摘要:单光子发射器在各种材料平台上的集成光子量子系统中起着至关重要的作用。在本研究中，我们展示了一种高折射率对比材料平台（GaAs 绝缘体上）中的腔增强量子点单光子源。量子点嵌入在质量因数约为 9000 的微环谐振器中，其中腔诱导光增强导致自发发射加速因子约为 2.6，并且我们实现了 g(2)(0) 低至 0.03±0.02 和后选择双光子干涉可见度为 51.7% ± 3.2% 的单光子源。该演示展示了 GaAs 绝缘体上平台在可扩展片上量子信息处理方面的潜力。
1. 简介
量子信息技术因其在前所未有的计算速度和高度安全通信方面的潜力而备受关注[1, 2]。开发量子计算或通信系统的一个关键组件是单光子发射器，它可以根据需要确定性地生成高纯度的不可区分光子[3, 4]。确定性单光子发射器有几种候选者，例如二维材料型发射器、SiC 和金刚石中的色心[5–7]。
在可用的选择中，III-V 量子点 (QD) 以其优越的属性脱颖而出，包括非凡的亮度和出色的光学和量子光发射特性 [3、4、8]。值得注意的是，与胶体量子点 [12、13] 相比，它们在单光子发射中表现出增强的热稳定性和光稳定性 [9-11]。因此，它们被认为是实现光子量子信息系统的主要候选者 [14]。然而，由于高折射率环境，块体材料中的 QD 在光子提取效率方面面临挑战 [15]。克服这一挑战需要适当的光子工程，例如将 QD 集成到波导或腔体中，这已在不同的材料平台中得到证实，例如悬浮 GaAs 膜、深蚀刻 GaAs/AlGaAs 平台和混合材料平台 [16-18]。探索这些集成材料平台对于实现大规模量子信息处理至关重要。对于 InAs QD，原始集成平台是原生 GaAs/AlGaAs 层堆栈。然而，在这种材料系统中实现足够的光学限制通常需要深度蚀刻，从而导致额外的光学损耗[19, 20]。为了解决这个问题，可以通过湿法蚀刻下面的 AlGaAs 层来图案化悬浮的 GaAs 薄膜 [21, 22]。这种方法确保了 GaAs 膜和空气之间的高折射率对比度，从而减少了深度蚀刻的需要。然而，这个平台可能会遇到机械不稳定和可扩展性有限等挑战。为了解决这些问题，可以采用混合集成技术，例如倒装芯片键合或转移印刷，从而实现 III-V 量子点在 SiO2 和 SiN 等低折射率材料上的集成[18, 23–25]。在这个概念中，GaAs 层中 QD 发射的单光子绝热耦合到 SiN 波导，SiO2 充当两种材料之间的中间层。这种材料系统的高折射率对比度提供了诸多好处，例如从发射器到波导的耦合效率更高，并且避免了具有挑战性的深度蚀刻 [18, 26]。迄今为止，SiN 量子电路的光损耗低至 1 dB/m，使其在大规模量子信息处理应用中极具前景 [25]。在这项工作中，我们展示了一种新的高折射率对比材料平台，即 GaAs 绝缘体上，用于光仅在高限制 GaAs 波导中传播的量子信息处理。与通过衰减耦合将 QD 集成到 SiN 上不同，我们选择将 QD 直接嵌入 GaAs 波导中。这种方法不仅最大限度地降低了制造复杂性，而且还消除了由于错位和制造缺陷而引起的不同材料层之间的耦合损耗。与其他类型的光学腔（如微柱腔和靶心腔）相比第 2 页，共 13 页作者提交的手稿 - MQT-100162.R1
划重点
从目前我们看到的
单材料波导平台：sicoi,lnoi,ltoi,InGaPOI，GaAsOI
异质集成平台：sin/soi-lt/ln
三五和无源波导集成平台：inp/gaas-soi/sin
上述三种平台无疑都用到了先进的键合设备，表面活化键合（键合气泡少，可用面积多）和D2W键合，同时上述两种设备技术较为先进，采购价格较贵（几百到上千万），国内很多平台，单位，学校都还没有，因此我们可以看到，欧洲和美国在光子学异质集成光子学领域创新层出不穷，同时也出现了很多基于异质集成光子学技术的初创企业，国内也有一部分异质集成光子学企业，但大多也为国外归国人才创建。
为了解决这个问题，(表面活化键合和D2W芯片对晶圆键合，尤其适用无源波导上异质集成三五族激光器)
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三五外延衬底层的去除可以使用湿法工艺去除，基于此平台，您可以做
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在我们的实验中，我们将 QD 集成到 GaAs 微环腔中，以将选定 QD 发射的光子耦合到微环腔中。在这里，通过利用弱耦合状态下的腔量子电动力学 (cQED) 效应，可以通过 Purcell 效应增加选定 QD 进入环形谐振器的谐振模式的发射率。此外，珀塞尔效应通过加速相对于失相过程的自发辐射速率来改善单光子的相干性[14,27,28]。与其他类型的光学腔（如微柱腔和靶心腔[3]）相比，微环腔是一种平面波导腔，可以作为芯片上量子光子电路的候选。此外，多个腔谐振和较小的自由光谱范围也可以增加将QD耦合到谐振中的可能性，从而降低了将QD与腔谐振进行光谱对准的挑战。然而，微环腔可实现的光物质相互作用强度受到其相对较大的模式体积的影响。制备的GaAs微环谐振器的品质因数（Q）约为9000，导致自发发射加速因子（F）约为2.6。从QD到其他模式的耦合效率（β）估计为62％。单个QD的腔增强发射使单光子发射的ag（2）（0）为0.03±0.02，双光子干涉后选择可见度为51.7％±3.2％。我们的工作为量子信息处理引入了一个新的集成平台，绝缘体上砷化镓（GaAsOI），其中单光子源和其他功能光子元件，如分束器、耦合器、移相器和探测器可以无缝集成到同一材料中。
2.绝缘体上GaAs微环谐振器的制作
图1. (a)绝缘体上GaAs平台中基于微环腔的单光子源示意图。闪亮的锥体被描绘成QD；(b)微环腔的扫描电子显微镜（SEM）图像。横线表示2µm的比例。(c)绝缘体上GaAs材料平台的布局。
图1(a)显示了包含嵌入式 OD 的 GaAs 微环谐振器。在这种配置中，来自 QD的光子最初耦合到微环谐振器中，然后被引导到集成总线波导中。最后，光子通过两个光栅外耦合器散射出来，如图1(b)的扫描电子显微镜(SEM)图像所示。环半径为 10um。关于环腔波导的宽度，GaASOI波导的耦合效率最高，宽度为 220nm，高度为 110 nm。[26].然而，为了减轻ODS从蚀刻侧壁表面状态降解，需要300 nm的最小距离[291.另一方面，波导越宽，合效率越低，因此，在权衡了这两个因素后，我们选择了波导宽度为600nm，从而得到一个自由光谱范围(FSR)为2.1nm。同样，选择140nm厚的GaAs层作为折衷方案，以确保合理的耦合效率[261.耦合点处的总线波导宽度为170nm环形腔波导和总线波导之间的耦合间隙为120nm。通过商业有限元方法求解器(JCM suite)模拟，微环腔的理论Q因子约为87,000，仅考虑了环形腔到总线波导的耦合损耗。假设光子耦合到两个反传播的行波式中，模式体积(V)可近似为有效模式面积和环形谐振器周长的乘积。有效模式面积由有限差分本征模数值求解器(Lumerical，MODE)得出，约为0.043(A)2。因此，模式体积约为124(X/n)3，其中n为GaAS的折射率(3.47)。在实验中，我们收集了光栅耦合器顶部的单光子发射，其特征是在相对于垂直轴的10°收集角内，TE模式的理论提取效率约为60%。
GaAs Ol器件的制备过程包括两个主要步骤。首先，创建 GaAs OI样品，然后在 GaAs 薄膜上图案化纳米结构。原始晶圆结构包括 140 nm厚的 GaAs 薄膜，其中包含位于 400 nm Al0.8 Gao.2 As 层顶部的中心QDS。这种分层结构使用分子束外延(MBE)方法在 GaAs衬底上生长【30】。随后，使用参考文献【31，32】中概述的方法将原始样品倒装芯片键合到 InP 衬底上。，采用两步蚀刻工艺去除 GaAs 衬底。最初，使用 H2SO4 和H202的混合物执行快速蚀刻步骤，然后使用柠酸和H202的混合物进行慢速蚀刻。在此过程中，400nm的 Alo.8Ga0.2As层充当蚀刻停止层，随后使用5%HF溶液消除该层。为了定义微环结构，我们在 GaAsOI样品上旋转倍半氧烷氢(HSO)光刻胶，并使用电子束光刻(EBL)对其进行图案化。该过程使用100kV运行的JEOL系统(JBX-9500FS)进行。随后，在电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)机中使用基于三氯化硼(BCI3)的干式刻蚀工艺刻蚀 GaAs 层。[331.GaAsO1微环的最终材料布局如图1(c)所示，由厚度为140 nm的GaAs层和厚度为3um的 Si02层组成。中间层，由并环丁烯(BCB)组成，具有厚度学徒2微米由于我们的目标是演示芯片上量子电路的GaASOI平台的功能性，我们没有通过成像量子点来进行确定性制造。在我们的制造中，在 GaAsOI样品上绘制了一系列微环腔。[34]通过分析光致发光谱，我们可以确定耦合到环谐振模式中的QD。
3.实验设置
图2.860 nm泵浦激光光谱装置示意图。LP:长通滤波器;FC:套管连接器;HBT:汉伯利布朗和特维斯;TCSPC:时间相关单光子计数器。
在我们的实验装置中，样品被放置在闭环式低温恒温器内以保持低温(4K)，该装置包括三个主要路径:顶部激发路径、汉伯里布朗和特维斯(TBC)测量的收集路径，以及连续测量微发光(uPL)测量结果。在激发路径中，我们使用脉冲激光器(PicoEmerald，APE)以860nm的频率泵浦样品，重复率为80MHZ。在实验中，我们对环形谐振器内的OD进行照明，发射的光子被收集到光栅耦合器上，如图1(b)所示。收集的光子通过非球面透镜(NA=0.65)和900nm长通滤波器，以消除泵浦光。翻转镜可以切换这两种采集路径。在HBT测量路径中，我们使用了一个缺口滤波器作为窄带通滤波器(光谱宽度:0.4±0.1nm，透射率:95%)，这使我们能够隔离单个OD的发射线。反射的光子被单模光纤收集，然后使用基于光纤的分束器将光纤分成两支。这两个分支连接到两个超导纳米线单光子探测器(SQ080u2，单量子EoS)。使用时间相关单光子计数器(TCSPC，qUTAG)对检测事件进行关联。以80ps以上的温度测量。在uPIxL光谱测量路径中，光子被反射镜反射，并由光谱仪测量。
图3描述了被研究的QD耦合到微共振器共振中，光子被收集在光栅耦合器顶部。图3(a)显示了激发功率依赖性光致发光(PL):强度，其特征是饱和功率(饱和功率)82年从数字上看，图3(b)揭示了光栅耦合器顶部收集的QDs的发射特性，显示出明显的线性极化。线性极化发射可以归因于QD与横向电(TE)模式的唯一合，以及输出光栅耦合器被优化用于这种TE模式。
图3.(a)PL强度与所研究的QD的激发功率的函数。(b)PL的极化分析。
4.结果与讨论
将量子点耦合到谐振腔可以同时提高亮度和单光子特性[351.在我们的实验中，我们利用量子点发射线和腔共振之间的温度依赖性光谱偏移的差异来控制它们的耦合[36]图4(a)显示了调谐过程。随着温度从 4K升高到 34 K，腔的谐振保持相对稳定，而OD发射经历明显的红移。光子模和 OD 发射之间的光谱谐振在 20K左右实现;在COED 的弱耦合状态下，伴随着耦合 OD-cavity 系统的强烈发射增强。为了进一步说明腔增强的 QD 发射强度的增加，图4(b)展示了接近共振(22 K)和非共振(34K)的PL谱的比较。PL谱显示出OD 发射强度的近似六倍差异。此外，基频TE模谐振腔的质量因子约为 9000。该值是通过在 34K处拟合裸腔谐振峰直接确定的。偏离理论 O 因子是由于制造缺陷和低估了 GaAs 在此波长的吸收系数。在 908.0 到 908.5 nm 的范围内还有另一个宽发射峰，这可能是由于具有 600 nm 宽度的多模波导的高阶横向模谐振。我们假设在 34 K这种模被其他(弱耦合)QD 照亮，这些 OD 在该温度与该模发生光谱共振。
为了进一步研究环谐振器提供的珀塞尔增强，我们对耦合量子点-微环系统进行了时间分辨的pPL测量。图5(a)显示了这些测量的结果，比较了不同温度下的量子点发射$和非共振(在32 K)。PL的衰减很好。
t与图4相比，达到最佳耦合条件的温度之间的差异可能是由于加热单元和QD芯片的标称温度之间的滞后
图 4.(a)耦合量子点-微环系统的温度依赖性光致发光图。白色和浅蓝色虚线分别表示量子点发射波长变化和腔共振的轨迹。(b)量子点发射分别与微环模式接近共振(22K)和非共振(34K)时的uPL谱。虚线表示 34K时腔共振的 Lorentzian 拟合，其品质因子约为 9000。
用双指数衰减模型描述[371.在 20K时，快速衰减速率被确定为 0.60士0.01 ns 左右，而当 OD 调谐失谐时，它表现出约 1.55±0.02 ns(32 K)的衰减速率。为了确定自发发射加速因子F，图5(b)显示了 OD 衰减时间随 OD 跃迁穿过谐振腔谐振的变化。通过比较20K谐振)处的衰减时间与 32K(失谐)处的最大寿命，我们可以得出F大约为 2.6和 Purcell因子(Fp)为 1.6，其中 Fp =F-1[28].这表明，当OD与光学谐振腔共振耦合时，在弱耦合状态下，由于光-物质相互作用，自发发射率提高了两倍多。此外，非共振衰减时间随温度变化的不对称性是由于高温下QD的波长漂移速度更快。[38]，导致温度可调的不对称 QD 寿命。
当发射极线宽远小于空腔线宽时，理论珀塞尔因子可用Fp=()来估计[281.这个珀塞尔因子公式可以应用到我们的微环腔，因为提取的PL光谱34 K图中的OD线宽。腔谐振的线宽约为0.10nm，测得的0为9，000，理论模体积为124(入/n)3，基于空腔共振和发射器之间完美的空间、光谱和偏振对准的假设28]。实验和理论的自发发射加速因子之间的差异可能是由于发射体和波导模式电场分布最大值之间的空间偏差造成的，这种偏差可以通过引入确定性制造技术来缓解。[34]在理想情况下，量子点具有完美的空间和光谱对准。腔谐振可以用Fp/(Fp+y)近似，其中y是进入泄漏模式的归一化自发辐射率，也就是说，y=1它给出了84%的理论值。另一方面，虽然在实验中量子点相对于最大场强沿径向位置的位置是未知的，但从量子点到环形腔模的实验B仍然可以近似为:B=(F至7)[391.实验F为2.6，确定约62%。良好的实验可以解释6倍增加的强度观察图。4(a)当调谐耦合的OD到共振时。
图5所示。被撤销的第十个季度的测量在不同温度下。衰减时间为0.86士0.01ns(10K)为0.60士0.01纳秒(20K),1.37士0.02纳秒(30K)和1.55士0.02分别为32千纳秒。(b)量子阱的PL衰减时间是温度的函数。
此外，我们通过测量共振时的二阶自相关函数(g(2)(7))来研究发射的量子性质。实验结果如图所示。6(a)，揭示了在相对较低的激发功率下强的光子反聚束uW(0.02个赛点，不适用于量子点的饱和度，赛点=82微瓦)。关联的多光子抑制由计算得到的g(2(0)值0.17确定，该值通过比较12.5 ns内的中心峰的原始数据的积分与相同范围内的第一个右相邻峰(graw(0))获得。非理想的单光子纯度是由于系统的暗计数和 InP 衬底的背景发射。为了考虑不相关的背景发射的影响，我们用以下表达式拟合原始数据的每个峰[221:
其中，Ao表示中央峰面积，A1表示侧峰面积，y表示衰减率，Trep表示脉冲重复时间To表示使函数中心化的时间偏移，n表示峰数，c表示来自环境的背景噪声。通过拟合数据，我们获得了g(2(0)的值，即Ao/A1(9fit(0))，并从置信区间为 95% 的拟合范围内。对于图 6a，计算的 9f2(0) 值为 0.03士0.02，这表明 QD 单光子源的优异单光子纯度。然而，随着我们增加激发功率到 0.2xPsat，在数据中心出现了一个更明显的峰值，导致graw(0)=0.35和(0)=0.10±0.01。图6c详细展示了g(2)(0的激发功率依赖性，揭示了在高激发功率水平下单光子纯度的退化。该结果表明，由于高激励功率下的离共振耦合效应，离共振发射器的不相关背景辐射的功率依赖性增加。[40]，这在腔体增强的 QD 单光子源中经常观察到[411.此外，InP衬底的较强的背景辐射也可能导致劣化，在将来可以用硅衬底取代。
图6所示。不同激振源(a)2.0uW和(b)16.8uW的共振耦合量子点微环系统的阶自相关性。(c)g(2)(0)作为激振源函数(ε)被归一化到量子点的第四部分，第四部分=82uW。
除了纯度外，SPS的另一个重要优点是单光子不可分辨性。我们进一步测量了红欧曼德尔(HOM)干扰QD如图所示。7用一个激动人心的of70.1uW。HOM干扰的可见度(V)定义为:V=1-(A/A1)，其中Ap和Orbthearea of the center peak for the measured g(2)(T)for parallel polarizationand cross polarization.在我们的HOM设置中，光纤延迟相对较短，约为4ns，这导致相邻峰之间的重叠，如图所示。7.原始可见度(Vraw)仅为117%。为了消除测量中重合的峰值，我们使用以下两个表达式对两个偏振测量的g(2)(7)进行了拟合:
其中，A，是中心峰面积，Ai和Af分别是左侧和右侧的峰面积。在这里，我们拟合了每侧的三个峰和中心峰。我们进一步提取了两个偏振测量的 Ao。我们可以导出时间后选择的可见度 Vfit=51.7% 士 3.2%。非理想的不可区分性主要是由于不纯的单光子发射和环境波动引起的退相干例如由于表面态引起的充电噪声，可以通过表面钟化过程消除。此外磷化铟衬底的背景发射也会污染不可区分性。为了进一步提高双光子干涉的可见度，可以使用共振激发，这需要严格抑制激发激光【29，42在我们的微环系统中，可以通过在环形谐振腔内对量子点进行共振泵浦，然后通过光栅耦合器收集发射的光子来缓解激发激光抑制的挑战同时由于交叉极化激发激光与TE模偏振的弱耦合进入波导和光栅耦合器，同时操作激发激光与TE模的交叉极化。
图7所示。在脉冲激励下，4ns光纤延迟，激发功率为70.1uW的红欧-曼德尔干涉实验。
5.结论
在这项研究中，我们在与集成量子信息处理兼容的高折射率对比度GaAs-on-Insulator 平台上展示了腔体增强的 OD 单光子源，无需悬浮和深蚀刻工艺。我们的微环腔显示的质量系数约9000，允许自发发射加速系数约2.6和珀塞尔系数约1.6。从QD到环形腔模式的耦合效率估计为62%。由于共振耦合的量子点-微腔系统具有良好的光学特性，我们实现了g(2)(0)低至 0.03±0.02和双光子干涉可见度为 51.7% 士 3.2%，展示了该平台在片上集成波导电路中产生高质量单光子的能力。基于我们的理论计算，我们预计通过精确定位量子点，我们可以增强Purcell因数提高到5.5，耦合效率提高到84%。这一增强有望进一步提高QD微环单光子源的亮度和双光子干涉的可见度。总的来说，我们的结果为片上量子电路的 GaAs-on-insulator平台的功能提供了令人信服的证据。此外，该平台可以容纳其他集成组件，如光学分路器，移相器和超导纳米线单光子探测器【43,44】，这为在单一平台上实现全面的量子信息处理系统开辟了可能性。
