近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所、中科院物理研究所研究人員合作，實現基于III-V族量子點確定性量子光源和CMOS兼容碳化硅的混合集成光量子學芯片。通過設計雙層波導耦合器和1×2多模干涉儀（Multimode interferometer, MMI），研究團隊實現了混合量子光子芯片中確定性單光子的高效路由，以及對確定性單光子二階關聯函數的片上實驗測量。相關研究成果于近日以Hybrid integration of deterministic quantum dots-based single-photon sources with CMOS-compatible silicon carbide photonics為題在線發表在Laser & Photonics Reviews上。

集成光量子芯片提供了一個片上光量子態的產生、傳輸、調控及探測的綜合平臺，由于其具有集成度高、穩定性好、便于操縱等優勢，在量子通信、量子傳感和量子計算等光量子信息應用領域引起廣泛關注。近期研究人員在硅、高折射率玻璃、氮化硅和氮化鋁等各種CMOS工藝兼容的光子學材料平臺上成功實現自組裝量子點單光子源的混合集成，掀起該領域的研究熱潮。然而，目前所有已開發的光子學平臺均無法同時具備大帶隙、高折射率、高二階和三階非線性光學系數。第三代半導體材料碳化硅（SiC），尤其是具有六方晶相結構的4H-SiC，其具有CMOS技術兼容性和大的光學非線性，是實現大規模光學量子回路的有力競爭者。同時，4H-SiC在較寬的波長范圍內具有2.4~3.2 eV的大帶隙和n~2.6的大折射率，其優異的綜合特性為集成光量子芯片的應用帶來巨大優勢，包括制造大規模、低成本和高可靠性集成光子回路，以及利用線性電光效應實現超快速度調制功能的可重構光子回路。然而，利用離子束注入剝離制備的4H-SiCOI在芯片上創建高效的單光子源是具有挑戰性的。這是因為，雖然4H-SiC擁有豐富的自旋缺陷二能級系統，但由于離子注入帶來的高離子損傷缺陷，制備空間可分辨的單個缺陷極其困難。因此，如何突破這一限制，在CMOS兼容的4H-SiC光波導上集成量子光源從而構建綜合性能優異的集成光量子芯片成為量子光學材料和器件的研究熱點之一。

研究團隊開發混合集成方法，成功將基于自組裝量子點的確定性單光子源轉移至基于離子注入剝離與轉移技術制備的4英寸晶圓級4H-SiCOI光子芯片上（圖1a）。通過采用電子束曝光和干法蝕刻方法，研究實現了4H-SiC光子芯片和含有銦鎵砷量子點（QD）的砷化鎵納米光子波導的高產率制備；同時開發亞微米精度薄膜器件轉移技術，實現砷化鎵納米光波導與4H-SiCOI光子芯片上光子學結構的混合集成。研究人員采用由錐形波導組成的雙層垂直耦合器來實現了QD光子發射到4H-SiC光波導的高效耦合（圖1b和c）。 

此外，研究團隊設計和制備了分束比為50:50的4H-SiC 1×2 MMI器件（圖1d和e），通過光纖分別收集兩個光柵耦合器的光致發光譜信號并傳輸到光譜儀中，上下光柵相同的計數率顯示了MMI器件50/50功率分束比（圖2a和b）。在對確定性單光子二階關聯函數的片上實驗測量中，研究人員分別通過連續波激光器和脈沖激光器激勵，在零延時處測得了g⁽²⁾(0) = 0.20 ± 0.03和g⁽²⁾(0) = 0.12 ± 0.02，低于經典極限（0.5），表明了光子的反聚束現象（圖2c和d）。該工作成功地在晶圓級4H-SiC光子芯片上實現QD確定性單光子源的混合集成，并實現了對確定性單光子二階關聯函數的片上實驗測量，為實現同時具有確定性單光子源的CMOS兼容的快速可重構量子光子電路提供了一種新的解決方案和研究思路。

相關研究工作得到國家重點研發計劃、上海市科委啟明星項目、中科院前沿科學重點資助項目等的支持。

圖1 (a) 在4H-SiCOI材料平臺上設計的1×2 MMI器件示意圖。在MMI器件的輸入波導上集成了一個錐形GaAs納米光子波導。兩個輸出端口端分別制備垂直光柵耦合器，左下插圖為該結構的SEM圖像；(b) 雙層波導耦合器的結構示意圖；(c) 波導耦合器的耦合效率隨錐形長度的變化，插圖顯示了從頂部GaAs波導到下方4H-SiC波導的基本TE模場轉移；(d) MMI器件中的電場強度分布；(e) MMI器件輸出端口傳輸效率與器件耦合長度的變化關系

圖2 (a)和(b)是分別從頂部和底部光柵耦合器上采集的量子點光致發光譜（PL），插圖分別顯示了MMI器件針對量子點激子發光峰（X）的二維PL掃描圖，其中的標尺長度為8 μm；(c)和(d)為從分離的兩個光柵耦合器中收集的激子光子的歸一化二階空間互相關函數，分別在連續波激光激勵條件下(c)和脈沖激光激勵條件下(d)測量