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可调谐光学芯片为新型量子器件铺平道路

admin| 2020-1-6 14:24

碳化硅对于量子计算和通信应用特别有吸引力,因为它具有作为量子比特或量子比特的光学控制和操作的缺陷。量子计算和通信承诺在解决某些问题方面比传统计算快得多,因为数据被编码成可以同时在两个状态的任意组合中的 ...
  

图片来源:乔治亚理工学院。

研究人员利用绝缘体上的碳化硅平台制造了第一个可热调谐的光开关。这幅示意图展示了他们设计的量子光子学集成电路芯片的概念,该芯片包括环形微环谐振器和微加热器,并在《光学快报Optics Letters》杂志上进行了报道。上图插图中显示了由微加热器加热的微环谐振器的横截面上的温度和电场分布。

研究人员发明了一种碳化硅(SiC)光子集成芯片,可以通过施加电信号进行热调谐。这种方法可以用来创建大量的可重构器件,例如用于网络应用和量子信息处理所需要的移相器和可调谐光耦合器。

尽管大多数光学和计算机芯片都是由硅制成的,但人们对碳化硅越来越感兴趣,因为它比硅具有更好的热、电和机械性能,同时还具有生物相容性,可以在可见光到红外波段工作。

在光学学会(OSA)期刊《光学快报Optics Letters》上,乔治亚理工学院的Ali Adibi领导的研究人员详细介绍了他们如何将一个微加热器和一个叫做微环谐振器的光学设备集成到碳化硅芯片上。这一成果代表了第一个在近红外波段工作的全集成可热调谐碳化硅光开关。

该论文的第一作者Xi Wu说:“我们在这项工作中展示的设备可以用作下一代量子信息处理设备的构建块,并创建生物相容的传感器和探针。”

碳化硅对于量子计算和通信应用特别有吸引力,因为它具有作为量子比特或量子比特的光学控制和操作的缺陷。量子计算和通信承诺在解决某些问题方面比传统计算快得多,因为数据被编码成可以同时在两个状态的任意组合中的量子位,从而允许同时执行许多过程。

晶圆级制造

项新的工作建立在研究人员先前开发的绝缘体上称为晶体碳化硅平台的基础上,该平台克服了先前报道的碳化硅平台的一些脆弱性和其他缺点,同时为与电子设备的集成提供了一条简单可靠的途径。

研究小组的成员Tianren Fan说:“我们所倡导的绝缘体上碳化硅平台类似于绝缘体上硅技术,广泛应用于半导体工业中。”研究小组的成员Ali A. Eftekhar说,“它能够实现碳化硅器件的晶圆级制造,为基于碳化硅的集成光子量子信息处理解决方案的商业化铺平道路。”

充分利用新平台的独特能力,需要开发调节其光学特性的能力,从而可以使用基于单片的结构来提供不同的功能。研究人员利用热光效应来实现这一目标,在这种效应中,改变材料的温度可以改变其光学特性,如折射率。

他们开始制造微环形光学腔,或微环谐振器,使用绝缘体上的晶体碳化硅技术。在每个谐振器中,特定波长的光(称为其共振波长)绕着光环传播,会通过构造性的干涉增强强度。然后,谐振器可用于控制耦合到其上的波导中光的振幅和相位。为了制造一种具有高控制度的可调谐谐振器,研究人员在微结构顶部制造了电加热器。当电流作用于集成微加热器时,由于热光效应,它会局部地提高碳化硅微环的温度,从而改变其谐振波长。

测试集成设备

研究人员通过应用不同水平的电功率,然后测量耦合到微环谐振器的波导的光传输来测试所制造的集成微环谐振器和微加热器的性能。他们的结果表明,通过使用现有的半导体铸造工艺制造出一种强大的器件,可以实现低功率热调谐的高质量谐振器。

“结合我们的绝缘体平台上的晶体碳化硅的其他独特功能,这些高质量的设备具备了使新的芯片级设备能够在多种波长下工作的基本要求,”团队负责人Ali Adibi说。”这种芯片级可调谐性对于进行量子计算和通信所必需的量子操作是必不可少的。此外,由于碳化硅的生物相容性,它在体内生物传感方面非常有用。”

研究人员目前正在致力于为量子光子集成电路的晶体碳化硅绝缘体平台搭建元件,包括片上泵浦激光器、单光子源和单光子探测器,它们可以与可调谐微环谐振器一起使用,从而为先进的光量子计算创造一个全功能的芯片。

来源:https://phys.org/news/2019-10-tunable-optical-chip-paves-quantum.html

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