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第一个碳化硅光子集成芯片问世:可用于下一代量子计算机构建模块

浏览:36 发表时间:2020-04-22 00:00:00
第一个碳化硅光子集成芯片问世:可用于下一代量子计算机构建模块

由微加热器加热的微环谐振器横截面上的温度和电场分布

佐治亚理工学院的阿里·阿迪比(Ali Adibi)团队已经成功开发出了一种碳化硅(SiC)光子集成芯片,可以通过施加电信号对其进行热调谐。该技术有一天可以用于创建各种可重配置的设备,比如网络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,但由于碳化硅具有比硅更好的热,电和机械性能,同时还具有生物相容性,并能够在从可见光到红外的波长下工作,因此人们对碳化硅的兴趣与日俱增。

光学快报》科学期刊详细介绍这项如何将微型加热器和称为微环谐振器的光学设备集成到碳化硅芯片上的研究。该成就代表了第一个完全集成且可热调谐的碳化硅光学开关,它可以在近红外波长下工作。

第一个碳化硅光子集成芯片问世:可用于下一代量子计算机构建模块

研究人员包括阿里·阿迪比,范天仁,吴茜和阿里·A·艾福特哈尔     集成芯片

该论文的第一作者吴茜(Xi Wu)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。”

碳化硅对于量子计算和通信应用特别有吸引力,因为它具有可以光学控制和操纵为量子位或量子位的特点。量子计算和通信在解决某些问题上有望比传统计算快得多,因为数据以量子比特编码,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

这项新成果建立克服了先前碳化硅平台的一些易碎性和其它缺点,同时提供了与电子设备集成的简便可靠的途径。

研究团队成员范天仁(Tianren Fan)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。”

研究团队成员阿里·A·艾福特哈尔(Ali A. Eftekhar)表示:“它可以实现碳化硅器件的晶圆级制造,为实现基于碳化硅的集成光子量子信息处理解决方案的商业化铺平了道路。”

充分利用新平台的独特功能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。研究人员利用热光效应来实现这一目标,在热效应中,改变材料的温度会改变其光学特性,例如折射率。

他们首先使用晶体绝缘体上的碳化硅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,围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,可以使用谐振器控制耦合到它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,它会局部提高碳化硅微环的温度,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,测试了制造的集成微环谐振器和微加热器的性能。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。

团队负责人阿迪比说:“结合我们的绝缘体上晶体碳化硅平台的其他独特功能,这些基本器件对实现可在各种波长范围内工作的新型芯片级器件满足基本要求。这种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,由于碳化硅的生物相容性,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碳化硅平台来构建元件,其中包括片上泵浦激光器,单光子源和单光子检测器,它们可与可调谐微环谐振器一起使用以创建完整的用于高级光学量子计算的功能芯片。


集成芯片

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