOS工藝，硅光子平臺(tái)已成為當(dāng)前集成光量子芯片的主流選擇，并在高維量子糾纏、量子通信、量子模擬及量子計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)中展現(xiàn)了巨大潛力。然而，硅材料的間接帶隙特性及其缺乏電光效應(yīng)的局限性，嚴(yán)重制約了片上大規(guī)模量子光源的制備以及高速、低功耗光子回路的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。因此，如何在光量子芯片上實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子光源及電光可重構(gòu)回路，成為該領(lǐng)域亟待解決的核心挑戰(zhàn)。
 

　　混合異質(zhì)集成技術(shù)通過將不同材料的光子器件整合到單一芯片中，為解決上述問題提供了重要途徑。該技術(shù)不僅能夠顯著提升光子線路的集成度和功能性，還可增強(qiáng)光源的擴(kuò)展性。在眾多混合集成方案中，III-V族量子點(diǎn)光源因其獨(dú)特的性能備受關(guān)注。量子點(diǎn)，常被稱為“人造原子”，具有近乎100%的單光子發(fā)射效率和高度的全同性，是量子通信與計(jì)算的理想光源。盡管量子點(diǎn)已成功集成到微柱腔和布拉格環(huán)形腔中，但這些微腔的面外光場(chǎng)局域模式使其難以實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)集成。雖然光子晶體微腔為量子點(diǎn)的片上集成提供了可能，但其對(duì)超精密加工、局域光譜調(diào)諧以及腔模-量子點(diǎn)位置匹配的嚴(yán)苛要求，極大地增加了技術(shù)難度。因此，量子點(diǎn)光源與微腔的片上集成及其在電光芯片中的應(yīng)用，仍是集成光量子領(lǐng)域的一大技術(shù)瓶頸，相關(guān)研究尚處于空白階段。
 

　　針對(duì)量子點(diǎn)光源與微腔片上集成的技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種“搭積木”式的混合集成方案。該方案通過微轉(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(如圖1)。低溫共聚焦熒光光譜測(cè)試表明，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(chǎng)通過倏逝波耦合在上下波導(dǎo)間高效傳輸，形成了“回音壁”模式的平面局域光場(chǎng)。尤為重要的是，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(chǎng)局域能力。
 

圖1：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
 

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步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4 nm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，成功實(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%，為高性能量子光源的片上集成提供了重要突破。
 

　　圖2：(a)片上調(diào)控微腔耦合量子點(diǎn)單光子信號(hào)；(b)量子點(diǎn)熒光增強(qiáng)；(c)片上微腔增強(qiáng)量子點(diǎn)單光子純度測(cè)試

 

　　為驗(yàn)證該技術(shù)的擴(kuò)展?jié)摿Γ瑘F(tuán)隊(duì)在4H-SiC光子芯片上制備了兩個(gè)間距250 μm的量子點(diǎn)混合微腔。通過獨(dú)立局域調(diào)諧，成功克服了量子點(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。這一成果為未來片上多節(jié)點(diǎn)量子干涉及光量子比特互聯(lián)奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。
 

圖3：片上可擴(kuò)展微腔耦合量子點(diǎn)光源
 

　　區(qū)別于其他類型片上微腔，該工作通過創(chuàng)新集成策略，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)，為量子計(jì)算、通信等領(lǐng)域的芯片級(jí)集成提供全新解決方案。