由比利時(shí)微電子研究中心(Imec)、根特大學(xué)(Ghent University)和麻省理工學(xué)院(MIT)研究人員組成的光子學(xué)研究小組近日宣布，成功將基于二維(2D)層狀材料的單光子發(fā)射器(SPE)集成到氮化硅(SiN)光子芯片中。即使只有中等量子產(chǎn)率，也可以設(shè)計(jì)介電腔，使單光子提取進(jìn)入統(tǒng)一的波導(dǎo)模式，該成果為量子光子學(xué)和2D材料基礎(chǔ)研究的發(fā)展邁出了至關(guān)重要的一步。
光子集成電路(PIC)可以使連接大量光子器件的復(fù)雜量子光子電路實(shí)現(xiàn)小型化，并具有最佳的插入損耗和相位穩(wěn)定性。單光子發(fā)射器(SPE)是構(gòu)成這類量子集成電路的核心器件，當(dāng)前人們已經(jīng)研究了多種材料系統(tǒng)來(lái)制造這種片上SPE。2D-SPE具有一些獨(dú)特的屬性，這使其特別適合與PIC集成。首先，可以輕松地與PIC連接，通過(guò)堆疊構(gòu)成復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu);其次，由于其厚度薄且沒(méi)有全內(nèi)反射，無(wú)需任何額外的處理即可實(shí)現(xiàn)非常高的光提取效率，從而實(shí)現(xiàn)單光子在主體與底層PIC之間高效地傳輸;第三，生長(zhǎng)制備晶圓級(jí)高均勻性的2D材料變得越來(lái)越容易。
在PIC中，光子沿低損耗的單模波導(dǎo)以單空間模式路由，該波導(dǎo)由高折射率的纖芯和低折射率的包層材料組成;空間模式的匹配對(duì)于經(jīng)典和量子干涉至關(guān)重要，對(duì)于這種架構(gòu)而言，它幾乎是完美的。此外，PIC還允許在單芯片上集成多種功能，包括增強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用的光子腔、阻擋或選擇特定波長(zhǎng)的濾光片、可集成的光電探測(cè)器等。SPE是構(gòu)成此類量子光子電路的核心器件。近年來(lái)，人們已經(jīng)研究了多種材料系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建片上SPE，包括III-V量子點(diǎn)、碳納米管、GaSe晶體和晶體色心(例如金剛石NV或SiV中心)。
近期，在單層過(guò)渡金屬二硫化物(TMDC)以及單層和多層六方氮化硼(hBN)中發(fā)現(xiàn)了SPE。研究表明納米級(jí)應(yīng)變工程可用于擴(kuò)大此類2D-SPE的生成，但到目前為止，尚未實(shí)現(xiàn)其與PIC的集成。然而，該技術(shù)可以幫助解決其它方法在量子光子應(yīng)用中遇到的一些重要問(wèn)題。首先，轉(zhuǎn)移2D材料或通過(guò)范德瓦爾斯(Vander Waals)外延將其堆疊以創(chuàng)建復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得很成熟，能夠輕松地與高質(zhì)量PIC連接。其次，由于發(fā)射器嵌入單層膜中，避免了全內(nèi)反射，可以獲得非常高的光提取效率。這是基于金剛石和III-V材料的量子技術(shù)存在的主要問(wèn)題，在這些技術(shù)中，通常必須在主體材料中制造獨(dú)立的光子結(jié)構(gòu)，以使單光子能夠在主體和底層PIC之間有效地傳輸。
此外，2D材料可以輕松地與電接觸點(diǎn)集成，從而最終實(shí)現(xiàn)在寬光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生全電單光子，或者通過(guò)量子限制的斯塔克效應(yīng)(Stark effect)來(lái)調(diào)諧單光子的波長(zhǎng)和對(duì)稱性。最后，生長(zhǎng)制備晶圓級(jí)高均勻性2D材料變得越來(lái)越容易，可以在晶圓層面與底層的光子電路相匹配。由于2D-SPE主要發(fā)射可見(jiàn)光波，而標(biāo)準(zhǔn)的絕緣體上硅的PIC平臺(tái)對(duì)可見(jiàn)光不透明，所以不能使用。另一方面，基于氮化硅(SiN)的PIC成為了可攜帶量子信息的有用平臺(tái)，因?yàn)樗鼈儾粌H能為可見(jiàn)光提供低損耗傳輸，也可與CMOS晶圓廠兼容。