由比利時微電子研究中心(Imec)、根特大學(Ghent University)和麻省理工學院(MIT)研究人員組成的光子學研究小組近日宣布，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，也可以設計介電腔，使單光子提取進入統(tǒng)一的波導模式，該成果為量子光子學和2D材料基礎研究的發(fā)展邁出了至關重要的一步。
光子集成電路(PIC)可以使連接大量光子器件的復雜量子光子電路實現(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)是構成這類量子集成電路的核心器件，當前人們已經(jīng)研究了多種材料系統(tǒng)來制造這種片上SPE。2D-SPE具有一些獨特的屬性，這使其特別適合與PIC集成。首先，可以輕松地與PIC連接，通過堆疊構成復雜的異質結構;其次，由于其厚度薄且沒有全內(nèi)反射，無需任何額外的處理即可實現(xiàn)非常高的光提取效率，從而實現(xiàn)單光子在主體與底層PIC之間高效地傳輸;第三，生長制備晶圓級高均勻性的2D材料變得越來越容易。
在PIC中，光子沿低損耗的單模波導以單空間模式路由，該波導由高折射率的纖芯和低折射率的包層材料組成;空間模式的匹配對于經(jīng)典和量子干涉至關重要，對于這種架構而言，它幾乎是完美的。此外，PIC還允許在單芯片上集成多種功能，包括增強光-物質相互作用的光子腔、阻擋或選擇特定波長的濾光片、可集成的光電探測器等。SPE是構成此類量子光子電路的核心器件。近年來，人們已經(jīng)研究了多種材料系統(tǒng)來創(chuàng)建片上SPE，包括III-V量子點、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。研究表明納米級應變工程可用于擴大此類2D-SPE的生成，但到目前為止，尚未實現(xiàn)其與PIC的集成。然而，該技術可以幫助解決其它方法在量子光子應用中遇到的一些重要問題。首先，轉移2D材料或通過范德瓦爾斯(Vander Waals)外延將其堆疊以創(chuàng)建復雜的異質結構的技術現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得很成熟，能夠輕松地與高質量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材料的量子技術存在的主要問題，在這些技術中，通常必須在主體材料中制造獨立的光子結構，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集成，從而最終實現(xiàn)在寬光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生全電單光子，或者通過量子限制的斯塔克效應(Stark effect)來調諧單光子的波長和對稱性。最后，生長制備晶圓級高均勻性2D材料變得越來越容易，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)射可見光波，而標準的絕緣體上硅的PIC平臺對可見光不透明，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，因為它們不僅能為可見光提供低損耗傳輸，也可與CMOS晶圓廠兼容。