中國科學院上海微系統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)光子芯片異質集成,構建出新型混合微環諧振腔。這一結構實現了單光子源的片上局域能量動態調諧,并通過微腔的Purcell效應提升了光子發射效率,為光量子芯片的大規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諧振腔上。低溫共聚焦熒光光譜測試發現,得益于GaAs與4H-SiC異質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。該結構的腔模品質因子達到7.8×10³,僅比原始微環下降約50%,展現了優異的光場局域能力。

進一步,該研究在芯片上集成微型加熱器,實現了量子點激子態光譜的4nm寬范圍調諧。這一片上熱光調諧能力使腔模與量子點光信號達到精準匹配,實現了微腔增強的確定性單光子發射。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潛力,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諧,克服了量子點生長導致的固有頻率差異,實現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芯片上同步實現了光源調諧、Purcell增強與多節點擴展,兼具高純度與CMOS工藝兼容性。結合4H-SiC優異的電光調制特性,該技術有望推動光量子網絡向實用化邁進。

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,發表在《光:科學與應用》(Light: Science & Applications)上。

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基于III-V量子點和電光4H-SiC材料的混合集成量子點微腔