用转移印刷技术推进量子光子学

转移印刷产生具有量子点单光子源的硅平台CMOS兼容集成

日本和德国研究人员声称，在单光子源和硅光子集成电路的集成方面开辟了新的天地。据该团队介绍，他们是第一个在电信波段推出量子点单光子源与硅代工厂制造的硅光子集成电路的混合集成。

来自丰桥工业大学、东京大学、庆应义塾大学、电子通信大学和卡塞尔大学等多个机构的工程师的这一进展有望推动大规模量子光子集成电路的建设。这种电路可以用于量子模拟、量子通信和量子机器学习。

为量子电路提供单光子源的选项包括III-V量子点、金刚石和SiC中的色心以及二维材料中的缺陷。隶属于丰桥工业大学和东京大学的团队发言人Ryota Katsumi表示，其中InAs/InP量子点有很多优点。

Katsumi告诉Compound Semiconductor，量子点非常适合满足单光子源的要求，包括明亮的单光子发射、高纯度、确定性操作和高不可区分性。“其他单光子源很难同时满足所有这些要求。”

该团队的最新成功建立在之前的成功基础上，包括使用转印在CMOS处理的芯片上实现InAs/GaAs量子点单光子源的混合集成。

在这项工作中，这些源在传统通信频带之外产生发射。通过从GaAs上的点切换到InP上的点，研究人员现在转向了O和L波段，这得益于通过光纤的低损耗和低色散传播——有利于长距离和安全的量子网络。

最新的工作始于通过MBE在InP衬底上生长InAs量子点。通过添加硬掩模、电子束光刻和干蚀刻和湿蚀刻，由外延片形成光子晶体纳米束腔。转印将该结构重新定位到覆盖有玻璃的硅波导上（见图）。

13 K的微光致发光测量使用来自785nm激光器的光学激发，在1436.9nm处产生强量子点发射峰值，并且在1436.2nm处产生基本腔模。从点到波导的单光子耦合效率为82%。

在该团队生产的纳米束腔中，大约有10个量子点耦合到该腔。这些点中的一些在腔的共振之外，导致背景发射和被称为g（2）的关键品质因数的退化，该关键品质因数是二阶相干度的度量。

Katsumi表示：“对于更纯的单光子发射，有必要使用单个量子点。”他补充道，实现这一点的一个有吸引力的方法是生产量子点密度低得多的外延片。

除了提高发射纯度外，集成量子光子电路还需要电驱动而非光泵浦的单光子源。根据Katsumi的说法，该团队的技术提供了一种实现这一点的方法。“转印甚至可以用于在硅上实现电泵送电极。”

为了实现实用的量子光子信息处理，单光子和光纤之间需要高效的即插即用耦合——这将确保长距离量子网络。

Katsumi及其同事正致力于通过转印制造模块化固态单光子源。“这将为未来的量子应用提供高效稳定的单光子供应。”

参考文献

R. Katsumi et al. Appl. Phys. Express 16 012204 (2023)

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