中国科学院利用“搭积木”方式构建碳化硅片上异质集成量子光源

IT之家 2 月 19 日消息，中国科学院今日宣布，上海微系统与信息技术研究所在集成光量子芯片领域取得重要进展。

该研究团队采用“搭积木”式的混合集成策略，将 III-V 族半导体量子点光源与 CMOS 工艺兼容的碳化硅（4H-SiC）光子芯片异质集成，构建出新型混合微环谐振腔。

这一结构实现了单光子源的片上局域能量动态调谐，并通过微腔的 Purcell 效应提升了光子发射效率，为光量子芯片的大规模集成提供了全新解决方案。相关研究成果已于 2 月 14 日发表在《光：科学与应用》上（IT之家附 DOI:10.1038 / s41377-024-01676-y）。

针对量子点光源与微腔片上集成的技术瓶颈，该团队创新性地提出了“搭积木”式的混合集成方案。这一方案采用微转印技术，将含 InAs 量子点的 GaAs 波导精准堆叠至 4H-SiC 电光材料制备的微环谐振腔上。

低温共聚焦荧光光谱测试发现，得益于 GaAs 与 4H-SiC 异质波导的高精度对准集成，光场通过倏逝波耦合在上下波导间高效传输，形成“回音壁”模式的平面局域光场。该结构的腔模品质因子达到 7.8×103，仅比原始微环下降约 50%，展现了优异的光场局域能力。

进一步，该研究在芯片上集成微型加热器，实现了量子点激子态光谱的 4nm 宽范围调谐。这一片上热光调谐能力使腔模与量子点光信号达到精准匹配，实现了微腔增强的确定性单光子发射。实验测得 Purcell 增强因子为 4.9，单光子纯度高达 99.2%。

▲基于 III-V 量子点和电光 4H-SiC 材料的混合集成量子点微腔

为验证这一技术的扩展潜力，该研究在 4H-SiC 光子芯片上制备出两个间距 250μm 的量子点混合微腔。研究通过独立局域调谐，克服了量子点生长导致的固有频率差异，实现了不同微腔间量子点单光子信号的频率匹配。

该工作在 4H-SiC 芯片上同步实现了光源调谐、Purcell 增强与多节点扩展，兼具高纯度与 CMOS 工艺兼容性。结合 4H-SiC 优异的电光调制特性，该技术有望推动光量子网络向实用化迈进。