用“搭积木”方式构建碳化硅片上异质集成量子光源

工作简介

中国科学院上海微系统与信息技术研究所异质集成XOI团队近日在集成光量子芯片领域取得突破性成果。研究团队创新采用“搭积木”式混合集成策略，成功将III-V族半导体量子点光源与CMOS工艺兼容的碳化硅（4H-SiC）光子芯片异质集成，构建出新型混合微环谐振腔。该结构不仅实现了单光子源的片上局域能量动态调谐，还通过微腔的Purcell效应显著提升光子发射效率，为光量子芯片的大规模集成提供了全新解决方案。相关成果以《A hybrid single quantum dot coupled cavity on a CMOS-compatible SiC photonic chip for Purcell-enhanced deterministic single-photon emission》为题，发表于光学领域顶级期刊《Light: Science & Applications》。论文通讯作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所张加祥研究员、欧欣研究员，以及中国科学技术大学霍永恒教授；共同第一作者包括该所朱一帆博士生、伊艾伦副研究员与中国科学技术大学刘润泽博士。

研究背景

与微电子学的发展轨迹相似，光量子信息技术正朝着小型化与芯片化的方向快速演进。自2008年英国布里斯托大学首次实现石英基集成光量子芯片以来，该领域取得了显著进展。得益于成熟的CMOS工艺，硅光子平台已成为当前集成光量子芯片的主流选择，并在高维量子纠缠、量子通信、量子模拟及量子计算等关键技术中展现了巨大潜力。然而，硅材料的间接带隙特性及其缺乏电光效应的局限性，严重制约了片上大规模量子光源的制备以及高速、低功耗光子回路的动态重构。因此，如何在光量子芯片上实现可扩展的量子光源及电光可重构回路，成为该领域亟待解决的核心挑战。

混合异质集成技术通过将不同材料的光子器件整合到单一芯片中，为解决上述问题提供了重要途径。该技术不仅能够显著提升光子线路的集成度和功能性，还可增强光源的扩展性。在众多混合集成方案中，III-V族量子点光源因其独特的性能备受关注。量子点，常被称为“人造原子”，具有近乎100%的单光子发射效率和高度的全同性，是量子通信与计算的理想光源。尽管量子点已成功集成到微柱腔和布拉格环形腔中，但这些微腔的面外光场局域模式使其难以实现芯片级集成。虽然光子晶体微腔为量子点的片上集成提供了可能，但其对超精密加工、局域光谱调谐以及腔模-量子点位置匹配的严苛要求，极大地增加了技术难度。因此，量子点光源与微腔的片上集成及其在电光芯片中的应用，仍是集成光量子领域的一大技术瓶颈，相关研究尚处于空白阶段。

研究亮点

针对量子点光源与微腔片上集成的技术瓶颈，研究团队创新性地提出了一种“搭积木”式的混合集成方案。该方案通过微转印技术将含InAs量子点的GaAs波导精准堆叠至4H-SiC电光材料制备的微环谐振腔上（如图1）。低温共聚焦荧光光谱测试表明，得益于GaAs与4H-SiC异质波导的高精度对准集成，光场通过倏逝波耦合在上下波导间高效传输，形成了“回音壁”模式的平面局域光场。尤为重要的是，该结构的腔模品质因子达到7.8×10³，仅比原始微环下降约50%，展现了优异的光场局域能力。