前沿进展 | 小成本硅基光电异质集成方案，可望用于量子信息处理

1. 导读

近日，来自波兰理工大学和丹麦福托尼克工业大学的研究人员提出一种新颖且工业兼容的单光子发射方法，并演示了一个简单的垂直发射器件，即在量子点发射器下使用金属反射镜，实验获得了10%的光提取效率.

其中光子源是基于InAs的量子点外延生长在InP上，并通过化学键合均匀的集成在硅基衬底上。该工作为实现通讯波段量子光子集成电路（QPIC）的大规模制造奠定了基础，相关研究相关研究成果以“Bright Quantum Dot Single-Photo Emitters at Telecom Bands Heterogeneously Integrated on Si”为题，发表在ACS Photonics上。

2. 研究背景

采用单光子源作为光源是进行量子信息处理的一种强有力方法。光子具有较长的相干性，并能够在宏观距离上有效传播，这使其在量子光子处理器、无漏洞贝尔实验和长距离量子密钥分发方面具有计算优势。对于可扩展的光量子信息处理领域来说，硅光平台具有极大优势，但是其缺乏有效的光子生成方案。外延生长的自组装半导体量子点(QD)能够有效地在通讯波段(1460~1625 nm)发射光子，并允许与硅衬底异质集成。由于半导体-空气折射率对比度大，未经过后处理的基于QDs的单光子发射器(SPEs)的光提取效率η通常小于1%，一般可以通过调控局部的光学环境提高光提取效率。常用的提高η的方法为在由分布式布拉格反射器 (DBRs)定义的整体腔中或者单个DBR反射器上方放置一个量子点，但是这些方法需要复杂的加工方法，不适用于基于量子点的SPE与Si的单片集成。

3. 创新研究

自组装InAs量子点被放置在底部金属镜和顶部InP/空气界面之间形成的弱平面腔系统中，构成了一个简单的垂直发射器件，如图1(a)所示。

图1 (a) 结构方案，由集成在Si衬底上并带有金属反射镜的InAs/InP QDs组成。(b)带有金属镜面的台面结构的光提取效率η。(c)触发式单光子发射的荷电激子自相关直方图。

研究人员测得了InAs/InP量子点的光提取效率η，如图1(b)所示，其中η为量子点的测试结果以及数值计算值。实验结果表明，对于这些台面结构，η高于4.4%，其中两个量子点的η高达9.5%。与没有金属反射镜的参考结构的效率(0.7%~0.8%)相比，η提高了1个数量级。值得注意的是，实验测得的η和理论预测的结果基本一致。模拟值和实验值之间的小偏差被归因于QD附近可能的非辐射复合通道、由于制造缺陷而导致的台面几何形状变化以及QD在台面内位置的不确定性。

InAs/InP量子点的光提取效率提高了一个数量级，这使得该结构成为与Si平台异质集成的具有吸引力的单光子源。研究人员通过研究从量子点发射的单光子的纯度来评估台面结构中量子点的单光子发射质量。为此，研究人员利用非共振连续波(CW)和脉冲激励记录了二阶相关函数，如图1(c)所示。

4. 总结与展望

研究人员提出的新型硅基光电异质集成量子点结构方案适用于硅基片上光子量子信息处理，为在电信S-、C-和L-波段制备结构简单、小尺寸、低成本和工艺兼容的单光子发射器，提供了新思路。InAs/InP单光子发射器的光谱范围消除了对通讯波段的频率转换，增加了未来使用基于低损耗光纤的光网络实施分布式信息处理和计算方案的可能。结合研究人员的设计和与现有行业标准兼容的制造工艺，研究人员能够制造在更广泛的通讯光谱范围内具有高光提取效率的单光子源，并称其性能可与基于分布式布拉格反射（DBR）激光器的解决方案相媲美，但制造技术更为简单。

同时，研究人员所提出的器件结构具有宽光谱和光提取效率高的特点，有利于进一步定制确定性局域发射器。极高的发射器亮度允许其利用发射成像方法进行快速空间定位，该方法已成功用于短波长 (<1000 nm) QDs。然而，在电信波长上，与较短波长所需的硅基阵列相比，依赖于2D最先进的基于 InGaAs 的矩阵的成像，其矩阵的效率低且噪声水平高。因此，金属镜上 QD 的简化架构可以为制造电信波长的完全确定性、可扩展的 QPIC 提供新思路。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.2c00027

科学编辑 | 黄蕊

编辑 | 金梦菲菲

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