導讀

據美國光學學會官網近日報道，美國喬治亞理工學院創造出一款碳化矽（SiC）光子整合晶片。它可以通過施加電訊號，以熱的方式進行調諧。有朝一日，該方案將用於創造一系列可重構的裝置，例如網際網路應用和量子資訊處理所需的移相器以及可調諧光耦合器。

背景

儘管大多數的光學和計算機晶片都是由矽製成，但是人們對於碳化矽的興趣卻在日益增長，因為它比矽具有更好的熱學、電氣和機械特性，並且具有生物相容性，還可工作在可見光到紅外線波段。

碳化矽（圖片來源：維基百科）

創新

近日，美國喬治亞理工學院的 Ali Adibi 領導的科研人員們，在美國光學學會（OSA）的期刊《光學快報（Optics Letters）》上，詳細描述了他們如何將一個微型加熱器和一個稱為微環諧振器的光學器件整合到碳化矽晶片上。這一成就代表了首個完全整合、可通過熱方式調諧、工作在近紅外波段的碳化矽光學開關。

研究團隊（圖片來源：Ali Adibi, 喬治亞理工學院）

技術

碳化矽對於量子計算以及通訊應用來說頗具吸引力，因為它擁有可經過光學操控作為量子位（qubit）來使用的缺陷。量子計算與通訊有望比傳統計算方式以顯著更快的速度來解決特定問題，因為資料以量子位的形式編碼，而量子位可同時處於兩個狀態的疊加態，從而可同時進行多項處理。

之前，研究人員們開發了一個稱為“絕緣體上的碳化矽晶體”的平臺，它克服了之前報告的碳化矽平臺的某些脆弱性以及其他缺點，同時為與電子器件整合到一起提供了一種簡單且可信賴的方式。

下圖所示：量子光子積體電路包含環形微環諧振器和微型加熱器。插圖展示了受到微型加熱器加熱的微環諧振器的橫截面上的溫度和電場分佈。

（圖片來源：Ali Adibi, 喬治亞理工學院）

研究團隊成員 Tianren Fan 表示：“我們研究小組率先開發出的絕緣體上的碳化矽平臺，類似於在半導體工業中廣泛使用的、適用於多種應用的絕緣體上的矽技術。它實現了碳化矽裝置的晶圓級製造，為基於碳化矽的整合光子量子資訊處理解決方案的商業化鋪平了道路。”

要完全發揮這個新平臺的獨特功能，就要開發調諧其光學特性的能力，使得單個基於晶片的結構可提供不同的功能。研究人員通過採用熱光效應實現了這一點。在熱光效應中，改變材料的溫度將改變其光學特性，例如折射率。

他們一開始採用絕緣體上的碳化矽晶體技術，製造了微型環狀光學腔，或者稱為微環諧振器。在每個諧振器中，光線在特定波長（也稱為其諧振波長）下，圍繞著環傳播，並通過相長干涉來增加強度。然後，諧振器可用於控制與其耦合的波導中的光線幅度與相位。研究人員們為了創造一個高度可控的可調諧諧振器，在微環頂上製造了電加熱器。當電流施加到整合的微加熱器中時，它區域性地提升了碳化矽微環的溫度，並通過熱光效應改變了其共振波長。

研究人員們通過施加不同等級的電力，然後測量與微環耦合的波導中的光學傳輸，測試了製造好的整合微環諧振器和微型加熱器的效能。他們的成果表明，通過一個可採用現有半導體制造工藝製造的堅固裝置，實現具有低功率熱可調諧性的諧振器是可能。

價值

論文第一作者 Xi Wu 表示：“像我們在這項研究中演示的這一類器件，可以作為新一代量子資訊處理裝置的構建模組使用，也可以創造出生物相容的感測器和探測器。”

團隊領頭人 Ali Adibi 表示：“這些高品質的裝置，結合了我們的絕緣體上的碳化矽晶體平臺的其他特徵，將滿足工作在大範圍波長的新型晶片級裝置的基本需求。這種晶片級的可調諧性對於量子計算和通訊所需的量子操作來說是必要的。此外，因為碳化矽的生物相容性，它也非常適合活體生物感測。”

未來

目前，研究人員們正在致力於通過絕緣體上的碳化矽晶體平臺，為量子光子積體電路打造元器件，包括晶片上的鐳射泵、單光子源以及單光子探測器，與可調諧的微環諧振器一起使用，為先進的光學量子計算創造出全功能晶片。

關鍵字

碳化矽、量子計算、光子晶片

參考資料

【1】Xi Wu, Tianren Fan, Ali A. Eftekhar, Ali Adibi. High-Q microresonators integrated with microheaters on a 3C-SiC-on-insulator platform. Optics Letters, 2019; 44 (20): 4941 DOI: 10.1364/OL.44.004941

【2】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2019/tunable_optical_chip_paves_way_for_new_quantum_dev/