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D单光子发射器与氮化硅波导耦合,向光子集成电路迈出重要一步 | 前沿

发布:owyrraws 浏览:134次

  由比利时微电子研究中心(Imec)、根特大学(Ghent University)和麻省理工学院(MIT)研究人员组成的光子学研究小组近日宣布,成功将基于二维(2D)层状材料的单光子发射器(SPE)集成到氮化硅(SiN)光子芯片中。即使只有中等量子产率,也可以设计介电腔,使单光子提取进入统一的波导模式,该成果为量子光子学和2D材料基础研究的发展迈出了至关重要的一步。

  光子集成电路(PIC)可以使连接大量光子器件的复杂量子光子电路实现小型化,并具有最佳的插入损耗和相位稳定性。单光子发射器(SPE)是构成这类量子集成电路的核心器件,当前人们已经研究了多种材料系统来制造这种片上SPE。2D-SPE具有一些独特的属性,这使其特别适合与PIC集成。首先,可以轻松地与PIC连接,通过堆叠构成复杂的异质结构;其次,由于其厚度薄且没有全内反射,无需任何额外的处理即可实现非常高的光提取效率,从而实现单光子在主体与底层PIC之间高效地传输;第三,生长制备晶圆级高均匀性的2D材料变得越来越容易。

  在PIC中,光子沿低损耗的单模波导以单空间模式路由,该波导由高折射率的纤芯和低折射率的包层材料组成;空间模式的匹配对于经典和量子干涉至关重要,对于这种架构而言,它几乎是完美的。此外,PIC还允许在单芯片上集成多种功能,包括增强光­物质相互作用的光子腔、阻挡或选择特定波长的滤光片、可集成的光电探测器等。SPE是构成此类量子光子电路的核心器件。近年来,人们已经研究了多种材料系统来创建片上SPE,包括III-V量子点、碳纳米管、GaSe晶体和晶体色心(例如金刚石NV或SiV中心)。

  近期,在单层过渡金属二硫化物(TMDC)以及单层和多层六方氮化硼(hBN)中发现了SPE。研究表明纳米级应变工程可用于扩大此类2D-SPE的生成,但到目前为止,尚未实现其与PIC的集成。然而,该技术可以帮助解决其它方法在量子光子应用中遇到的一些重要问题。首先,转移2D材料或通过范德瓦尔斯(Vander Waals)外延将其堆叠以创建复杂的异质结构的技术现在已经发展得很成熟,能够轻松地与高质量PIC连接。其次,由于发射器嵌入单层膜中,避免了全内反射,可以获得非常高的光提取效率。这是基于金刚石和III-V材料的量子技术存在的主要问题,在这些技术中,通常必须在主体材料中制造独立的光子结构,以使单光子能够在主体和底层PIC之间有效地传输。

  此外,2D材料可以轻松地与电接触点集成,从而最终实现在宽光谱范围内产生全电单光子,或者通过量子限制的斯塔克效应(Stark effect)来调谐单光子的波长和对称性。最后,生长制备晶圆级高均匀性2D材料变得越来越容易,可以在晶圆层面与底层的光子电路相匹配。由于2D-SPE主要发射可见光波,而标准的绝缘体上硅的PIC平台对可见光不透明,所以不能使用。另一方面,基于氮化硅(SiN)的PIC成为了可携带量子信息的有用平台,因为它们不仅能为可见光提供低损耗传输,也可与CMOS晶圆厂兼容。