标签: 光子器件

近日，哈尔滨工业大学深圳校区集成电路学院的宋清海教授与周宇教授团队，在碳化硅集成光量子纠缠器件研究领域取得了突破性进展。该成果有望显著推动集成光量子信息技术在量子网络和量子传感领域的深入应用。相关研究成果已研究成果已以《室温下波导集成的半导体光子平台量子寄存器》(Room-temperature waveguide integrated quantum register in a semiconductor photonic platform）为题，发表于《自然通讯》(Nature Communications)。 01 哈工深碳化硅光量子器件技术突破进展 哈工深研究团队在绝缘层上碳化硅（SiCOI）波导中，首先制备了单个电子自旋阵列，并展示了其相干特性。通过将特殊的碳化硅（SiC）外延层晶圆与氧化硅晶圆结合，并利用磨削和抛光技术将碳化硅层减薄至200纳米。随后，采用离子注入技术在碳化硅层中引入双空位自旋，并通过光磁共振（ODMR）技术验证了自旋特性。该研究发现，在碳化硅中，约有1.1%的碳原子和4.7%的硅原子具有核自旋。该团队研究人员将电子－核纠缠量子寄存器集成到光波导中，实现了接近100%的核自旋极化，并制备出最大纠缠贝尔态，量子态层析测量显示纠缠保真度为0.89。实验结果表明，量子寄存器的光发射和自旋在集成后保持稳定，纠缠也能在室温光波导中稳定保持，进一步推进了集成光量子信息技术的发展。 波导集成的SiC 电子－核量子纠缠示意图 02 集成光子技术是下一代通信引擎 随着大数据、云计算、人工智能和量子计算等新一代信息技术的迅猛发展，对信息传输和处理能力的需求呈指数级增长。传统上依赖高密度集成和晶体管微缩来提升集成电路芯片信息处理速度的方法，已逐渐逼近物理极限。在“后 摩尔时代”，集成光子技术有望成为一种颠覆性技术脱颖而出。光子因其无质量、无电荷等独特物理属性，在信息处理中展现出无可比拟的优势。集成光子技术不仅能在通信容量上实现TB/s级的数据传输，传输速度远超电子系统，而且其计算功耗显著降低，仅为电子系统的千分之一，同时拥有出色的抗干扰能力，确保数据传输的稳定性和可靠性。目前，集成光子芯片在实验室条件下已实现了超过100 Tb/s的数据传输速率，是现有光纤通信系统的数十倍。集成光子技术有望成为满足下一代通信技术性能要求的关键解决方案，引领信息技术领域的新一轮变革。 03 碳化硅有望引领集成光子技术新纪元 碳化硅凭借其综合光电特性，在集成光子学领域展现出巨大潜力。其带隙范围在2.4至3.2eV之间，覆盖紫外至中红外宽透光窗口（0.37至5.6μm），加之显著的二阶（30pm/V）和三阶（10至18m²/W）非线性系数，为高效的频率转换和低损耗电光调制提供了可能，并奠定了片上光学频率梳生成的基础。碳化硅材料的微结构加工工艺与CMOS技术兼容，有效降低了加工成本，同时提升了器件加工效率和可靠性。在量子光学领域，碳化硅中的丰富固态量子光源——如硅空位色心、双空位色心及氮替位硅空位色心等，具备长自旋相干时间和高精细度，使其成为实现片上量子信息处理的重要平台。 此前，美国国家标准与技术研究院和卡内基梅隆大学的科学家在《Light: Science & Applications》期刊上发表的研究成果，首次展示了基于4H-SiC-on-insulator平台的芯片级纠缠光子源。通过集成光学微环谐振器利用自发四波混频（SFWM）过程，该设备在电信波长下生成了高质量、高纯度的时间-能量纠缠光子对，非常适用于光纤传输，对量子通信和量子网络具有重要意义。这一突破标志着碳化硅在集成量子光子学（IQP）领域的巨大前景，尽管仍面临挑战，但碳化硅有望将大量芯片级量子光子和电学过程集成到各类应用中，开启集成光子芯片研究与应用的新篇章。 说明：来源未来产链，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流。发布仅为了传达一种不同观点，不代表对该观点赞同或支持。如果有任何问题，请联系我：Lucy（微信）18158225562