【儀表網 研發快訊】中國科學院上海微系統與信息技術研究所異質集成XOI團隊近日在集成光量子芯片領域取得突破性成果。研究團隊創新采用“搭積木”式混合集成策略，成功將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。該結構不僅實現了單光子源的片上局域能量動態調諧，還通過微腔的Purcell效應顯著提升光子發射效率，為光量子芯片的大規模集成提供了全新解決方案。相關成果以《A hybrid single quantum dot coupled cavity on a CMOS-compatible SiC photonic chip for Purcell-enhanced deterministic single-photon emission》為題，發表于光學領域頂級期刊《Light: Science & Applications》。論文通訊作者為中國科學院上海微系統與信息技術研究所張加祥研究員、歐欣研究員，以及中國科學技術大學霍永恒教授；共同第一作者包括該所朱一帆博士生、伊艾倫副研究員與中國科學技術大學劉潤澤博士。
 

　　與微電子學的發展軌跡相似，光量子信息技術正朝著小型化與芯片化的方向快速演進。自2008年英國布里斯托大學首次實現石英基集成光量子芯片以來，該領域取得了顯著進展。得益于成熟的CMOS工藝，硅光子平臺已成為當前集成光量子芯片的主流選擇，并在高維量子糾纏、量子通信、量子模擬及量子計算等關鍵技術中展現了巨大潛力。然而，硅材料的間接帶隙特性及其缺乏電光效應的局限性，嚴重制約了片上大規模量子光源的制備以及高速、低功耗光子回路的動態重構。因此，如何在光量子芯片上實現可擴展的量子光源及電光可重構回路，成為該領域亟待解決的核心挑戰。
 

　　混合異質集成技術通過將不同材料的光子器件整合到單一芯片中，為解決上述問題提供了重要途徑。該技術不僅能夠顯著提升光子線路的集成度和功能性，還可增強光源的擴展性。在眾多混合集成方案中，III-V族量子點光源因其獨特的性能備受關注。量子點，常被稱為“人造原子”，具有近乎100%的單光子發射效率和高度的全同性，是量子通信與計算的理想光源。盡管量子點已成功集成到微柱腔和布拉格環形腔中，但這些微腔的面外光場局域模式使其難以實現芯片級集成。雖然光子晶體微腔為量子點的片上集成提供了可能，但其對超精密加工、局域光譜調諧以及腔模-量子點位置匹配的嚴苛要求，極大地增加了技術難度。因此，量子點光源與微腔的片上集成及其在電光芯片中的應用，仍是集成光量子領域的一大技術瓶頸，相關研究尚處于空白階段。
 

　　針對量子點光源與微腔片上集成的技術瓶頸，研究團隊創新性地提出了一種“搭積木”式的混合集成方案。該方案通過微轉印技術將含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(如圖1)。低溫共聚焦熒光光譜測試表明，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，形成了“回音壁”模式的平面局域光場。尤為重要的是，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。
 

圖1：基于III-V量子點和電光4H-SiC材料的混合集成量子點微腔
 

　　研究團隊進一步在芯片上集成微型加熱器，實現了量子點激子態光譜的4 nm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，成功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%，為高性能量子光源的片上集成提供了重要突破。
 

　　圖2：(a)片上調控微腔耦合量子點單光子信號；(b)量子點熒光增強；(c)片上微腔增強量子點單光子純度測試

 

　　為驗證該技術的擴展潛力，團隊在4H-SiC光子芯片上制備了兩個間距250 μm的量子點混合微腔。通過獨立局域調諧，成功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。這一成果為未來片上多節點量子干涉及光量子比特互聯奠定了關鍵技術基礎。
 

圖3：片上可擴展微腔耦合量子點光源
 

　　區別于其他類型片上微腔，該工作通過創新集成策略，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，為量子計算、通信等領域的芯片級集成提供全新解決方案。