編者按：本文來自微信公眾號「MEMS」（ID：MEMSensor），作者麥姆斯諮詢殷飛，36氪經授權發布。
據麥姆斯諮詢報導，由比利時微電子研究中心（imec）、根特大學（Ghent University）和麻省理工學院（MIT）研究人員組成的光子學研究小組近日宣布，他們已經將基於二維（2D）層狀材料的單光子發射器（SPE）集成到氮化矽（SiN）光子晶片中。即使只有中等量子產率，也可以設計介電腔，使單光子提取進入統一的波導模式。該結果發表在《自然通訊》（Nature Communications）上，為量子光子學和2D材料基礎研究的發展邁出了至關重要的一步。
光子集成電路（PIC）可以使連接大量光子器件的複雜量子光子電路實現小型化，並具有最佳的插入損耗和相位穩定性。單光子發射器（SPE）是構成這類量子集成電路的核心器件，當前人們已經研究了多種材料系統來製造這種片上SPE。2D-SPE具有一些獨特的屬性，這使其特別適合與PIC集成。首先，它們可以輕鬆地與PIC連接，通過堆疊構成複雜的異質結構；其次，由於它們的厚度薄且沒有全內反射，無需任何額外的處理即可實現非常高的光提取效率，從而實現單光子在主體與底層PIC之間高效地傳輸；第三，生長製備晶圓級高均勻性的2D材料變得越來越容易。
在PIC中，光子沿低損耗的單模波導以單空間模式路由，該波導由高折射率的纖芯和低折射率的包層材料組成；空間模式的匹配對於經典和量子幹涉至關重要，對於這種架構而言，它幾乎是完美的。此外，PIC還允許在單晶片上集成多種功能，包括增強光-物質相互作用的光子腔、阻擋或選擇特定波長的濾光片、可集成的光電探測器等。SPE是構成此類量子光子電路的核心器件。十年來，人們已經研究了多種材料系統來創建片上SPE，包括III-V量子點、碳納米管、GaSe晶體和晶體色心（例如金剛石NV或SiV中心）。
最近，在單層過渡金屬二硫化物（TMDC）以及單層和多層六方氮化硼（hBN）中發現了SPE。研究表明納米級應變工程可用於擴大此類2D-SPE的生成，但到目前為止，尚未實現其與PIC的集成。然而，該技術可以幫助解決其它方法在量子光子應用中遇到的一些重要問題。首先，轉移2D材料或通過範德瓦爾斯（Van der Waals）外延將其堆疊以創建複雜的異質結構的技術現在已經發展得很成熟，能夠輕鬆地與高質量PIC連接。其次，由於發射器嵌入單層膜中，避免了全內反射，因此可以獲得非常高的光提取效率。這是基於金剛石和III-V材料的量子技術存在的主要問題，在這些技術中，通常必須在主體材料中製造獨立的光子結構，以使單光子能夠在主體和底層PIC之間有效地傳輸。此外，2D材料可以輕鬆地與電接觸點集成，從而最終實現在寬光譜範圍內產生全電單光子，或者通過量子限制的斯塔克效應（Stark effect）來調諧單光子的波長和對稱性。最後，生長製備晶圓級高均勻性2D材料變得越來越容易，它們可以在晶圓層面與底層的光子電路相匹配。由於2D-SPE主要發射可見光波，而標準的絕緣體上矽的PIC平臺對可見光不透明，所以不能使用。另一方面，基於氮化矽（SiN）的PIC成為了可攜帶量子信息的有用平臺，因為它們不僅能為可見光提供低損耗傳輸，也可與CMOS晶圓廠兼容。
器件概述
圖1顯示了該量子發射器的原理圖，將機械剝離的二硒化鎢（WSe2）薄片乾式轉移到單模SiN波導上，轉移後將樣品放入Montana儀器的光學低溫恆溫器中，冷卻至3.9 K。來自WSe2的光致發光（PL）既可以和自由空間輻射耦合，也可以與波導導模耦合。向自由空間的輻射由頂部的物鏡收集（數值孔徑NA為0.65），而與波導耦合的PL由與波導輸出面對齊的透鏡光纖捕獲。光纖耦合晶片和集成的WSe2薄片的截面圖如圖1b所示。此器件的典型1/e單光子傳播長度為0.5~1 cm（約為4~10 dB/cm）。
圖1 集成的WSe2量子發射器。其中：（a）發射器的俯視圖：WSe2薄片集成在220 nm厚的單模SiN波導上，由兩條空氣溝槽與塊體SiN隔開。波導末端是錐形的，以便更容易與透鏡光纖耦合。WSe2發射器的偶極矩的方向（紅色箭頭），相對於基本波導模式的準TE極化（沿x方向近似對齊）是隨機的（黑色箭頭）。紅色陰影區域表示向左傳播到波導的總發射耦合效率ηwg。（b）樣品的橫截面。空氣溝槽和波導的寬度分別為3 μm和700 nm。在波導附近的發射器產生的PL，既可耦合到自由空間又可耦合到波導（紅色陰影圓圈）。圖中的黑色虛線顯示了沿頂部截取的在λ= 750 nm處的波導截面。（c）光纖耦合晶片的圖片（插圖顯示從光纖到晶片的光耦合）。錐形透鏡光纖採用Thorlabs的標準SM630光纖，焦斑尺寸為2 μm，工作距離為8 μm。（d）集成WSe2的SiN晶片顯微鏡圖像。WSe2薄片位于波導區域上方，用白色三角形突出顯示。
圖2總結了WSe2薄片上PL的測量結果。可以通過低溫恆溫器的頂部窗口，利用一組（兩個）振鏡在樣品上掃描激發光束（λ= 532 nm）。圖2b PL掃描圖中亮起的區域，與圖2a掃描共聚焦圖像中薄片覆蓋的區域相對應。研究人員研究了薄片上不同區域的五個點，標記為S1至S5。圖2e顯示了波導外兩個位置S1和S2的光譜圖。點S1顯示只有兩個突出的光譜峰，與點S2的峰比相對較弱。點S2在1.65 ~ 1.7 eV光譜區中包含幾個窄峰，其中半峰全寬（FWHM）約為3 mev。點S2位於薄片不均勻區域附近（圖2a），造成不均勻的可能因素包括：單層褶皺、材料裂縫或單層和雙層之間的過渡。空間的不均勻性通常會導致強烈的應變梯度區域。此前有報導證明，這些區域通常與TMDC單層中窄線寬發射器局部出現的亮點有關。因此，在點S2光譜中所出現多個窄峰最可能的機制是應變。圖2中的所有光譜，激發功率均設置為25 nW，積分時間為60 s。由於激發功率低，FWHM不受功率展寬的影響。不過，早期的研究發現，在長積分時間內光譜漂移可能會導致發射源FWHM的非均勻展寬。
圖2 與波導耦合的WSe2量子發射器。（a）對相關樣品區域進行共聚焦雷射掃描（λ= 532 nm）。點S1和S2是波導外的點，而點S3至S5是波導上的點。紅色箭頭表示光纖耦合收集光的方向。（b）共聚焦PL掃描，方法是從樣品頂部掃描激發光束並收集頂部的PL。（c）波導PL掃描，方法是從頂部掃描激發光束到樣品上，並通過光纖收集PL。白色虛線表示波導位置。（d）沿圖c中的綠線和藍線進行線掃描，紅色陰影區域為估算的耦合到波導的空間區域。（e）從頂部收集到的點S1和點S2的PL光譜。（f）從頂部（白色區域）和通過光纖（陰影區域）收集到的點S3（紅色）和點S4（藍色）的PL光譜。匹配峰由紫色的陰影區域突出顯示。必要時，可以移動頻譜基線以改善可視化效果。波導耦合光譜乘以10。所有PL光譜的激發功率Pe約為25 nW。
與周圍區域相比（見圖2b），點S3、S4和S5附近的區域螢光更亮，並且都位于波導附近（白色虛線之間的區域）。類似於最近的報導，在納米柱材料彎曲的位置上觀察到TMDC單層有螢光發射，並暗示了存在與波導耦合，由應變誘發產生的發射器。為了確認這些點確實與波導耦合，研究人員從頂部掃描激發光束，通過透鏡光纖收集PL，確實觀察到只有波導區域亮起來（圖2c）。光纖壓電位置與波導的微小偏移會導致信號立即丟失，進一步證實了收集的光來自波導。波導中心附近的積分強度通常較高，這可能歸因于波導模式的電磁重疊在中心附近較高。因此，來自2D材料的更多輻射光可以耦合到波導模式中。當發射器不在波導上時，評估它們可以距離波導中心有多遠，並仍然能產生與波導耦合的PL，也很有趣。圖2d顯示了沿垂直于波導的兩側進行線掃描，以估算PL仍可耦合的空間範圍。結果顯示發射器位于波導兩側最大1.9 μm處，仍可以耦合到波導中。
圖2f顯示了點S3和點S4共聚焦和波導耦合的光譜結果。該光譜具有幾條窄線，典型線寬範圍為2.5至4 meV。線寬可以通過直接包圍WSe2（例如SiO2和SiN界面的表面電荷）顯著拓寬，但是通過hBN封裝可以一定程度緩解變寬。通過比較點S1與其他點的光譜，可以發現在波導或樣品裂紋附近有更多峰，從而證實了發射器確實是由應變誘發。
結果討論
總而言之，研究人員通過將WSe2單層集成到SiN波導上，實現了量子發射器與波導的耦合。光譜隔離的量子發射器二階相關測量結果證明，單個光子波導耦合的飽和計數率達到100 kHz。這些結果證實了先前的觀點，即應變誘發的量子發射器可以與光子結構耦合。使用集成介電腔-發射器系統對單光子提取和不可分辨性進行優化，數據分析表明，即使對於低量子產率的發射器，也可以實現接近統一的單光子提取。這裡所提出的基於二維TMDC應變誘導集成SPE的方法，既保留了SiN PIC的優點，又無需對量子發射器主體材料進行嚴格的處理。同時，再結合器件所用的2D材料在晶圓級製備技術和圖案加工技術上的最新進展，可與波導耦合的2D-SPE為量子光子電路的可擴展性發展開闢了一條有希望的途徑。
正如，該論文的第一作者Frédéric Peyskens所說：「這些結果為實現量子光子器件集成二維（2D）單光子發射源邁出了關鍵的一步。」