2D单光子发射器与氮化硅波导耦合，向光子集成电路迈出重要一步
2019-10-20 20:50:57   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，由比利时微电子研究中心（imec）、根特大学（Ghent University）和麻省理工学院（MIT）研究人员组成的光子学研究小组近日宣布，他们已经将基于二维（2D）层状材料的单光子发射器（SPE）集成到氮化硅（SiN）光子芯片中。即使只有中等量子产率，也可以设计介电腔，使单光子提取进入统一的波导模式。该结果发表在《自然通讯》（Nature Communications）上，为量子光子学和2D材料基础研究的发展迈出了至关重要的一步。

光子集成电路（PIC）可以使连接大量光子器件的复杂量子光子电路实现小型化，并具有最佳的插入损耗和相位稳定性。单光子发射器（SPE）是构成这类量子集成电路的核心器件，当前人们已经研究了多种材料系统来制造这种片上SPE。2D-SPE具有一些独特的属性，这使其特别适合与PIC集成。首先，它们可以轻松地与PIC连接，通过堆叠构成复杂的异质结构；其次，由于它们的厚度薄且没有全内反射，无需任何额外的处理即可实现非常高的光提取效率，从而实现单光子在主体与底层PIC之间高效地传输；第三，生长制备晶圆级高均匀性的2D材料变得越来越容易。

在PIC中，光子沿低损耗的单模波导以单空间模式路由，该波导由高折射率的纤芯和低折射率的包层材料组成；空间模式的匹配对于经典和量子干涉至关重要，对于这种架构而言，它几乎是完美的。此外，PIC还允许在单芯片上集成多种功能，包括增强光-物质相互作用的光子腔、阻挡或选择特定波长的滤光片、可集成的光电探测器等。SPE是构成此类量子光子电路的核心器件。十年来，人们已经研究了多种材料系统来创建片上SPE，包括III-V量子点、碳纳米管、GaSe晶体和晶体色心（例如金刚石NV或SiV中心）。

最近，在单层过渡金属二硫化物（TMDC）以及单层和多层六方氮化硼（hBN）中发现了SPE。研究表明纳米级应变工程可用于扩大此类2D-SPE的生成，但到目前为止，尚未实现其与PIC的集成。然而，该技术可以帮助解决其它方法在量子光子应用中遇到的一些重要问题。首先，转移2D材料或通过范德瓦尔斯（Van der Waals）外延将其堆叠以创建复杂的异质结构的技术现在已经发展得很成熟，能够轻松地与高质量PIC连接。其次，由于发射器嵌入单层膜中，避免了全内反射，因此可以获得非常高的光提取效率。这是基于金刚石和III-V材料的量子技术存在的主要问题，在这些技术中，通常必须在主体材料中制造独立的光子结构，以使单光子能够在主体和底层PIC之间有效地传输。此外，2D材料可以轻松地与电接触点集成，从而最终实现在宽光谱范围内产生全电单光子，或者通过量子限制的斯塔克效应（Stark effect）来调谐单光子的波长和对称性。最后，生长制备晶圆级高均匀性2D材料变得越来越容易，它们可以在晶圆层面与底层的光子电路相匹配。由于2D-SPE主要发射可见光波，而标准的绝缘体上硅的PIC平台对可见光不透明，所以不能使用。另一方面，基于氮化硅（SiN）的PIC成为了可携带量子信息的有用平台，因为它们不仅能为可见光提供低损耗传输，也可与CMOS晶圆厂兼容。

器件概述

图1显示了该量子发射器的原理图，将机械剥离的二硒化钨（WSe₂）薄片干式转移到单模SiN波导上，转移后将样品放入Montana仪器的光学低温恒温器中，冷却至3.9 K。来自WSe₂的光致发光（PL）既可以和自由空间辐射耦合，也可以与波导导模耦合。向自由空间的辐射由顶部的物镜收集（数值孔径NA为0.65），而与波导耦合的PL由与波导输出面对齐的透镜光纤捕获。光纤耦合芯片和集成的WSe₂薄片的截面图如图1b所示。此器件的典型1/e单光子传播长度为0.5~1 cm（约为4~10 dB/cm）。

图1 集成的WSe₂量子发射器。其中：（a）发射器的俯视图：WSe₂薄片集成在220 nm厚的单模SiN波导上，由两条空气沟槽与块体SiN隔开。波导末端是锥形的，以便更容易与透镜光纤耦合。WSe₂发射器的偶极矩的方向（红色箭头），相对于基本波导模式的准TE极化（沿x方向近似对齐）是随机的（黑色箭头）。红色阴影区域表示向左传播到波导的总发射耦合效率ηwg。（b）样品的横截面。空气沟槽和波导的宽度分别为3 μm和700 nm。在波导附近的发射器产生的PL，既可耦合到自由空间又可耦合到波导（红色阴影圆圈）。图中的黑色虚线显示了沿顶部截取的在λ= 750 nm处的波导截面。（c）光纤耦合芯片的图片（插图显示从光纤到芯片的光耦合）。锥形透镜光纤采用Thorlabs的标准SM630光纤，焦斑尺寸为2 μm，工作距离为8 μm。（d）集成WSe₂的SiN芯片显微镜图像。WSe₂薄片位于波导区域上方，用白色三角形突出显示。

图2总结了WSe₂薄片上PL的测量结果。可以通过低温恒温器的顶部窗口，利用一组（两个）振镜在样品上扫描激发光束（λ= 532 nm）。图2b PL扫描图中亮起的区域，与图2a扫描共聚焦图像中薄片覆盖的区域相对应。研究人员研究了薄片上不同区域的五个点，标记为S1至S5。图2e显示了波导外两个位置S1和S2的光谱图。点S1显示只有两个突出的光谱峰，与点S2的峰比相对较弱。点S2在1.65 ~ 1.7 eV光谱区中包含几个窄峰，其中半峰全宽（FWHM）约为3 mev。点S2位于薄片不均匀区域附近（图2a），造成不均匀的可能因素包括：单层褶皱、材料裂缝或单层和双层之间的过渡。空间的不均匀性通常会导致强烈的应变梯度区域。此前有报道证明，这些区域通常与TMDC单层中窄线宽发射器局部出现的亮点有关。因此，在点S2光谱中所出现多个窄峰最可能的机制是应变。图2中的所有光谱，激发功率均设置为25 nW，积分时间为60 s。由于激发功率低，FWHM不受功率展宽的影响。不过，早期的研究发现，在长积分时间内光谱漂移可能会导致发射源FWHM的非均匀展宽。

图2 与波导耦合的WSe₂量子发射器。（a）对相关样品区域进行共聚焦激光扫描（λ= 532 nm）。点S1和S2是波导外的点，而点S3至S5是波导上的点。红色箭头表示光纤耦合收集光的方向。（b）共聚焦PL扫描，方法是从样品顶部扫描激发光束并收集顶部的PL。（c）波导PL扫描，方法是从顶部扫描激发光束到样品上，并通过光纤收集PL。白色虚线表示波导位置。（d）沿图c中的绿线和蓝线进行线扫描，红色阴影区域为估算的耦合到波导的空间区域。（e）从顶部收集到的点S1和点S2的PL光谱。（f）从顶部（白色区域）和通过光纤（阴影区域）收集到的点S3（红色）和点S4（蓝色）的PL光谱。匹配峰由紫色的阴影区域突出显示。必要时，可以移动频谱基线以改善可视化效果。波导耦合光谱乘以10。所有PL光谱的激发功率Pe约为25 nW。

与周围区域相比（见图2b），点S3、S4和S5附近的区域荧光更亮，并且都位于波导附近（白色虚线之间的区域）。类似于最近的报道，在纳米柱材料弯曲的位置上观察到TMDC单层有荧光发射，并暗示了存在与波导耦合，由应变诱发产生的发射器。为了确认这些点确实与波导耦合，研究人员从顶部扫描激发光束，通过透镜光纤收集PL，确实观察到只有波导区域亮起来（图2c）。光纤压电位置与波导的微小偏移会导致信号立即丢失，进一步证实了收集的光来自波导。波导中心附近的积分强度通常较高，这可能归因于波导模式的电磁重叠在中心附近较高。因此，来自2D材料的更多辐射光可以耦合到波导模式中。当发射器不在波导上时，评估它们可以距离波导中心有多远，并仍然能产生与波导耦合的PL，也很有趣。图2d显示了沿垂直于波导的两侧进行线扫描，以估算PL仍可耦合的空间范围。结果显示发射器位于波导两侧最大1.9 μm处，仍可以耦合到波导中。

图2f显示了点S3和点S4共聚焦和波导耦合的光谱结果。该光谱具有几条窄线，典型线宽范围为2.5至4 meV。线宽可以通过直接包围WSe₂（例如SiO₂和SiN界面的表面电荷）显著拓宽，但是通过hBN封装可以一定程度缓解变宽。通过比较点S1与其他点的光谱，可以发现在波导或样品裂纹附近有更多峰，从而证实了发射器确实是由应变诱发。

结果讨论

总而言之，研究人员通过将WSe₂单层集成到SiN波导上，实现了量子发射器与波导的耦合。光谱隔离的量子发射器二阶相关测量结果证明，单个光子波导耦合的饱和计数率达到100 kHz。这些结果证实了先前的观点，即应变诱发的量子发射器可以与光子结构耦合。使用集成介电腔-发射器系统对单光子提取和不可分辨性进行优化，数据分析表明，即使对于低量子产率的发射器，也可以实现接近统一的单光子提取。这里所提出的基于二维TMDC应变诱导集成SPE的方法，既保留了SiN PIC的优点，又无需对量子发射器主体材料进行严格的处理。同时，再结合器件所用的2D材料在晶圆级制备技术和图案加工技术上的最新进展，可与波导耦合的2D-SPE为量子光子电路的可扩展性发展开辟了一条有希望的途径。

正如，该论文的第一作者Frédéric Peyskens所说：“这些结果为实现量子光子器件集成二维（2D）单光子发射源迈出了关键的一步。”

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