为新量子器件铺平了道路的可调光芯片

研究人员们展示了首个完整集成的碳化硅光学开关，可以根据不同的功能进行热调谐 
       据悉，佐治亚理工学院的研究人员们已经研制出了一种可通过施加电信号进行热调谐的碳化硅(SiC)光子集成芯片。这种方法有一天可能会被用于创建大量可重构设备，如用于网络应用和量子信息处理的移相器和可调光耦合器。
      尽管大多数光学和计算机芯片是由硅制成的，但人们对碳化硅的兴趣越来越大，因为它比硅具有更好的热、电和机械性能，同时具有生物相容性，可以在从可见光到红外线的波长范围内工作。 在光学学会(OSA)的《光学快报》杂志上，佐治亚理工学院的Ali Adibi领导的研究人员详细介绍了他们如何将微型加热器和一种称为微环谐振器的光学设备集成到SiC芯片上。该成就意味着首次实现了完全集成和热可调的工作在近红外波长的SiC光学开关。
        论文的第一作者吴曦(音)说：“我们在这项工作中展示的这样的设备，可以作为下一代量子信息处理设备的积木，也可以用来制造生物兼容的传感器和探针。” SiC对量子计算和通信应用特别有吸引力，因为它有缺陷，可以像量子比特一样被光学控制和操纵。在解决某些问题方面，量子计算和通信有望比传统计算快得多，因为数据是用量子位编码的，可以同时处于两种状态的任意组合，从而允许同时执行多个进程。
晶片级的制造业 
       这项新工作建立在研究人员之前开发的一种名为“晶化SiC-on-绝缘体”的平台的基础上，该平台克服了之前报道的SiC平台的一些脆弱性和其他缺陷，同时为集成电子设备提供了一种简单可靠的途径。  
       研究团队成员表示，他们团队率先开发的绝缘体上硅平台类似于半导体行业广泛应用的绝缘体上硅技术，这使地SiC器件的晶圆级制造成为可能，为基于SiC的集成光子量子信息处理解决方案的商业化铺平了道路。充分利用新平台的独特功能，需要开发调整其光学特性的能力，以便使用单个基于芯片的结构来提供不同的功能。研究人员利用热光学效应实现了这一目标。热光学效应是指改变一种材料的温度会改变其光学特性，比如折射率。
       他们首先利用晶化硅绝缘体技术，制造微小的环形光学腔或微环谐振器。在每个谐振器中，特定波长的光即所谓的谐振波长，在环上运行时，会通过相长干涉增强强度。然后，谐振器可以用来控制与之耦合的波导中光的振幅和相位。为了制造一个可调的、高度可控的谐振器，研究人员在微晶片上制作了电加热器。当电流被施加到集成的微加热器上时，由于热光学效应，电流局部增加了碳化硅微环的温度，从而改变了其谐振波长。
测试集成设备
       研究人员测试了制作的集成微环谐振器和微加热器的性能，通过施加不同水平的电力，然后测量耦合到微环谐振器的波导的光学传输。他们的结果表明，可以通过现有的半导体铸造工艺制造出高质量的低功率热可调谐谐振器。
   “与我们的晶晶硅绝缘体平台的其他独特功能相结合，这些高质量的设备具备了使新的芯片级设备能够在宽波长范围内工作的基本要求，”团队负责人阿里·阿迪比(Ali Adibi)说。这种芯片级别的可调性对于执行量子计算和通信所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，它可能是非常有用的体内生物传感材料。
       研究人员目前正在努力构建SiC晶体绝缘平台量子光子集成电路，包括片上泵激光、单光子源和单光子探测器，这是一个可以用可调微环谐振器来创建的功能齐全的先进光学量子计算芯片。这项工作是该团队三年来广泛研究的结果，利用这项技术可以形成了一个可靠的混合平台，大大改善了碳化硅材料的性能，并以此来制造新的设备。

图:研究人员利用绝缘体上的硅碳化合物平台，创造了第一个热可调光开关。原理图显示了他们的量子光子学集成电路芯片的概念。插图显示了由微加热器加热的微环谐振器截面上的温度和电场分布。