研究人員創(chuàng)造了一種碳化硅光子集成芯片，可以通過施加電信號(hào)進(jìn)行熱調(diào)諧?？傆幸惶欤@種方法可以用來(lái)制造各種可重構(gòu)器件，例如用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和量子信息處理的移相器和可調(diào)光耦合器。
雖然大多數(shù)光學(xué)和計(jì)算機(jī)芯片是由硅制成的，但人們對(duì)碳化硅越來(lái)越感興趣，因?yàn)樗裙杈哂懈玫臒?、電和機(jī)械性能，同時(shí)它是生物相容的，可以在可見光到紅外的波長(zhǎng)下工作。
在光學(xué)協(xié)會(huì)(OSA)的《光學(xué)快報(bào)》中，以佐治亞理工學(xué)院的阿里阿迪比(Ali Adibi)為首的研究人員詳細(xì)介紹了如何將稱為微環(huán)諧振器的微加熱器和光學(xué)器件集成到SiC芯片中。這一成就代表了第一個(gè)完全集成和熱可調(diào)的碳化硅光開關(guān)，工作在近紅外波長(zhǎng)。
該論文的第一作者吳說：“我們?cè)谶@項(xiàng)工作中演示的設(shè)備可以作為下一代量子信息處理設(shè)備的基礎(chǔ)，并且可以創(chuàng)建生物相容的傳感器和探針?！?
SiC對(duì)于量子計(jì)算和通信應(yīng)用特別有吸引力，因?yàn)镾iC的缺點(diǎn)是它可以被光學(xué)控制和操縱成量子位或量子位。量子計(jì)算和通信有望比傳統(tǒng)計(jì)算更快地解決一些問題，因?yàn)閿?shù)據(jù)是以量子位編碼的，并且可以同時(shí)以兩種狀態(tài)的任意組合進(jìn)行編碼，因此可以同時(shí)執(zhí)行許多過程。
晶圓級(jí)制造
這項(xiàng)新工作基于研究人員先前開發(fā)的絕緣體上晶體SiC平臺(tái)，克服了先前報(bào)道的SiC平臺(tái)的一些漏洞和其他缺點(diǎn)，提供了一種簡(jiǎn)單可靠的與電子設(shè)備集成的方式。
研究團(tuán)隊(duì)成員范表示：“我們團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的絕緣體上硅平臺(tái)，類似于半導(dǎo)體行業(yè)各種應(yīng)用中廣泛使用的絕緣體上硅技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)成員Ali A. Eftekhar表示：“它可以實(shí)現(xiàn)SiC器件的晶圓級(jí)制造，為基于SiC的集成光子量子信息處理解決方案的商業(yè)化鋪平了道路。"
充分利用新平臺(tái)的獨(dú)特功能，需要開發(fā)調(diào)整其光學(xué)特性的能力，從而可以使用基于單個(gè)芯片的結(jié)構(gòu)來(lái)提供不同的功能。研究人員利用熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，在熱光效應(yīng)中，改變材料的溫度會(huì)改變其光學(xué)特性，如折射率。
首先，他們?cè)诰w絕緣體上使用碳化硅技術(shù)來(lái)制造微小的環(huán)形光學(xué)腔或微環(huán)形諧振器。在每個(gè)諧振器中，圍繞環(huán)傳播的一些波長(zhǎng)的光(稱為諧振波長(zhǎng))將通過相長(zhǎng)干涉得到增強(qiáng)。然后，諧振器可以用來(lái)控制耦合到其波導(dǎo)中的光的振幅和相位。為了創(chuàng)造一個(gè)高度可控的可調(diào)諧振器，研究人員在微環(huán)頂部制作了一個(gè)電加熱器。當(dāng)電流施加到集成微加熱器時(shí)，由于熱光效應(yīng)，會(huì)局部升高SiC微環(huán)的溫度，從而改變其諧振波長(zhǎng)。
測(cè)試集成設(shè)備
研究人員通過施加不同水平的電功率，然后測(cè)量耦合到微環(huán)諧振器的波導(dǎo)的光傳輸，來(lái)測(cè)試所制造的集成微環(huán)諧振器和微加熱器的性能。他們的結(jié)果表明，可以通過現(xiàn)有的半導(dǎo)體鑄造工藝制造的堅(jiān)固器件來(lái)實(shí)現(xiàn)具有低功率熱可調(diào)性的高質(zhì)量諧振器。
該團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人阿里阿迪比(Ali Adibi)表示：“結(jié)合我們的絕緣體上晶體SiC平臺(tái)的其他獨(dú)特功能，這些高質(zhì)量器件對(duì)于實(shí)現(xiàn)能夠在各種波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作的新型芯片級(jí)器件具有基本要求。”“這種芯片級(jí)可調(diào)性對(duì)于執(zhí)行量子計(jì)算和通信所必需的量子操作非常重要。此外，由于SiC的生物相容性，它可能對(duì)體內(nèi)生物傳感非常有用。”
研究人員現(xiàn)在正試圖利用用于量子光子集成電路的晶體絕緣體上SiC平臺(tái)來(lái)構(gòu)建組件，包括片上泵浦激光器、單光子源和單光子探測(cè)器，它們可以與可調(diào)諧微環(huán)諧振器一起使用，為先進(jìn)的光量子計(jì)算創(chuàng)建一個(gè)完整的功能芯片。
這項(xiàng)工作是三年廣泛研究的結(jié)果，包括形成具有顯著改善的碳化硅材料特性的可靠混合平臺(tái)，并使用它來(lái)形成創(chuàng)新設(shè)備。阿里阿迪比研究組的吳、范、阿里阿特爾卡爾為這項(xiàng)工作做出了巨大貢獻(xiàn)。阿迪比研究團(tuán)隊(duì)的前成員海薩姆莫拉迪內(nèi)賈德也為該平臺(tái)的開發(fā)做出了貢獻(xiàn)(早前發(fā)表)。這項(xiàng)工作主要由空軍科學(xué)研究所資助，授權(quán)號(hào)為FA 9550-15-1-0342 (G. Pomrenke)。
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