2 月 19 日消息，中國科學院今日宣布，上海微系統(tǒng)與信息技術研究所在集成光量子芯片領域取得重要進展。

該研究團隊采用“搭積木”式的混合集成策略，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(huán)諧振腔。

這一結構實現(xiàn)了單光子源的片上局域能量動態(tài)調諧，并通過微腔的 Purcell 效應提升了光子發(fā)射效率，為光量子芯片的大規(guī)模集成提供了全新解決方案。相關研究成果已于 2 月 14 日發(fā)表在《光：科學與應用》上（附 DOI:10.1038 / s41377-024-01676-y）。

針對量子點光源與微腔片上集成的技術瓶頸，該團隊創(chuàng)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(huán)諧振腔上。

低溫共聚焦熒光光譜測試發(fā)現(xiàn)，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(huán)下降約 50%，展現(xiàn)了優(yōu)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(xiàn)了量子點激子態(tài)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(xiàn)了微腔增強的確定性單光子發(fā)射。實驗測得 Purcell 增強因子為 4.9，單光子純度高達 99.2%。

▲ 基于 III-V 量子點和電光 4H-SiC 材料的混合集成量子點微腔

為驗證這一技術的擴展?jié)摿Γ撗芯吭?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(xiàn)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(xiàn)了光源調諧、Purcell 增強與多節(jié)點擴展，兼具高純度與 CMOS 工藝兼容性。結合 4H-SiC 優(yōu)異的電光調制特性，該技術有望推動光量子網(wǎng)絡向實用化邁進。