集成单量子发射器的超低损耗量子光子电路gydF4y2Ba

基于晶圆级超低损耗(≈1 dB/m)波导的光子集成电路(PIC)技术取得了长足的进展。在电信波长传输损耗低至0.034 dB/mgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba并且从405nm通过红外透明gydF4y2Ba^{2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba}，晶圆级，CMOS兼容SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba波导构成了一个多功能和有前途的集成平台的基础。而这些技术的重点是用于经典应用，包括相干光纤通信gydF4y2Ba^4gydF4y2Ba，集成微波光子学gydF4y2Ba^5gydF4y2Ba定位与导航gydF4y2Ba^6gydF4y2Ba原子钟gydF4y2Ba^7gydF4y2Ba在美国，量子应用的ULLW集成平台的进展有限。总体而言，迄今为止报道的与晶圆厂兼容的量子PIC平台的波导传播损耗为> 5 dB/m，如补充表所示gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．低光子损耗，包括波导传播和芯片上组件(如定向耦合器)的插入损耗，对于满足可用于实现实际光子量子模拟的pic的缩放要求至关重要gydF4y2Ba^8gydF4y2Ba，机器学习gydF4y2Ba^9gydF4y2Ba，以及量子计算gydF4y2Ba^10gydF4y2Ba特别是在纠错方面gydF4y2Ba^11gydF4y2Ba．目前，对缩放不利的主要损耗包括组件插入损耗和耦合器、源和探测器等组件之间的波导互连损耗。而插入损耗是量子pic总体损耗的主要因素，必须降低插入损耗才能产生与微光学电路相当的吞吐量gydF4y2Ba^12gydF4y2Ba对于光子必须“存储”在延迟线中的容错光子计算来说，具有超低传播损耗的pic可能是至关重要的gydF4y2Ba^13gydF4y2Ba，以及依赖于时间解复用或单光子缓冲的量子模拟方案，如时间箱gydF4y2Ba^14gydF4y2Ba或者高维高斯玻色子采样gydF4y2Ba^15gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

将单光子源和ullw集成在一个芯片上对于鲁棒性、效率、性能和紧凑性至关重要，特别是对于包含多个独立源的电路。基于自发四波混合或自发参数下转换的片上源已集成在低损耗硅基和混合PIC平台中，损耗为> 5 dB/m(见补充表)gydF4y2Ba1）gydF4y2Ba．然而，这些源表现出单光子生成概率和纯度之间的基本权衡，定义为没有多光子生成事件，这限制了片上单光子通量gydF4y2Ba^16gydF4y2Ba．而多路复用可以用来克服这种权衡gydF4y2Ba^17gydF4y2Ba在美国，在芯片上使用单个器件层同时满足相位匹配、高非线性系数和超低损耗是一项挑战，特别是在高折射率区域所需的强场约束不利于损耗性能gydF4y2Ba^18gydF4y2Ba．作为一种替代方法，单个量子发射器不会遭受同样的纯度与亮度的权衡gydF4y2Ba^19gydF4y2Ba，可以产生纯的触发单光子流，其速率从根本上受到基态和激发态之间循环时间的限制。近年来，基于量子发射体的单光子源的集成已在同质条件下进行了研究gydF4y2Ba^{20.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba21gydF4y2Ba}或异构和混合PIC平台gydF4y2Ba^{22gydF4y2Ba，gydF4y2Ba23gydF4y2Ba}波导损耗超过1db /cm。需要新的解决方案，使单量子光子发射器在晶圆级CMOS兼容的可扩展集成平台上实现超低损耗，≤1 dB/m的波导技术。gydF4y2Ba

在这项工作中，我们报告了朝着这一目标的重大进展，在演示超低损耗PICs和量子发射器单光子源的混合集成方面。通过这种能力，我们设想量子光子电路的创建，可能不仅包括低损耗、大规模、可重构的线性光网络，用于在芯片上实现量子运算，而且还包括用于存储、时间解复用或缓冲确定性生成的单光子的长芯片延迟线，如补充图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

我们的pic是基于一个高纵横比，埋通道SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba该波导(WG)在930 nm处实现了≈1 dB/m的传输损耗。产生单光子的量子发射器是嵌入在GaAs纳米光子几何结构中的单InAs量子点(QDs)，该几何结构利用锥形模式变换器有效地耦合到SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba超低损耗波导结构gydF4y2Ba^{24gydF4y2Ba，gydF4y2Ba25gydF4y2Ba}．gydF4y2Ba

我们报告了触发QD单光子发射到ULLWs的演示，与gydF4y2BaggydF4y2Ba^{（2）gydF4y2Ba}(0) < 0.1，说明单光子fock态纯度较高。我们还报告了强驱动区波导耦合单点共振荧光的观察，证明了在QD发射光谱中出现了Mollow三重态。这种特征是由两能级系统与强相干激励场耦合产生的打扮态的标志gydF4y2Ba^{26gydF4y2Ba，gydF4y2Ba27gydF4y2Ba}，这不仅具有科学意义，而且为单相关光子对或光子束的来源的发展提供了前景，这可能会在多光子光谱等领域得到应用gydF4y2Ba^{28gydF4y2Ba，gydF4y2Ba29gydF4y2Ba}或者量子通信gydF4y2Ba^30.gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

设备描述和制作gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba1gydF4y2Ba显示了我们的混合集成平台的原理图。ullw由高长宽比Si组成gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba芯层厚度为40 nm，宽度为2 μm，埋在1 μm SiO下gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba上包层。为了保证在900 nm波段具有低传播损耗的弱约束单横向电导模式，选择了顶包层厚度gydF4y2Ba^31gydF4y2Ba．片上单光子源由嵌入InAs自组装量子点的直GaAs纳米波导和绝热模式变换器组成，这种几何结构已被证明可以将QD发射直接有效耦合到空气包层Si中gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba脊波导gydF4y2Ba^{25gydF4y2Ba，gydF4y2Ba32gydF4y2Ba}．与绝热锥相反，一维光子晶体背反射器设计为900 nm以上的高反射率，允许单向发射到Si中gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba波导。确保砷化镓和硅之间的瞬态耦合gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba层使用模式互感器，含有qd的GaAs器件被放置在与Si的顶部直接接触gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba指南。这是通过首先在1 μm顶部SiO蚀刻一个口袋来实现的gydF4y2Ba_2gydF4y2BaULLW的上包层，直到SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba然后将GaAs器件放入口袋中，如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Baa.在放置的GaAs器件上覆盖1 μm厚的SiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba熔覆层，如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba值得注意的是Si的部分gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba远离GaAs器件的ULLW完全不受我们处理的影响，因为顶部SiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba到处都保存着包层。时域有限差分(FDTD)模拟预测，所制备的几何结构可以产生最大的理论单光子耦合效率gydF4y2BaηgydF4y2Ba_{QD-ULLWgydF4y2Ba}≈0.31变成SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba波导。正文部分和补充说明部分gydF4y2Ba7gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba8gydF4y2Ba讨论有可能实现的具体可选几何图形gydF4y2BaηgydF4y2Ba_{QD-ULLWgydF4y2Ba}> 0.8。gydF4y2Ba

混合器件的制造在方法中进行了描述。数字gydF4y2Ba1gydF4y2Bac为放置在埋置Si上的组装GaAs纳米波导的光学显微镜图像gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2BaULLW引入多模干扰(MMI) 50:50分路器。蚀刻二氧化硅的轮廓gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba图中为GaAs器件放置坑对应的包层。承载量子点单光子发射器的纳米波导几何结构被用于机械对准和结构支撑的框架所包围，并连接到用于将其转移到Si上的拾取板gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba芯片。如图所示的扫描电镜(SEM)。gydF4y2Ba1gydF4y2Bad, GaAs器件几何形状具有辅助锁定功能，与蚀刻放置口袋的功能互补，以方便对准。GaAs器件和Si器件之间的错位gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba波导< 340 nm，倾斜角度< 0.9gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba可以从图中推断。gydF4y2Ba1gydF4y2Bad。gydF4y2Ba

超低损耗波导特性gydF4y2Ba

为了估计传播损失，将标称长度为1m、2m和3m的导波实现为阿基米德螺旋线gydF4y2Ba^33gydF4y2Ba利用单光子光学时域反射(SP-OTDR)技术制备并对其进行了表征gydF4y2Ba^34gydF4y2Ba．在该技术中，将中心波长≈930 nm的短激光脉冲以周期性流发射到ULLW中，沿着波导收集光后向散射产生的光子并将其发送到单光子探测器。然后使用时间相关器创建相对于参考时钟的后向散射光子到达时间的时间跟踪，并且到达时间可以转换为沿着导轨的距离。后向散射光强随到达时间的变化可以直接测量沿波导方向的信号衰减。实验设置、测量和时间-长度转换的细节在补充说明中提供gydF4y2Ba2gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba．值得注意的是，虽然这种方法在过去已用于表征光纤链路gydF4y2Ba^34gydF4y2Ba，在这里，我们表明它可以用于表征片上ullw。gydF4y2Ba

如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Bac，阿基米德螺旋线的曲率半径(RoC)从最大值开始不断向内变化gydF4y2BaR \({} _{\马克斯}\)gydF4y2Ba-这取决于总长度-到最小gydF4y2Ba\({R}_{\min}=1000\，\，\mu {{{{{{{\rm{m}}}}}}}}\)gydF4y2Ba靠近中心。向内的螺旋之后是一个s型弯曲gydF4y2BaRgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 500 μm，向波导输出方向向外螺旋过渡。三个螺旋的时域反射率轨迹如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Bad，作为螺旋长度和RoC的函数。所有反射率曲线近似线性(对数尺度)，直到约一半的总螺旋长度。大约在s型弯道处，信号急剧下降。带半径的波导耦合微环谐振器的透射光谱(未显示)gydF4y2BaRgydF4y2Ba= 500 μm在同一芯片上没有发现任何谐振，这表明信号下降是由于s弯处的大弯曲损失造成的。也有可能是螺旋和s弯之间急剧的RoC转变导致进一步的信号损失。为了估计直ullw中的传播损失(随后在QD积分中不使用弯曲WGs)，使用了与OTDR迹的线性拟合gydF4y2Ba^33gydF4y2Ba．适合进行gydF4y2BazgydF4y2Ba从内螺旋开始到s弯开始前1厘米的值，以避免突然的RoC不连续。3 m和2 m螺旋的线性损耗分别为(1.0±0.4)dB/m和(2.8±0.6)dB/m。对1米螺旋轨迹的拟合不能产生可靠的参数，主要是由于可用数据的范围很短。gydF4y2Ba

触发单光子发射gydF4y2Ba

接下来，我们演示了从单个QD触发的单光子发射到ULLW，并描述了其光谱特性和温度< 10 K的光子统计。数字gydF4y2Ba3.gydF4y2BaA为微光致发光(gydF4y2BaμgydF4y2Ba得到图中器件的PL)谱。gydF4y2Ba1gydF4y2Bac，用841.5 nm的连续波激光器从自由空间泵浦，并从ULLW收集(详细信息见方法)。在927.21 nm、926.57 nm和926.02 nm(标记为XgydF4y2Ba_0gydF4y2BaCgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba，和CgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba，分别)通过光子计数互相关测量发现来自单个量子点。三种发射线的特性在补充说明中提供gydF4y2Ba4gydF4y2Ba．为了确定单光子发射的纯度，采用二阶强度相关法gydF4y2BaggydF4y2Ba^{（2）gydF4y2Ba}（gydF4y2BaτgydF4y2Ba)线在Hanbury-Brown和Twiss装置中测量。数字gydF4y2Ba3.gydF4y2BaC为归一化光子检测巧合，其中a拟合gydF4y2BaggydF4y2Ba^{（2）gydF4y2Ba}(0) = 0.07±0.02，衰减参数为(0.85±0.02)ns，与测量的辐射速率接近，gydF4y2BaτgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba=(0.86±0.01)ns。这显示了从ULLW中收集的QD触发的高纯度单光子发射。gydF4y2Ba

将泵入饱和的QD产生的单光子计数率与80 MHz脉冲激光重复率进行比较，以产生QD到ullw耦合效率的测量gydF4y2BaηgydF4y2Ba_{QD-ULLWgydF4y2Ba}．假设X的量子效率是100%gydF4y2Ba_0gydF4y2Ba线和折现所有光子损失沿光路从SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba对所采用的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的ULLW估计为4%≤gydF4y2BaηgydF4y2Ba_{QD-ULLWgydF4y2Ba}≤7%。详见附注gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，探测器效率≈71%，系统效率≈11%。有限差分时域(FDTD)模拟的电偶极子发射在一个混合几何近似制造和测试一个表明gydF4y2BaηgydF4y2Ba_{QD-ULLWgydF4y2Ba}< 31%原则上是可以实现的。详见附注gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，实验和模拟效率之间的差异可能主要是由于GaAs纳米波导内部的次优QD位置和偶极矩方向，尽管后者与底层ULLW之间的不对齐也有贡献(如图所示)。gydF4y2Ba1gydF4y2BaD)和其他几何缺陷是潜在的显著。讨论中扩展了提高耦合效率的潜在步骤。gydF4y2Ba

共振荧光gydF4y2Ba

片上单光子源的另一个必要特征是高单光子不可区分性，这需要基准gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba= 2gydF4y2BaTgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba对于量子发射极相干时间gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,在那里gydF4y2BaTgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba是辐射寿命。量子点的非共振激发导致宿主半导体中电子和空穴过多，并导致电荷环境的波动，不可避免地导致单光子gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba≪gydF4y2BaTgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba．另一方面，谐振QD激发已被证明可以最小化退相干，通过避免过度的环境电荷波动，允许接近辐射极限gydF4y2Ba^35gydF4y2Ba．然而，这种方案的一个固有挑战是充分抑制与量子发射器荧光共振的泵浦光。在自由空间耦合系统中，通常在检测前通过泵浦的极化滤波来实现抑制gydF4y2Ba^36gydF4y2Ba，通过正交定向自由空间光束激励gydF4y2Ba^37gydF4y2Ba或波导gydF4y2Ba^38gydF4y2Ba也被使用过，而且双色泵送方案最近也被探索过gydF4y2Ba^39gydF4y2Ba．在具有自由空间光束的直接量子点谐振照明的PICs中，采用了检测前的片外偏振滤波gydF4y2Ba^{40gydF4y2Ba，gydF4y2Ba41gydF4y2Ba}，以及片上超导纳米线超导探测器(snspd)的时间检测门控gydF4y2Ba^42gydF4y2Ba．在我们的设备和实验配置中，我们观察到直接收集到ULLW的共振荧光光谱，而不需要偏振滤波或时间门通。我们通过控制入射激光的偏振，用共振激光激发测量了> 25 dB的消光比。这是由于高宽高比ULLW提供了高空间模式滤波，它只支持TE模式，因此与波导支持的偏振正交的偏振被高度抑制。我们注意到，在金刚石中集成了锗空位量子发射器的AlN电路中，也观察到了没有极化滤波的共振荧光gydF4y2Ba^43gydF4y2Ba，仅控制泵浦极化就足以观察到片上snspd的波导耦合共振荧光gydF4y2Ba^44gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

两能级体系的共振荧光光谱随激发强度的变化而显著变化。在激发功率显著低于饱和水平时，弹性谐振瑞利散射主导了观测光谱，具有明显的线宽窄于发射器的辐射极限。而观测到这种信号的反聚束已初步报道gydF4y2Ba^45gydF4y2Ba，其统计数据最近在窄谱滤波后发生了显著变化gydF4y2Ba^{46gydF4y2Ba，gydF4y2Ba47gydF4y2Ba}，这种行为被解释为相干散射和弱非相干发射之间的干扰gydF4y2Ba^46gydF4y2Ba．在高激发功率下，谱具有一个中心共振峰和两个对称侧共振，形成所谓的Mollow三重态gydF4y2Ba^{26gydF4y2Ba，gydF4y2Ba48gydF4y2Ba}．来自单个量子发射器的波导耦合共振荧光先前已在各种单一材料中得到证明gydF4y2Ba^{40gydF4y2Ba，gydF4y2Ba41gydF4y2Ba，gydF4y2Ba49gydF4y2Ba，gydF4y2Ba50gydF4y2Ba}和混合动力gydF4y2Ba^{43gydF4y2Ba，gydF4y2Ba51gydF4y2Ba，gydF4y2Ba52gydF4y2Ba}图片平台。与所有这些先前的工作相比，下面我们报告在波导耦合发射中观察到的Mollow三重态，与前一节中测量的相同设备。三元组的起源可以从图中的示意图中理解。gydF4y2Ba4gydF4y2Baa.量子点-场系统的两个裸态在强激发场的电偶极子相互作用下分裂，形成四个被修饰态。共振能量处的双简并跃迁以及蓝移和红移跃迁组成了莫洛三重态。侧峰分裂由拉比频率Ω给出gydF4y2Ba_RgydF4y2Ba，与电场振幅成正比。gydF4y2Ba

为了从我们的设备上观察共振荧光，一个自由空间的激光束调到XgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba图中的跃迁。gydF4y2Ba3.gydF4y2BaB被使用。如方法中所述，通过控制泵浦光束偏振来最小化散射到ULLW，并使用一个弱非谐振共泵浦来门控谐振发射gydF4y2Ba^53gydF4y2Ba．通过对激发功率为7.7 μW的共振荧光光谱的二阶光子相关测量，首次验证了共振驱动的单光子发射。数据如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2BaB，显示出清晰的防聚沉，具有合适的gydF4y2BaggydF4y2Ba^{（2）gydF4y2Ba}(0) = 0.04±0.02，无反褶积，说明单光子发射接近纯。然而，在≈3ns处的聚集峰表明由于暗态搁置而产生闪烁gydF4y2Ba^54gydF4y2Ba或者说是光谱扩散gydF4y2Ba^41gydF4y2Ba，时标≈6.4 ns。这种现象可能是由于量子点周围电荷环境的波动，而非谐振共泵虽没有完全抑制，但改善了电荷环境gydF4y2Ba^55gydF4y2Ba．我们还注意到XgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba跃迁辐射寿命gydF4y2BaTgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba被测量为gydF4y2BaTgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba=(0.63±0.01)ns，详见附注gydF4y2Ba9gydF4y2Ba的可比值gydF4y2BaTgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba是由gydF4y2BaggydF4y2Ba^{（2）gydF4y2Ba}．该值比以前在非共振激励下测量的值略短。这种差异可能是由于后一种情况下较慢的QD激发动力学，导致延长寿命痕迹gydF4y2Ba^56gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba4gydF4y2Bac为高分辨率共振荧光发射光谱，由扫描法布里-珀罗干涉仪(SFPI)获得，用于不同的泵浦功率(详细信息见方法)。光谱显示了一个尖锐的洛伦兹中心峰和两个侧峰，与后者间隔的能量随激发场振幅(功率的平方根)线性变化，这是莫洛三重态的一个特征。尖锐的中心峰包括莫洛光谱的弹性贡献和散射谐振泵浦光。侧峰在振幅和宽度上显示出轻微的不对称，这表明在激光和跃迁之间存在一些失谐gydF4y2Ba^57gydF4y2Ba，和光谱扩散，在时间尺度>gydF4y2BaTgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba^48gydF4y2Ba．的确，如补充图所示。gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，这是一个考虑QD光谱扩散的模型gydF4y2Ba^48gydF4y2Ba是否能够拟合数据，产生结果gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba< 100 ps。确认和更好的估计gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba，我们使用傅里叶变换光谱学gydF4y2Ba^58gydF4y2Ba．在这里，谐振QD发射被输入到可变延迟马赫-曾德干涉仪，输出干涉条纹振幅被记录为时滞的函数。所得到的轨迹如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Bad，与QD光的一阶相关函数成正比gydF4y2Ba^58gydF4y2Ba，并被安装到一个模型gydF4y2Ba^59gydF4y2Ba这就产生了相干时间gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba，以及拉比频率ΩgydF4y2Ba_RgydF4y2Ba(参见方法和补充说明gydF4y2Ba10gydF4y2Ba详情)。图中显示了非谐振泵浦获得的参考能见度轨迹。gydF4y2Ba4gydF4y2Bae.用高斯和双侧指数的加权和拟合轨迹，其中高斯分量表示光谱扩散，并产生gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba=(0.053±0.003)ns。图中面板i至iii。gydF4y2Ba4gydF4y2Bad为不同激发功率下共振荧光的可见迹线，由拉比频率表示。值得注意的是，在较高的次幂下，拉比振荡是可见的，模型很好地再现了这种振荡gydF4y2Ba^59gydF4y2Ba．面板i、ii和iii对应的相干时间为gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba=(0.10±0.1)ns，gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba=(0.07±0.01)ns和gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba=(0.09±0.01)ns，比非共振激励值长。高次相干动力学较好地符合高斯衰减，而低次相干动力学呈指数衰减，表明高次谱扩散的普遍存在gydF4y2Ba^58gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

我们的工作演示了将量子发射器单光子源集成到波导损耗≈1 dB/m的光子集成电路上。相比之下，迄今为止已有报道称，芯片上量子发射器源的光子电路的损耗超过100 dB/m，而与晶圆厂兼容的集成量子光子电路的总体损耗至少为5 dB/m(见补充表)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．接下来，我们概述并讨论实现集成平台全部潜力的改进。gydF4y2Ba

对于此处展示的ULLWs相对较低的单光子耦合效率，主要影响因素包括次优的纳米光子设计和量子点定位，以及GaAs器件内的偶极矩定向。而各种技术已经被开发来解决后一个问题gydF4y2Ba^{32gydF4y2Ba，gydF4y2Ba56gydF4y2Ba}实现的光子设计从根本上导致了低效率的两个因素。首先，波导几何形状的选择对引导波的QD耦合施加了限制，而不是辐射波gydF4y2Ba^25gydF4y2Ba．的确，在补充说明中gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，最大值gydF4y2BaβgydF4y2Ba在制备的光源的直GaAs波导部分中，预测QD耦合效率约为88%。同时，GaAs模式互感器导致SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba波导，具有未优化的线性宽度锥度，预计只有gydF4y2BaηgydF4y2Ba_{米gydF4y2BaTgydF4y2Ba}效率≈35%。总的来说，一个最大的源效率gydF4y2BaβgydF4y2Ba⋅gydF4y2BaηgydF4y2Ba_太gydF4y2Ba从所实现的几何图形中，可预期约31%。如补充附注所示gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，然而，适当优化的绝热模变压器可以设计得更有效率(gydF4y2BaηgydF4y2Ba_{米gydF4y2BaTgydF4y2Ba}> 93%)，与非ullw平台的结果相当gydF4y2Ba^{22gydF4y2Ba，gydF4y2Ba23gydF4y2Ba}．提高QD耦合效率gydF4y2BaβgydF4y2Ba也可以通过实现低q腔来获得，如补充说明中所示gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，这将导致整体的改善gydF4y2BaηgydF4y2Ba_{QD-ULLWgydF4y2Ba}．瞬态耦合微腔是实现更高整体耦合效率的另一种可行的窄带替代方案gydF4y2Ba^60gydF4y2Ba并且是未来工作的主题。基于腔的方法的一个优点是通过与谐振模式耦合实现高Purcell辐射率增强，可以提高量子发射器的寿命gydF4y2BaTgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba更接近辐射极限gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba= 2gydF4y2BaTgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba，给定相干时间gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba这完全不受纳米结构的影响，从而提高了不可区分性gydF4y2Ba^{56gydF4y2Ba，gydF4y2Ba61gydF4y2Ba}．另一方面，单个量子点在相对宽的光谱范围内表现出各种激子跃迁，这可能用于触发单光子发射以外的理想功能。例如，双激子-激子级联可以产生偏振纠缠光子对gydF4y2Ba^62gydF4y2Ba，其中两种状态通常被≈1 nm分开。当这些纠缠的光子态被捕获到集成光子电路中时，例如通过多模砷化镓波导的两个TE模式gydF4y2Ba^63gydF4y2Ba这为芯片上的量子信息处理提供了有趣的机会。重要的是，所有提高源效率的建议选项都只涉及对GaAs器件层的修改，而SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba电路的超低损耗部分将不受影响。gydF4y2Ba

对于具有较高泵浦抑制的共振荧光的收集，可能需要对QD方向进行精细控制。谐振泵浦极化的控制在这里显示，以有效地减少散射到ULLW。请记住，只有横向于ULLW的QD偶极矩分量与它耦合，QD必须定向，以便(最佳极化)泵将谐振QD发射最大化到ULLW。量子d必须有一个足够大的偶极矩分量沿泵浦极化激发量子d发射高于散射光水平。不过，在原则上，通过适当的组件设计，可以实现更高程度的泵抑制。虽然目前还不清楚是什么因素导致从自由空间泵浦到ULLW的散射最多，但很可能是制造缺陷造成的，这给问题带来了不希望出现的不确定性。作为一种替代方法，基于波导的谐振泵浦可以提供更可控的方法来最小化波导泵浦散射gydF4y2Ba^50gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

即使在共振激发下观察到的宽线宽，由于大的光谱扩散和失相，限制了我们相干控制量子点和演示不可区分的单光子的能力。特别是，需要与带上光进行非共振共泵浦的量子点很可能导致非均匀线宽的增加，特别是在更高的共振激发下gydF4y2Ba^55gydF4y2Ba．目前尚不清楚是否有任何制造步骤最终导致了我们设备中的大光谱扩散，因为量子点并不是预先制造出来的。在制造之前筛选量子点种群可以识别具有较窄线宽的量子点。在纳米制造的几何图形中，在距离蚀刻侧壁足够远的地方确定单量子点的定位，已被证明至少有利于保持发射特性gydF4y2Ba^{32gydF4y2Ba，gydF4y2Ba61gydF4y2Ba}．作为改善单光子不可分辨性的潜在解决方案，补充说明gydF4y2Ba8gydF4y2Ba讨论了一种很有前途的GaAs腔，该腔通过电磁反设计优化，与我们的平台兼容，除了提供高耦合效率外，Purcell因子≈10，并且蚀刻边壁距离QD超过300 nm。gydF4y2Ba

对于我们的无源光子电路，可以通过采用毯状氮化物生长、蚀刻和退火技术来实现较低的传播损耗gydF4y2Ba^64gydF4y2Ba，以及横向磁场(TM)设计gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba．同时，我们预计在这个平台上已经展示了各种片上无源组件，包括螺旋延迟线gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba、过滤器gydF4y2Ba^66gydF4y2Ba，以及耦合器和开关gydF4y2Ba^67gydF4y2Ba，可进一步优化，以降低插入损耗。gydF4y2Ba

实现上述所有措施——通过纳米光子设计和确定性QD定位提高量子点与波导耦合效率和增强单光子不可区分性，并进一步减少无源片上组件中的传播和插入损失——将使我们更接近于实现实际玻色子采样和相关光子量子信息任务的完全芯片集成系统，具有量子优势。我们进一步注意到，这里演示的超低传播损耗可能已经允许实现单量子发射器单光子源的时间解复用的片上延迟，以产生空间多路复用光子用于玻色子采样，类似于自由空间光学延迟所演示的gydF4y2Ba^12gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

总之，我们的结果表明，利用量子发射器作为超低损耗(≤1 dB/m)光子集成电路的按需单光子源具有很高的前景，这可能是建立可扩展的片上光子量子信息系统的必要条件。gydF4y2Ba

不确定性的报告gydF4y2Ba

在文本中未指定的地方，报告的不确定性为95%置信区间，对应于两个标准差，主要来自模型与数据的最小二乘拟合的A型评估。我们报告了不确定度评估的其他相关细节。gydF4y2Ba

GaAs和Si之间的偏差估计gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba波导gydF4y2Ba

估计Si和Si之间的偏差gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba和GaAs波导的扫描电镜图。gydF4y2Ba1 dgydF4y2Ba，我们使用电子束光刻在GaAs器件上产生的参考位置来校准图像像素大小。然后我们测量Si之间的像素距离gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba波导和砷化镓支撑架在不同位置确定物理距离和倾斜角度。虽然不确定性可以忽略不计，因为我们没有评估与边缘阈值相关的不确定性，我们提供了< 340 nm和< 0.9 nm的保守估计gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba分别为侧向位移和倾斜角。gydF4y2Ba

设备制造gydF4y2Ba

器件集成包括在标签释放膜结构中制造III-V半导体单光子发射器，并采用拾取放置技术gydF4y2Ba^{24gydF4y2Ba，gydF4y2Ba43gydF4y2Ba}将发射器置于蚀刻在Si上的口袋中gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba波导上部氧化物包层。通过在半导体和波导上包层氧化袋中蚀刻机械特征，在x-y平面上实现对准。硅的制作gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba芯片和GaAs/QD器件分两次运行。对于被动，ULL电路，低压化学气相沉积(LPCVD) SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba用15 μm热生长SiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba层。波导用深紫外(DUV)步进制图，用CHF电感耦合等离子体(ICP)反应离子蚀刻机(RIE)干蚀刻gydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba/ CFgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba/ OgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba化学。A≈1 μm层SiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，以液态四乙氧基硅烷(TEOS)为硅的前驱体，然后进行高温退火和化学机械抛光(CMP)以使其平面化。然后使用光刻技术来定义GaAs器件的放置坑，对准埋藏的SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba波导。在顶部SiO上刻蚀约500 nm深的放置坑gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba包层。为了更好地适应QD器件，凹坑被进一步修整，使用额外的光刻步骤，然后是缓冲氧化物蚀刻(BOE)。图中沿埋置波导的可见条纹。gydF4y2Ba1gydF4y2Baa显示出SiO不均匀的证据gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba从Si上面移出gydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba，并且，潜在地，也蚀刻SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba．GaAs器件由一层190 nm厚的GaAs层外延生长而成，其中心为InAs量子点，其顶部为1 μm AlgydF4y2Ba_0.7gydF4y2Ba遗传算法gydF4y2Ba_0.3gydF4y2Ba作为祭祀层。在制造之前，宽场照明光致发光成像证实了在900 nm波段发射的高密度量子点的存在，在随后的设备表征中，单个量子点可以通过空间和光谱滤波的组合进行定位。电子束光刻，其次是氯gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba使用/Ar ICP蚀刻来定义外延晶圆上的器件，并使用氢氟酸去除牺牲层。这一过程产生了独立的GaAs器件，可以用钨探针拾取并放置在ULLW芯片上的蚀刻坑上gydF4y2Ba^43gydF4y2Ba．GaAs器件和放置坑具有三角形锁定几何形状(如图所示)。gydF4y2Ba1gydF4y2BaA)能够实现亚微米对准。在沉积顶部SiO之前，使用光学显微镜和扫描电子显微镜证实了GaAs器件的成功集成gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba包层(见补充说明)gydF4y2Ba6gydF4y2Ba有关估计设备对齐的详细信息)。将器件放入蚀刻坑后，利用PECVD沉积1 μm SiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba薄膜覆盖整个芯片。这一步创建了一个SiOgydF4y2Ba_2gydF4y2BaGaAs器件的上包层。在测试之前，对切块芯片切面进行了抛光，使螺旋波导的两端可以通过端-火耦合接触到。gydF4y2Ba

低温光致发光测量gydF4y2Ba

所制备的器件在密闭循环氦低温恒温器中测量，温度< 10 K。样品从顶部成像，微光致发光(μPL)设置在低温恒温室顶部的光学窗口上方。GaAs器件中的量子点的光激发也是从顶部进行的，激光聚焦到直径≈1 μm的光斑上。量子点发射耦合到ULLWs是通过安装在纳米定位平台上的透镜光纤收集的，该定位平台可以对准混合芯片抛光边缘的WG切面。这里显示的结果是从包含50:50 MMI分离器的设备中获得的，如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．补充图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba显示gydF4y2BaμgydF4y2Ba其中一个器件在845 nm连续波(CW)激光泵浦下产生的PL光谱，分别从两个MMI输出端口采集。gydF4y2Ba

触发单光子发射测量gydF4y2Ba

我们测量了X的寿命gydF4y2Ba_0gydF4y2Ba线激发时，用一个< 100 fs, 80 MHz脉冲激光在887 nm。采用带宽≈500 pm、效率≈50%的光纤耦合光栅滤波器对发射进行滤波，采用超导纳米线单光子探测器(SNSPD)对光子计数进行检测。gydF4y2Ba

为了确定单光子发射的纯度，使用两个snspd在Hanbury-Brown和Twiss构型中测量了激子线的强度自相关。数字gydF4y2Ba3.gydF4y2Bad表示归一化光子检测的巧合，用128 ps的bin大小测量，对于XgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba饱和泵送管线(图中红点)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bab,顶部)。数据拟合为双侧指数衰减和agydF4y2BaggydF4y2Ba^{（2）gydF4y2Ba}(0)值为0.07±0.02，衰减参数为(0.85±0.02)ns，与辐射速率接近。这显示了从ULLW中收集的QD触发的高纯度单光子发射。gydF4y2Ba

共振荧光测量gydF4y2Ba

为了从我们的设备中观察共振荧光，再次使用自由空间激发，将激光束调到XgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba图中的跃迁。gydF4y2Ba3.gydF4y2Baa.激发光束的偏振控制使我们能够抑制散射泵浦光进入SigydF4y2Ba_3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba当监测光栅光谱仪上的信号时，波导误差高达≈25 dB。然而，为了观察到共振荧光，有必要在≈841 nm处与弱非共振激光共激发QDgydF4y2Ba^53gydF4y2Ba．虽然非共振激光本身足够弱，对于所有谐振激光功率产生可忽略不计的光子发射计数，但它将共振荧光增强了≈10倍。gydF4y2Ba

Mollow三态谱如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Bac为自由光谱范围为40 GHz，细度≈200的扫描法布里-珀罗干涉仪(SFPI)对ULLW采集的QD发射进行滤波得到。在不同的谐振激励功率下，优化非谐振共泵的强度以提高谐振发射数。在SFPI之前，一个≈200 GHz带宽的光纤耦合光栅滤波器消除了非共振激光，同时允许测量全共振荧光光谱。采用非线性最小二乘法拟合Mollow三态谱，拟合函数包含三个Lorentzian峰，分别对应于非相干Mollow三态谱的中心峰和两个旁峰，以及一个额外的、锐的中心Lorentzian，以解释相干共振荧光信号和泵浦散射。侧峰的光谱位置(95%拟合置信区间)在图中作为泵浦功率的函数绘制。gydF4y2Ba4gydF4y2Bac。gydF4y2Ba

一个包括激光失谐效应和QD光谱扩散效应的Mollow三重态物理模型也被用来拟合数据，得到了gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba< 100 ps估计给出的主要文本。模型描述、拟合图和提取的参数见补充说明gydF4y2Ba9gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

傅里叶变换光谱学gydF4y2Ba

在傅里叶变换光谱中，用可变延迟马赫-曾德干涉仪(MZI)对泵浦激光进行QD发射谐振，然后用SNSPD进行检测。扫描MZI延迟以产生对应于QD发射的一阶相关函数的干涉图，从其中得到QD相干时间gydF4y2BaTgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba可以提取gydF4y2Ba^59gydF4y2Ba．在我们的实验中，MZI被调谐到−0.1 ns和0.3 ns之间的离散数延迟值。在每个点上，MZI延时阶段抖动5次，振幅为2 μm，使系统有足够的时间稳定。记录了最近一次抖动产生的干涉条纹和能见度gydF4y2Ba\ (V = \离开({我}_{\马克斯}-{我}_{\分钟}\右)/ \离开({我}_{\马克斯}+{我}_{\分钟}\)\)gydF4y2Ba,在那里gydF4y2Ba\({我 }_{{{{{{{{\ rm{最大值、最小值 }}}}}}}}}\)gydF4y2Ba分别是最大和最小条纹强度，分别在每个点上计算。gydF4y2Ba