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赋能量子计算！单个芯片上成功集成激光和光子波导
光子盒研究院
美国研究人员首次在单个芯片上集成了超低噪声激光器和光子波导。这一孜孜以求的成果将使人们有可能在单个集成设备中进行原子钟和其他量子技术的高精度实验，从而在一些应用中不再需要房间大小的光学工作台。
在电子技术刚刚起步的时候，研究人员将二极管、晶体管等作为独立的器件来使用。直到1959年，集成电路的发明使得将所有这些元件封装到一个芯片上成为可能，这项技术的真正潜力才得以发挥。光子学研究人员希望实现类似的集成壮举，但他们面临着一个障碍——“对于光子链路，我们需要使用光源（通常是激光）作为发射器，将信号发送到光纤或波导等下游光链路，”加州大学圣巴巴拉分校研究小组的博士后、领导这项研究的Chao Xiang解释说：“但当你发出光线时，通常会产生一些背反射(back-reflection)：这些背反射会回到激光器中，使其变得非常不稳定。”
为了避免这种反射，研究人员通常会插入隔离器。这些隔离器只允许一个方向的光通过，打破了光传播的“自然双向互用性(natural two-way reciprocity)”。困难在于，工业标准的隔离器是利用磁场来实现这一目的的，这给芯片制造设施带来了问题。现就职于香港大学的Chao Xiang解释说：“CMOS 工厂对无尘室中的物品有非常严格的要求。磁性材料通常是不允许的。”
由于波导退火所需的高温会损坏其他元件，Chao Xiang及其同事首先在硅基板上制作超低损耗的氮化硅波导。然后，他们在波导上覆盖了几层硅基材料，并在堆栈顶部安装了低噪声磷酸铟激光器。如果他们将激光器和波导安装在一起，那么制造激光器所涉及的蚀刻就会损坏波导，但将后续层粘合在顶部则避免了这一问题。
将激光器和波导分开还意味着，这两个设备相互作用的唯一途径是通过中间的氮化硅“再分布层”，通过它们的蒸发场（电磁场中不传播而以指数形式从源头衰减的部分）进行耦合。因此，它们之间的距离最大限度地减少了不必要的干扰。“顶部激光器和底部超低损耗波导之间的距离非常远，”Xiang解释说：“因此它们各自都能获得最佳性能。氮化硅再分布层的控制使它们能够精确地耦合到希望的位置。没有它，它们就不会耦合。”
研究人员表明，这种激光装置对标准实验中预期水平的噪声具有很强的抗干扰能力。他们还通过调整两个激光器之间的节拍频率，制造出一个可调微波频率发生器，证明了他们的装置的实用性——这在以前的集成电路上是不现实的。
鉴于超低噪声激光器在现代技术中的广泛应用，研究小组表示，能够在集成硅光子学中使用这种激光器是一个巨大的飞跃。“终于，在同一块芯片上，我们可以同时拥有最好的有源器件和最好的无源器件。下一步，我们将使用这些超低噪声激光器来实现非常复杂的光学功能，例如精密计量和传感。”他们将他们的芯片描述为“迈向硅上复杂系统和网络的关键一步”。
没有参与这项研究的美国科罗拉多大学博尔德分校光学物理学家Scott Diddams对此印象深刻。他说：“集成激光器与光隔离器的问题至少十年来一直困扰着业界，没有人知道如何解决在芯片上制造真正低噪声激光器的问题......因此，这是一个真正的突破。”
Diddams补充说，新的集成设备可能会对量子计算产生非常大的影响。他解释说：“很多公司都在尝试构建涉及原子和离子的平台：这些原子和离子以非常特定的颜色运行，我们用激光与它们对话如果没有像这样的集成光子技术，人们根本无法大规模地建造一台正常运行的量子计算机。”
参考链接：[1]https://phys.org/news/2023-08-first-of-its-kind-chip-features-laser-waveguide.html[2]https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/
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