量子通信突破：首创将硅基单光子源集成的技术

光子盒研究院出品

世界各地的专家们正在致力于实施量子信息技术。其中，一条重要的路径涉及光：单个光量子（或光子），未来将可以传输既编码又有效的数据；为此，需要新的光子源以受控方式和按需发射单个光量子。直到最近，科学家们发现硅可以承载具有适合量子通信特性的单光子源。然而，目前为止还没有人知道如何将这些光子源集成到现代光子电路中。

亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心(HZDR)团队首次提出了一种使用硅纳米柱的生产技术：能够以最先进的光子电路间距生产每平方毫米数千个纳米柱，同时没有与制造相关的辐射损伤缺陷。他们的研究成果以《承载电信光子发射器的金属辅助化学蚀刻硅纳米柱》为题[1]，发表在《应用物理学杂志》上。

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处理芯片上的硅：MacEtch蚀刻技术

“电信领域的硅和单光子源长期以来一直是加快光纤量子通信发展的缺失环节，现在我们已经为它创造了必要的前提条件。”领导此次研究的HZDR离子束物理和材料研究所的Yonder Berencén博士解释说，尽管单光子源已经在金刚石等材料中制造出来，但只有硅基源能产生波长合适的光粒子，以便在光纤中扩散；这对实际用途来说是一个相当大的优势。

研究人员通过选择一种湿法蚀刻技术——即所谓的MacEtch（金属辅助化学蚀刻），而不是传统的干法蚀刻技术来处理芯片上的硅，实现了这一技术突破。这些允许创建硅光子结构的标准方法使用高活性离子，这些离子诱导出由硅的辐射损伤引起的发光缺陷。然而，它们是随机分布的，并在所需的光学信号上覆盖噪音；另一方面，金属辅助化学蚀刻不会产生这些缺陷：相反，材料在一种金属掩膜下被化学蚀刻掉。

以45度角拍摄的MACEtched纳米柱的扫描电子显微镜（SEM）图像。(a)在一个含有通过MACEtch制造的不同直径的硅纳米柱的硅芯片中的模具阵列。(b)直径约为300、500、700、900和1100nm的纳米柱阵列。中心结构作为一个控制。(c)一个直径为700纳米，高度约为1200纳米的硅纳米柱。

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全新纳米加工工艺，与光子电路兼容

利用MacEtch方法，研究人员最初制造了潜在光波导结构的最简单形式：芯片上的硅纳米柱。然后，他们用碳离子轰击完成的纳米柱，就像轰击一个巨大的硅块一样，从而产生嵌入柱子中的光子源。采用新的蚀刻技术意味着纳米柱的尺寸、间距和表面密度可以被精确控制和调整，以便与现代光子电路兼容。在每平方毫米的芯片中，数以千计的硅纳米柱通过垂直引导光穿过柱子来传导和捆绑来自光源的光。

电信光子发射器集成到单个硅纳米柱的过程示意图。(a)光刻胶的旋涂（Spin coating）。(b)通过电子束光刻技术和金沉积，设计二维纳米柱阵列的图案。(c)金属辅助化学蚀刻（MACEtch）。(d)使用超声波去除基于光刻胶的掩模（mask）。(e)宽束碳植入，碳离子的平均投影范围约为600纳米，柱子的平均高度为1200纳米。

研究人员改变了柱子的直径，“因为我们曾希望这将意味着我们可以在薄的柱子上进行单一缺陷的创造，并在每个柱子上实际产生一个单光子源。”Berencén解释说：“第一次的工作并不完美。相比之下，即使对于最薄的柱子，我们的碳轰击剂量也太高了；现在它只是向单光子源迈出了一小步。”

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未来，集成硅光子结构

此次实验中，研究团队提出了一种低成本、自上而下的纳米加工工艺，该工艺具有可扩展性，能够在每平方毫米的范围内生产数千个纳米柱，每个纳米柱都承载着远程通信光子发射器。这些结果对承载和扩大硅与硅柱耦合的单自旋色心和单光子发射器具有很大的潜力。

新技术也释放了一些对未来应用的竞赛。

Berencén说：“我的梦想是将所有的基本构件，从通过光子元素的单光子源到单光子探测器，都集成在一个单一的芯片上，然后通过商业光纤连接许多芯片，形成一个模块化的量子网络。”

参考链接：

[1]https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/5.0094715

[2]https://phys.org/news/2022-09-silicon-nanopillars-quantum.html

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