编者按：本文来自微信大众号“MEMS”（ID：MEMSensor），作者麦姆斯咨询殷飞，36氪经授权发布。
据麦姆斯咨询报导，由比利时微电子研讨中心（imec）、根特大学（Ghent University）和麻省理工学院（MIT）研讨人员组成的光子学研讨小组近来宣告，他们现已将根据二维（2D）层状资料的单光子发射器（SPE）集成到氮化硅（SiN）光子芯片中。即便只要中等量子产率，也能够规划介电腔，使单光子提取进入一致的波导形式。该成果宣布在《天然通讯》（Nature Communications）上，为量子光子学和2D资料基础研讨的开展迈出了至关重要的一步。
光子集成电路（PIC）能够使衔接很多光子器材的杂乱量子光子电路完成小型化，并具有最佳的插入损耗和相位稳定性。单光子发射器（SPE）是构成这类量子集成电路的中心器材，当时人们现已研讨了多种资料体系来制作这种片上SPE。2D-SPE具有一些共同的特点，这使其特别合适与PIC集成。首要，它们能够轻松地与PIC衔接，经过堆叠构成杂乱的异质结构；其次，因为它们的厚度薄且没有全内反射，无需任何额定的处理即可完成十分高的光提取功率，然后完成单光子在主体与底层PIC之间高效地传输；第三，成长制备晶圆级高均匀性的2D资料变得越来越简单。
在PIC中，光子沿低损耗的单模波导以单空间形式路由，该波导由高折射率的纤芯和低折射率的包层资料组成；空间形式的匹配关于经典和量子干与至关重要，关于这种架构而言，它几乎是完美的。此外，PIC还答应在单芯片上集成多种功用，包含增强光-物质相互作用的光子腔、阻挠或挑选特定波长的滤光片、可集成的光电探测器等。SPE是构成此类量子光子电路的中心器材。十年来，人们现已研讨了多种资料体系来创立片上SPE，包含III-V量子点、碳纳米管、GaSe晶体和晶体色心（例如金刚石NV或SiV中心）。
最近，在单层过渡金属二硫化物（TMDC）以及单层和多层六方氮化硼（hBN）中发现了SPE。研讨标明纳米级应变工程可用于扩展此类2D-SPE的生成，但到目前为止，没有完成其与PIC的集成。可是，该技能能够协助处理其它办法在量子光子运用中遇到的一些重要问题。首要，搬运2D资料或经过范德瓦尔斯（Van der Waals）外延将其堆叠以创立杂乱的异质结构的技能现在现已开展得很老练，能够轻松地与高质量PIC衔接。其次，因为发射器嵌入单层膜中，避免了全内反射，因而能够获得十分高的光提取功率。这是根据金刚石和III-V资料的量子技能存在的首要问题，在这些技能中，一般必须在主体资猜中制作独立的光子结构，以使单光子能够在主体和底层PIC之间有效地传输。此外，2D资料能够轻松地与电接触点集成，然后终究完成在宽光谱规模内发生全电单光子，或许经过量子约束的斯塔克效应（Stark effect）来调谐单光子的波长和对称性。最终，成长制备晶圆级高均匀性2D资料变得越来越简单，它们能够在晶圆层面与底层的光子电路相匹配。因为2D-SPE首要发射可见光波，而规范的绝缘体上硅的PIC渠道对可见光不透明，所以不能运用。另一方面，根据氮化硅（SiN）的PIC成为了可带着量子信息的有用渠道，因为它们不只能为可见光供给低损耗传输，也可与CMOS晶圆厂兼容。
器材概述
图1显现了该量子发射器的原理图，将机械剥离的二硒化钨（WSe2）薄片干式搬运到单模SiN波导上，搬运后将样品放入Montana仪器的光学低温恒温器中，冷却至3.9 K。来自WSe2的光致发光（PL）既能够和自由空间辐射耦合，也能够与波导导模耦合。向自由空间的辐射由顶部的物镜搜集（数值孔径NA为0.65），而与波导耦合的PL由与波导输出面对齐的透镜光纤捕获。光纤耦合芯片和集成的WSe2薄片的截面图如图1b所示。此器材的典型1/e单光子传达长度为0.5~1 cm（约为4~10 dB/cm）。
图1 集成的WSe2量子发射器。其间：（a）发射器的俯视图：WSe2薄片集成在220 nm厚的单模SiN波导上，由两条空气沟槽与块体SiN离隔。波导结尾是锥形的，以便更简单与透镜光纤耦合。WSe2发射器的偶极矩的方向（赤色箭头），相关于根本波导形式的准TE极化（沿x方向近似对齐）是随机的（黑色箭头）。赤色暗影区域标明向左传到达波导的总发射耦合功率ηwg。（b）样品的横截面。空气沟槽和波导的宽度分别为3 μm和700 nm。在波导邻近的发射器发生的PL，既可耦合到自由空间又可耦合到波导（赤色暗影圆圈）。图中的黑色虚线显现了沿顶部截取的在λ= 750 nm处的波导截面。（c）光纤耦合芯片的图片（插图显现从光纤到芯片的光耦合）。锥形透镜光纤选用Thorlabs的规范SM630光纤，焦斑尺度为2 μm，作业间隔为8 μm。（d）集成WSe2的SiN芯片显微镜图画。WSe2薄片坐落波导区域上方，用白色三角形杰出显现。
图2总结了WSe2薄片上PL的丈量成果。能够经过低温恒温器的顶部窗口，运用一组（两个）振镜在样品上扫描激起光束（λ= 532 nm）。图2b PL扫描图中亮起的区域，与图2a扫描共聚集图画中薄片掩盖的区域相对应。研讨人员研讨了薄片上不同区域的五个点，标记为S1至S5。图2e显现了波导外两个方位S1和S2的光谱图。点S1显现只要两个杰出的光谱峰，与点S2的峰比相对较弱。点S2在1.65 ~ 1.7 eV光谱区中包含几个窄峰，其间半峰全宽（FWHM）约为3 mev。点S2坐落薄片不均匀区域邻近（图2a），形成不均匀的或许要素包含：单层褶皱、资料裂缝或单层和双层之间的过渡。空间的不均匀性一般会导致激烈的应变梯度区域。此前有报导证明，这些区域一般与TMDC单层中窄线宽发射器部分呈现的亮点有关。因而，在点S2光谱中所呈现多个窄峰最或许的机制是应变。图2中的一切光谱，激起功率均设置为25 nW，积分时刻为60 s。因为激起功率低，FWHM不受功率展宽的影响。不过，前期的研讨发现，在长积分时刻内光谱漂移或许会导致发射源FWHM的非均匀展宽。
图2 与波导耦合的WSe2量子发射器。（a）对相关样品区域进行共聚集激光扫描（λ= 532 nm）。点S1和S2是波导外的点，而点S3至S5是波导上的点。赤色箭头标明光纤耦合搜集光的方向。（b）共聚集PL扫描，办法是从样品顶部扫描激起光束并搜集顶部的PL。（c）波导PL扫描，办法是从顶部扫描激起光束到样品上，并经过光纤搜集PL。白色虚线标明波导方位。（d）沿图c中的绿线和蓝线进行线扫描，赤色暗影区域为预算的耦合到波导的空间区域。（e）从顶部搜集到的点S1和点S2的PL光谱。（f）从顶部（白色区域）和经过光纤（暗影区域）搜集到的点S3（赤色）和点S4（蓝色）的PL光谱。匹配峰由紫色的暗影区域杰出显现。必要时，能够移动频谱基线以改进可视化作用。波导耦合光谱乘以10。一切PL光谱的激起功率Pe约为25 nW。
与周围区域比较（见图2b），点S3、S4和S5邻近的区域荧光更亮，而且都坐落波导邻近（白色虚线之间的区域）。类似于最近的报导，在纳米柱资料曲折的方位上观察到TMDC单层有荧光发射，并暗示了存在与波导耦合，由应变诱发发生的发射器。为了承认这些点的确与波导耦合，研讨人员从顶部扫描激起光束，经过透镜光纤搜集PL，的确观察到只要波导区域亮起来（图2c）。光纤压电方位与波导的细小偏移会导致信号当即丢掉，进一步证明了搜集的光来自波导。波导中心邻近的积分强度一般较高，这或许归因于波导形式的电磁重叠在中心邻近较高。因而，来自2D资料的更多辐射光能够耦合到波导形式中。当发射器不在波导上时，评价它们能够间隔波导中心有多远，并依然能发生与波导耦合的PL，也很风趣。图2d显现了沿垂直于波导的两边进行线扫描，以预算PL仍可耦合的空间规模。成果显现发射器坐落波导两边最大1.9 μm处，仍能够耦合到波导中。
图2f显现了点S3和点S4共聚集和波导耦合的光谱成果。该光谱具有几条窄线，典型线宽规模为2.5至4 meV。线宽能够经过直接围住WSe2（例如SiO2和SiN界面的外表电荷）明显拓展，可是经过hBN封装能够必定程度缓解变宽。经过比较点S1与其他点的光谱，能够发现在波导或样品裂纹邻近有更多峰，然后证明了发射器的确是由应变诱发。
成果评论
总而言之，研讨人员经过将WSe2单层集成到SiN波导上，完成了量子发射器与波导的耦合。光谱阻隔的量子发射器二阶相关丈量成果证明，单个光子波导耦合的饱满计数率到达100 kHz。这些成果证明了从前的观念，即应变诱发的量子发射器能够与光子结构耦合。运用集成介电腔-发射器体系对单光子提取和不行分辩性进行优化，数据剖析标明，即便关于低量子产率的发射器，也能够完成挨近一致的单光子提取。这儿所提出的根据二维TMDC应变诱导集成SPE的办法，既保留了SiN PIC的长处，又无需对量子发射器主体资料进行严厉的处理。一起，再结合器材所用的2D资料在晶圆级制备技能和图画加工技能上的最新进展，可与波导耦合的2D-SPE为量子光子电路的可扩展性开展拓荒了一条有期望的途径。
正如，该论文的榜首作者Frédéric Peyskens所说：“这些成果为完成量子光子器材集成二维（2D）单光子发射源迈出了要害的一步。”
