新的可调光芯片可用作下一代量子计算机的构建模块

研究人员使用绝缘体上碳化硅平台创建了第一个热可调光开关。示意图显示了他们的量子光子集成电路芯片的概念，该芯片包括Optics Letters中报道的圆形微环谐振器和微加热器。插图显示了在由微加热器加热的微环谐振器的横截面上的温度和电场分布。

研究人员已经创建了一种碳化硅（SiC）光子集成芯片，可以通过施加电信号对其进行热调谐。该方法有一天可以用于创建各种可重配置的设备，例如联网应用和量子信息处理所需的移相器和可调光耦合器。

尽管大多数光学和计算机芯片都是由硅制成的，但人们对SiC的兴趣却越来越高，因为它具有比硅更好的热，电和机械性能，同时还具有生物相容性，并且可以在可见光到红外光的波长范围内工作。

在光学学会（OSA）的《光学快报》上，由佐治亚理工学院的阿里·阿迪比（Ali Adibi）领导的研究人员详细介绍了如何将微型加热器和称为微环谐振器的光学设备集成到SiC芯片上。这一成就代表了第一个完全集成且可热调谐的SiC光学开关，该开关在近红外波长下工作。

该论文的第一作者西武说：“我们在这项工作中展示的设备可以用作下一代量子信息处理设备的基础，并可以创建生物相容的传感器和探针。”

SiC对于量子计算和通信应用特别有吸引力，因为SiC具有可以光学控制和操纵为量子位或量子位的缺陷。量子计算和通信有望在解决某些问题上比传统计算快得多，因为数据以量子位编码，可以同时以两种状态的任意组合进行编码，从而可以同时执行许多处理。

晶圆级制造

这项新工作建立在研究人员先前开发的绝缘体上晶体SiC平台的基础上，该平台克服了先前报道的SiC平台的某些脆弱性和其他缺点，同时提供了与电子设备集成的简便可靠的途径。

研究小组成员范天仁说：“我们小组开创的绝缘体上碳化硅平台类似于在半导体行业中广泛用于各种应用的绝缘体上硅技术。”研究团队成员Ali A. Eftekhar说：“它使SiC器件的晶圆级制造成为可能，从而为基于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。”

要充分利用新平台的独特功能，就需要开发调整其光学特性的能力，以便可以使用基于单个芯片的结构来提供不同的功能。研究人员通过利用热光效应来实现这一目标，在该效应中，改变材料的温度会改变其光学特性，例如折射率。

参与开发新型集成碳化硅光开关的研究人员包括Ali Adibi，Tianren Fan，Xi Wu和Ali A. Eftekhar（从左至右）。

他们首先使用晶体绝缘体上的SiC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，绕环传播的某些波长的光（称为谐振波长）将通过相长干涉来增强强度。然后，可以将谐振器用于控制与其耦合的波导中的光的幅度和相位。为了创建具有高度控制性的可调谐振器，研究人员在微环的顶部制造了电加热器。当电流施加到集成式微型加热器时，由于热光效应，它会局部提高SiC微环的温度，从而改变其谐振波长。

测试集成设备

研究人员通过施加不同水平的电功率，然后测量耦合到微环谐振器的波导的光传输，来测试制造的集成微环谐振器和微加热器的性能。他们的结果表明，可以通过一种坚固的器件来实现具有低功率热可调性的高质量谐振器，该器件可以使用现有的半导体铸造工艺来制造。

团队负责人Ali Adibi说：“结合我们的绝缘体上晶体SiC平台的其他独特功能，这些高质量器件对启用可在各种波长范围内工作的新型芯片级器件具有基本要求。”“芯片级可调性对于执行量子计算和通信所需的量子运算至关重要。此外，由于SiC的生物相容性，它对于体内生物传感可能非常有用。”

研究人员现在正在努力利用用于量子光子集成电路的晶体绝缘体上SiC平台来构建元件，包括片上泵浦激光器，单光子源和单光子检测器，这些可与可调谐微环谐振器配合使用以创建完整的用于高级光学量子计算的功能芯片。

###

这项工作是三年来广泛研究的结果，该研究涉及形成具有显着改善的SiC材料特性的可靠的混合平台，并将其用于形成创新的设备。阿里·阿迪比（Ali Adibi）研究小组的席武，范天仁和阿里·埃夫特卡哈（Ali A. Eftekhar）为这项工作做出了巨大贡献。Adibi研究人员小组的前成员Hesam Moradinejad也为该平台的开发做出了贡献（较早出版）。这项工作主要由空军科学研究所（AFOSR）资助，授权号为FA9550-15-1-0342（G。Pomrenke）。

参考文献：“在绝缘子上的3C-SiC平台上集成有微型加热器的高Q微谐振器”，作者：吴锡天，范天仁，Ali A. Eftekhar和Ali Adibi，《光学快报》 44、20、4941-4944（2019年） .DOI：
10.1364 / OL.44.004941