IEEE SiPhotonics2025|低损耗200毫米氮化硅平台集成WI-SNSPD用于900-940纳米光量子应用

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引言

氮化硅(SiN)已经成为集成光量子技术应用的理想材料。本文将探讨由法国格勒诺布尔CEA-Leti和CEA-DRF研究人员开发的先进氮化硅光子平台。该平台专为900-940纳米波长范围的光量子应用而设计，在CMOS兼容的200毫米晶圆预工业化洁净室设施中制造。这一波长范围特别重要，因为它与基于III-V族量子点的高质量确定性单光子源的工作波长相匹配，这些光源具有卓越的纯度和不可区分性——这是容错量子计算应用的关键因素。

对于光量子技术应用，减少光学损耗是一项基本要求。所介绍的平台经过优化，提供低损耗的单模和多模光传输、弯曲、方向耦合器、相移器以及与光纤的耦合。此外，它还集成了波导集成超导纳米线单光子探测器(WI-SNSPD)，用于高效的片上单光子探测[1]。

图1：900至940纳米光子技术的氮化硅平台横截面，显示了用于光传输的300纳米厚氮化硅层、带有绝缘沟槽的热光相移器、用于单光子探测的SNSPD层以及用于边缘耦合的深沟槽。

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平台结构和波导性能

该平台由300纳米厚的化学计量比LPCVD Si₃N₄层组成，作为波导层。这种材料在目标波长下具有透明性，能够在900纳米左右实现低损耗光子传输。氮化硅层引导光子通过制造的光子结构，具有相当小的传播和插入损耗。

测量表明，多模波导的传播损耗约为0.5 dB/cm，而单模波导的损耗略高，为1.2 dB/cm。该平台允许紧凑的波导弯曲，对于半径在40微米或更大的弯曲，弯曲损耗小于0.05 dB/90°。这些低损耗特性对于在光子线路中保持量子态至为重要。

图2：左 - 多模波导的传播损耗测量，显示约0.5 dB/cm的损耗。右 - 50-50方向耦合器设计。

方向耦合器等无源光子结构可以以紧凑且低损耗的方式实现。对于光操控，电阻加热器可以对导引光子施加纯相移。研究人员开发了绝缘沟槽来提高相移器的效率，实现了19 mW/π的功耗，而不使用沟槽时约为100 mW/π。相移器的插入损耗测量值远小于0.1 dB。

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波导集成单光子探测器

该平台的一个关键组件是集成超导纳米线单光子探测器(SNSPD)，用于高效检测单光子。所介绍的波导集成SNSPD(WI-SNSPD)是在氮化硅波导顶部图案化的超导NbN纳米线，采用倏逝波耦合架构。NbN纳米线厚度为5纳米，宽度为100纳米，在氮化硅和NbN之间有一层10纳米厚的AlN纹理层。

图3：(a) U形WI-SNSPD的SEM图像。(b) 片上探测效率和暗计数率测量。(c) 不同长度探测器的衰减时间测量。

为了获得最佳性能，WI-SNSPD冷却至2.3K。在实验设置中，来自波长为915纳米二极管激光器的单光子被注入到氮化硅波导中。当这些光子到达NbN纳米线时，它们可以破坏超导性，产生可测量的电压脉冲。

当到达WI-SNSPD的光子通量设置为约每秒10⁵个光子(0.1 MHz计数率)时，研究人员测量了光子计数率作为偏置电流的函数，并计算了探测效率。对于100 Hz的暗计数率，他们实现了(72 ± 4.3)%的片上探测效率。测量的时间抖动为(50.7 ± 4)皮秒。当增加入射单光子通量时，计数率高达143 MHz。

图3b中显示的探测器具有2.17纳秒的衰减时间，纳米线长度为30微米。衰减时间τ与器件长度l之间的关系为τ/l = (0.056 ± 0.003)纳秒/微米。

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边缘耦合用于系统集成

为了高效的系统集成，最小化光纤到芯片的耦合损耗是关键。这些损耗主要来自光纤和光电子集成芯片的模场在直径和波前方面的不匹配。

研发了边缘耦合器(EDC)器件，通过增加导引光的模场直径(MFD)来匹配光纤的MFD，从而减少这些损耗。对于图4所示的EDC，它由300纳米厚的氮化硅层制成，并受益于局部移除的硅基底，每个光纤到芯片接口的损耗最小为2 dB。

图4：悬浮氮化硅边缘耦合器结构和测量的光学模式分布，显示了为高效光纤耦合而扩展的光束。

为了进一步提高耦合效率，研究人员建议在未来的平台中使用额外的100纳米薄氮化硅层专门用于边缘耦合。在这种更薄的层中的EDC可以产生更好地匹配光纤(例如，康宁HI 780)的模场直径。模拟预测光纤到芯片的耦合损耗低至0.13 dB。通过反向成形的线性锥形结构，可以在薄层和厚层氮化硅之间实现绝热过渡，模拟损耗仅为0.12 dB。

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未来应用

展示的具有高性能WI-SNSPD的低损耗氮化硅光量子平台为各种量子应用提供了可能性。一个潜在的用例是可重构通用量子处理器，类似于Quandela开发的处理器。考虑到提议的额外薄氮化硅层用于改进边缘耦合，研究人员预计20模式量子处理器的总损耗可以保持在2 dB以下，使这个平台在实用量子计算应用方面非常有希望。

这种高性能氮化硅平台的开发代表了向可扩展光量子线路迈出的重要一步，这些线路可以利用确定性单光子源进行量子信息处理应用。通过解决传播损耗、探测效率和系统集成方面的关键挑战，这项工作使我们更接近于使用集成光子技术实现容错量子计算。