近日，中國科學院傳來振奮人心的消息，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所在光量子芯片研究領(lǐng)域取得了突破性進展。這一成就不僅標志著我國在集成光量子技術(shù)上的重大進步，更為光量子芯片的未來發(fā)展開辟了新的道路。
研究團隊巧妙地運用了一種類似“拼圖”的混合集成策略，成功地將III-V族半導體量子點光源與CMOS工藝兼容的碳化硅（4H-SiC）光子芯片結(jié)合在一起，創(chuàng)新性地構(gòu)建出了一種全新的混合微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了單光子源在芯片上的局部能量動態(tài)調(diào)節(jié)，還通過微腔的Purcell效應顯著提升了光子的發(fā)射效率，為光量子芯片的大規(guī)模集成提供了前所未有的解決方案。
面對量子點光源與微腔片上集成的技術(shù)難題，研究團隊獨辟蹊徑，提出了“拼圖式”的混合集成方案。他們利用微轉(zhuǎn)印技術(shù)，將含有InAs量子點的GaAs波導精確地疊加到由4H-SiC電光材料制成的微環(huán)諧振腔上，實現(xiàn)了高精度集成。實驗結(jié)果顯示，這種異質(zhì)波導的對準集成極大地提高了光場在上下波導之間的傳輸效率，形成了獨特的“回音壁”模式平面局域光場。
在進一步的實驗中，研究團隊在芯片上集成了微型加熱器，使得量子點激子態(tài)光譜能夠在4nm的寬范圍內(nèi)進行調(diào)諧。這一片上熱光調(diào)諧能力確保了腔模與量子點光信號的精確匹配，從而實現(xiàn)了微腔增強的確定性單光子發(fā)射。實驗數(shù)據(jù)表明，Purcell增強因子達到了4.9，而單光子純度更是高達99.2%，這一結(jié)果無疑為光量子芯片的性能提升奠定了堅實基礎。
為了驗證這一技術(shù)的廣泛適用性，研究團隊在4H-SiC光子芯片上制備了兩個相距250微米的量子點混合微腔。通過獨立的局部調(diào)諧技術(shù)，他們克服了量子點生長過程中產(chǎn)生的固有頻率差異，成功實現(xiàn)了不同微腔間量子點單光子信號的頻率匹配。這一成果不僅展示了該技術(shù)在多節(jié)點擴展方面的潛力，也進一步證明了其在實際應用中的可行性。
該研究在4H-SiC芯片上同時實現(xiàn)了光源調(diào)諧、Purcell增強以及多節(jié)點擴展，并且保持了高純度與CMOS工藝的兼容性。結(jié)合4H-SiC優(yōu)異的電光調(diào)制特性，這一技術(shù)有望在未來推動光量子網(wǎng)絡向更加實用化的方向發(fā)展。
此次研究不僅展現(xiàn)了我國科研人員在光量子芯片領(lǐng)域的深厚實力和創(chuàng)新精神，也為全球光量子技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。隨著技術(shù)的不斷成熟和應用領(lǐng)域的不斷拓展，光量子芯片有望在未來成為信息技術(shù)領(lǐng)域的重要支柱。
該研究團隊還通過低溫共聚焦熒光光譜測試對集成結(jié)構(gòu)進行了深入分析。他們發(fā)現(xiàn)，由于GaAs與4H-SiC異質(zhì)波導的高精度對準集成，光場在上下波導間通過倏逝波耦合實現(xiàn)了高效傳輸。這一結(jié)構(gòu)的腔模品質(zhì)因子高達7.8×10^3，僅比原始微環(huán)下降約50%，充分展示了其優(yōu)異的光場局域能力。
