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

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
5 M) a; W3 o' @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(gè)芯片上使用多個(gè)量子點(diǎn)的主要挑戰(zhàn)之一是發(fā)射波長(zhǎng)的固有變化。本文探討了創(chuàng)新方法，使用表面聲波(SAWs)動(dòng)態(tài)調(diào)諧集成到混合薄膜鈮酸鋰光電子平臺(tái)中的納米線量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)[1]。


8 O) R$ r1 J. Q' @, G7 V表面聲波的力量
" q6 x  @- \( R) I$ a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(jí)，從而動(dòng)態(tài)改變發(fā)射波長(zhǎng)。

, {  i+ P! @( j9 W+ ^
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(chǎng)。

! Z' h6 p8 \% n( C# e0 P5 `混合量子光電子平臺(tái)
) i' [6 r) [: E. G4 e& B0 ]: o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(tái)。該平臺(tái)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。

% [' E# R4 `% N: f4 @3 X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(tái)的強(qiáng)大光電子功能。
# J! L8 {# a" D* S/ g& c" d
0 i7 Y; T: d/ p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(gè)相對(duì)的聚焦叉指換能器(FIDTs)組成。這些FIDTs被設(shè)計(jì)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(hào)，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。
2 B' M' l& \7 j
圖2：(a) 未調(diào)制時(shí)QD1的光致發(fā)光譜。(b) 單個(gè)表面聲波引起的測(cè)量光學(xué)調(diào)制。(c) 兩個(gè)反向傳播表面聲波對(duì)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(duì)相位的關(guān)系。


波長(zhǎng)調(diào)制演示
研究人員通過調(diào)制單個(gè)量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)展示了方法的有效性。通過向一個(gè)FIDT施加400 MHz的射頻信號(hào)，在13 dBm功率下實(shí)現(xiàn)了0.70 nm的峰峰值波長(zhǎng)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。
5 J# }3 R' k# V; {' c2 c
6 o8 U/ A7 x3 Z2 t' C4 T利用聲學(xué)腔增強(qiáng)調(diào)制
為進(jìn)一步提高調(diào)制能力，研究團(tuán)隊(duì)探索了同時(shí)使用兩個(gè)FIDTs。通過驅(qū)動(dòng)兩個(gè)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(dòng)。

驅(qū)動(dòng)兩個(gè)FIDTs的射頻信號(hào)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(hào)同相時(shí)，納米線位于駐波的波腹處，最大化應(yīng)變效應(yīng)。相反，信號(hào)之間的π相移可以完全抑制調(diào)制。

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(shí)QD1和QD2的發(fā)射峰。(c) 集成到光電子平臺(tái)中的兩個(gè)可應(yīng)變調(diào)諧納米線量子點(diǎn)的表現(xiàn)。

+ H6 L: Z8 P1 \8 u  `; g% U( q多個(gè)量子點(diǎn)的獨(dú)立調(diào)制
這項(xiàng)研究最令人興奮的方面之一是在同一芯片上對(duì)兩個(gè)獨(dú)立量子點(diǎn)進(jìn)行調(diào)制的演示。研究團(tuán)隊(duì)選擇了兩個(gè)初始發(fā)射波長(zhǎng)相差0.5 nm的納米線量子點(diǎn)（QD1和QD2）。通過向與每個(gè)量子點(diǎn)相關(guān)的FIDTs施加適當(dāng)?shù)纳漕l信號(hào)，他們能夠在每個(gè)聲學(xué)周期內(nèi)將兩個(gè)量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)調(diào)至共同點(diǎn)。
: u; z9 s9 O# o  p# \
- W: A1 s8 K8 ]" x# o這一成就是朝著在單個(gè)光電子芯片上從多個(gè)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(zhǎng)變化。
研究人員提出了幾個(gè)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。
[/ol]
此外，雖然將量子點(diǎn)調(diào)至共同波長(zhǎng)很重要，但確保發(fā)射光子的高不可分辨性仍然是一個(gè)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。

# ^) ^) j1 {# A$ L8 r- T3 ^, U$ f
2 F" t( n$ Y. K# [. M與光電子線路集成
這項(xiàng)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(duì)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。
& R* z/ h, e+ e9 f7 S3 C
1 b; G- M3 J3 s* x  P結(jié)論
6 ?9 X% m) N5 m. T; D+ q! E9 K2 q集成到混合薄膜鈮酸鋰平臺(tái)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(gè)芯片上使用多個(gè)量子點(diǎn)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

3 ]$ O6 F' R: O% R7 G2 m參考文獻(xiàn)
% D+ V+ j* x! H; T  t[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.

- END -
; v7 m5 w) @7 l& f1 i3 R
* N+ o8 ?, g7 x+ ^3 q- K軟件申請(qǐng)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(qǐng)?bào)w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(qǐng)
4 B, N" s0 C, n5 B2 F1 _
歡迎轉(zhuǎn)載

" r2 E  q0 j4 R' t6 D  e. q轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！



% _3 b1 V8 O/ s4 d: n% V  w
( W4 |6 v& V; I6 \& ^& }
/ m, N- C3 _1 S6 {3 G4 V# B; {1 G關(guān)注我們

5 M8 w/ a* M4 h4 c0 X7 f& e

% a* L( {6 k7 N+ v# ~  F3 S& y

                     
8 F: x1 K; [6 @% E* i+ [) [


關(guān)于我們：
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(jì)自動(dòng)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(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)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)。

http://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）