硅中电信单光子发射器的晶圆级纳米加工

光子集成电路，或简称PIC，利用光粒子，也就是众所周知的光子，而不是在电子集成电路中运行的电子。两者之间的主要区别：光子集成电路为通常在近红外光谱中的光波长施加的信息信号提供功能。

“实际上，这些具有许多集成光子元件的PIC能够在单个芯片上生成、路由、处理和检测光，”HZDR离子束物理和材料研究所量子技术负责人GeorgyAstakhov博士说。“这种模式有望在即将到来的未来技术中发挥关键作用，例如量子计算。PIC将引领潮流。”

此前，量子光子学实验因大量使用分布在光学平台上并占据整个实验室的“体光学”而臭名昭著。现在，光子芯片正在彻底改变这一格局。小型化、稳定性和大规模生产的适用性可能会使它们成为现代量子光子学的主力军。

从随机到控制模式

以可控方式单光子源的单片集成将为在PIC中实现数百万个光子量子位提供资源高效途径。要运行量子计算协议，这些光子必须是不可区分的。有了这个，工业规模的光子量子处理器生产将变得可行。

然而，目前建立的制造方法阻碍了这一有前途的概念与当今半导体技术的兼容性。

在大约两年前报道的第一次尝试中，研究人员已经能够在硅晶片上生成单光子，但只能以随机且不可扩展的方式进行。从那时起，他们已经走了很远。“现在，我们展示了如何使用来自液态金属合金离子源的聚焦离子束将单光子发射器放置在晶圆上的所需位置，同时获得高产量和高光谱质量，”物理学家NicoKlingner博士说。

此外，HZDR的科学家们对相同的单光子发射器进行了严格的材料测试程序：经过几次冷却和加热循环后，他们没有观察到其光学特性有任何退化。这些发现满足了以后大规模生产所需的先决条件。

为了将这一成就转化为广泛使用的技术，并允许在与现有铸造制造兼容的原子尺度上对单个光子发射器进行晶圆级工程，该团队通过光刻定义的掩模在商用注入机中实施了宽束注入。

“这项工作确实让我们能够利用罗森多夫纳米制造工厂最先进的硅加工洁净室和电子束光刻机，”洁净室组长兼纳米制造和分析负责人CiaránFowley博士解释说。

使用这两种方法，该团队可以在预定位置创建数十个电信单光子发射器，空间精度约为50nm。它们在具有重要战略意义的电信O波段发射，并在连续波激发下表现出数天的稳定运行。

科学家们相信，在硅中实现单光子发射器的可控制造，使它们成为光子量子技术非常有前途的候选者，其制造途径与超大规模集成兼容。这些单光子发射器现在在技术上已准备好在半导体工厂进行生产并整合到现有的电信基础设施中。