Nano Letters | 集成于混合薄膜鈮酸鋰光電子平臺的單個納米線量子點(diǎn)的聲學(xué)調(diào)制

逍遙設(shè)計自動化

引言
量子點(diǎn)(QDs)已成為集成量子光電子線路中片上單光子源的有前途候選者。然而，在單個芯片上使用多個量子點(diǎn)的主要挑戰(zhàn)之一是發(fā)射波長的固有變化。本文探討了創(chuàng)新方法，使用表面聲波(SAWs)動態(tài)調(diào)諧集成到混合薄膜鈮酸鋰光電子平臺中的納米線量子點(diǎn)的發(fā)射波長[1]。


表面聲波的力量
6 T& g. _+ n; o9 ~) x( G表面聲波是沿材料表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波。在量子技術(shù)領(lǐng)域，表面聲波顯示出控制各種量子系統(tǒng)（包括量子點(diǎn)）的巨大潛力。通過將表面聲波耦合到量子點(diǎn)，研究人員可以調(diào)制量子點(diǎn)的能級，從而動態(tài)改變發(fā)射波長。


圖1：(a) 兩條用于獨(dú)立聲學(xué)調(diào)制的聲學(xué)延遲線的光學(xué)顯微鏡圖像。(b) 波導(dǎo)內(nèi)納米線的掃描電子顯微鏡圖像。(c) 集成納米線的掃描電子顯微鏡圖像，橫截面顯示光學(xué)模式分布。(d) 剪切表面聲波模式的位移剖面。(e) 表面聲波產(chǎn)生的應(yīng)變剖面。(f) 400 MHz激發(fā)的表面聲波位移場。

5 V  x1 d3 z* \1 j% g; z混合量子光電子平臺
. |- d; w6 K8 Q0 c為了展示基于表面聲波調(diào)制的威力，研究人員開發(fā)了一種混合量子光電子平臺。該平臺將InAsP/InP納米線量子點(diǎn)集成到薄膜鈮酸鋰芯片上。選擇鈮酸鋰很重要，因?yàn)槠鋸?qiáng)烈的壓電性能可以高效產(chǎn)生表面聲波。

納米線被精確定位并集成到Si3N4加載的波導(dǎo)中。這種混合方法結(jié)合了納米線量子點(diǎn)的出色量子發(fā)射特性和鈮酸鋰平臺的強(qiáng)大光電子功能。
/ _; A9 n/ P) h4 }7 p% j8 L! O9 @
1 i. P/ v& ^/ _7 D: {8 N; v5 a. r$ o聲學(xué)延遲線和聚焦叉指換能器
該系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是聲學(xué)延遲線，由兩個相對的聚焦叉指換能器(FIDTs)組成。這些FIDTs被設(shè)計用于在量子點(diǎn)所在的特定點(diǎn)生成和聚焦表面聲波。通過向FIDTs施加射頻(RF)信號，研究人員可以創(chuàng)建精確控制的聲波與量子點(diǎn)相互作用。

& h4 n! X8 P9 D5 B! y0 |2 t6 P* ]圖2：(a) 未調(diào)制時QD1的光致發(fā)光譜。(b) 單個表面聲波引起的測量光學(xué)調(diào)制。(c) 兩個反向傳播表面聲波對最亮發(fā)射峰的光學(xué)調(diào)制。(d) 應(yīng)變引起的能量分裂與相對相位的關(guān)系。
+ h; z# ?5 S; {" i" J
/ Z  j' w% M8 z  ?$ M' @
波長調(diào)制演示
% n# r, X6 r8 B. u; B3 X研究人員通過調(diào)制單個量子點(diǎn)的發(fā)射波長展示了方法的有效性。通過向一個FIDT施加400 MHz的射頻信號，在13 dBm功率下實(shí)現(xiàn)了0.70 nm的峰峰值波長調(diào)制。這種顯著的調(diào)制展示了表面聲波用于微調(diào)量子點(diǎn)發(fā)射特性的潛力。

4 c' ?3 o6 {4 p0 q; U利用聲學(xué)腔增強(qiáng)調(diào)制
* V0 A! T# R' ?5 W9 w0 _為進(jìn)一步提高調(diào)制能力，研究團(tuán)隊探索了同時使用兩個FIDTs。通過驅(qū)動兩個換能器，他們創(chuàng)建了反向傳播的表面聲波，形成駐波模式。這種方法有效地將調(diào)制幅度翻倍，達(dá)到了令人印象深刻的1.4 nm峰峰值移動。
5 }, @; t2 ^% ~. v, P
驅(qū)動兩個FIDTs的射頻信號之間的相位差在這種增強(qiáng)調(diào)制中起著關(guān)鍵作用。當(dāng)信號同相時，納米線位于駐波的波腹處，最大化應(yīng)變效應(yīng)。相反，信號之間的π相移可以完全抑制調(diào)制。

3 C8 w+ q& n) P5 O1 `* {6 W7 O圖3：(a) QD1和QD2的應(yīng)變引起的譜線展寬與射頻功率的關(guān)系。(b) 無表面聲波和有表面聲波調(diào)制時QD1和QD2的發(fā)射峰。(c) 集成到光電子平臺中的兩個可應(yīng)變調(diào)諧納米線量子點(diǎn)的表現(xiàn)。
8 F/ i5 ^8 V( F* p
% u# {: ]) E4 e4 Z5 i. b0 c多個量子點(diǎn)的獨(dú)立調(diào)制
2 h0 z( A5 e  y  f這項研究最令人興奮的方面之一是在同一芯片上對兩個獨(dú)立量子點(diǎn)進(jìn)行調(diào)制的演示。研究團(tuán)隊選擇了兩個初始發(fā)射波長相差0.5 nm的納米線量子點(diǎn)（QD1和QD2）。通過向與每個量子點(diǎn)相關(guān)的FIDTs施加適當(dāng)?shù)纳漕l信號，他們能夠在每個聲學(xué)周期內(nèi)將兩個量子點(diǎn)的發(fā)射波長調(diào)至共同點(diǎn)。

- e" o9 a* W0 T# {' Z2 x, V這一成就是朝著在單個光電子芯片上從多個遠(yuǎn)程發(fā)射器產(chǎn)生不可區(qū)分單光子邁出的重要一步 - 這是許多量子信息處理應(yīng)用的關(guān)鍵要求。


挑戰(zhàn)和未來方向
盡管結(jié)果很有希望，但仍有挑戰(zhàn)需要克服。目前的調(diào)制范圍雖然令人印象深刻，但可能不足以解決量子點(diǎn)集合中通常觀察到的全部波長變化。
研究人員提出了幾個改進(jìn)方向：

增加射頻功率：必須仔細(xì)考慮更高功率下的潛在加熱效應(yīng)。

使用較低電阻率的金屬制作FIDT電極以減少歐姆損耗。

優(yōu)化量子點(diǎn)在聲學(xué)腔中的位置以最大化應(yīng)變效應(yīng)。

探索釋放鈮酸鋰層以增強(qiáng)機(jī)械約束。
' G* p, G& p% v: S; K6 [0 N/ q[/ol]
: B" c1 I5 Q: O3 D  o4 b$ Y" ?% F此外，雖然將量子點(diǎn)調(diào)至共同波長很重要，但確保發(fā)射光子的高不可分辨性仍然是一個挑戰(zhàn)。未來工作中需要考慮匹配輻射速率和實(shí)現(xiàn)傅里葉變換限制發(fā)射等因素。

# X3 F( D$ k9 A3 m
與光電子線路集成
- P9 Q' a+ y' q1 {# }這項研究的最終目標(biāo)是將這些表面聲波調(diào)制的量子點(diǎn)集成到功能性量子光電子線路中。研究團(tuán)隊設(shè)想使用可調(diào)諧環(huán)形諧振器或其他過濾機(jī)制來選擇和路由芯片內(nèi)的調(diào)制光子。

結(jié)論
3 Q; k& h) R% D! w, N集成到混合薄膜鈮酸鋰平臺中的納米線量子點(diǎn)的聲學(xué)調(diào)制代表了集成量子光電子技術(shù)領(lǐng)域的重大進(jìn)展。通過利用表面聲波的力量，研究人員展示了有前途的方法，解決了在單個芯片上使用多個量子點(diǎn)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

7 `+ ], N8 K9 |8 A. W參考文獻(xiàn)
[1] T. Descamps et al., "Acoustic Modulation of Individual Nanowire Quantum Dots Integrated into a Hybrid Thin-Film Lithium Niobate Photonic Platform," Nano Lett., 2024, doi: 10.1021/acs.nanolett.4c03402.

* c3 J0 C4 O2 i( k3 B- END -

9 W% g6 |# t0 ?# \軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請
: O" w; o( Y& _/ Y# F
歡迎轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
6 w2 m+ e8 W7 w6 L

) o7 I; }: S& m7 H- \
0 h- b) F/ M# L

關(guān)注我們

$ N$ L8 ~% A5 M ' D% U- e$ o8 z  {# x

" D9 G1 h# P% t5 y" o* P

& S) u, M8 G1 r. v

                     


0 |# U8 f; W, v! K" K+ M& K
+ O" r# P3 I' }- K$ W5 G1 l關(guān)于我們：
" R/ n$ T6 F% g- Y) P深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
9 P+ U- H3 q. l8 Z  [# B
http://www.latitudeda.com/
, ?% H$ E+ N& j$ K9 r: s6 W（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）