用于量子通信的硅纳米柱

研究人员利用物镜测试芯片上硅纳米柱阵列的光输出。图片来源：HZDR / Juan Baratech

       世界各地的科学家们正在致力于实现量子信息技术。一条重要的途径与光有关:展望未来，被称为光量子或光子的单个光包可以传输既编码又有效的数据，为此，需要新的光子源以可控方式和按需发射单光量子。直到最近，科学家们才发现硅可以容纳具有量子通信特性的单光子源。然而，到目前为止，还没有人知道如何将这些单光子源集成到现代光子电路中。

       由亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心 (HZDR)的科学家领导的研究团队首次提出了一种使用硅纳米柱的生产工艺：离子轰击后的化学蚀刻方法。他们的研究成果已经发表在《Journal of Applied Physics》期刊上。

       开展当前研究的HZDR离子束物理与材料研究所的Yonder Berencén 博士解释说：“长期以来，通信领域的硅和单光子源一直是光纤量子通信快速发展过程中的缺失环节，现在我们已经为它创造了必要的先决条件”。虽然单光子源是用钻石等材料制造，但是只有硅基单光子源才能产生波长合适的光粒子并且在光纤中激增，这对于实际用途来说是一个相当大的优势。

       研究人员取得这项技术突破的原因是他们选择了湿法蚀刻技术，即所谓的金属辅助化学蚀刻(MacEtch) ，而不是用于处理芯片上硅的传统干法蚀刻技术。这些标准方法允许使用高活性离子制造硅光子结构，这些离子会诱导由硅中的辐射损伤引起的发光缺陷。然而，它们是随机分布的，并且会使所需的光信号与噪声叠加，另一方面，材料是在一种金属掩模下以化学方式蚀刻掉的，而金属辅助化学蚀刻不会产生这些缺陷。

目标：与光纤网络兼容的单光子源

       利用MacEtch方法，研究人员最初制造了一种最简单的潜在光波导结构：芯片上的硅纳米柱。然后他们用碳离子轰击完成的纳米柱，从而产生嵌入柱中的光子源。采用新的蚀刻技术意味着可以精确地控制和调整纳米柱的尺寸、间距和表面密度，使其与现代光子电路兼容。每平方毫米的芯片上都有数以千计的硅纳米柱通过垂直引导光源的光穿过柱体，从而传导和束缚来自光源的光。

       研究人员改变了柱子的直径，Berencén 解释说：“因为我们曾经希望这意味着我们可以在细柱上生成单个缺陷，并在每个柱上生成单个光子源，第一次实验效果不太理想。相比之下，即使对于最细的柱子，我们的碳轰击剂量也太高了，但现在距离单光子光源只有一步之遥。”这是研究团队已经在加紧工作的一步，因为新技术也会引发了未来应用的竞争。

       Berencén 说：“我的梦想是将所有基本构建模块都集成在一个芯片上，包括从单个光子源到单个光子探测器，然后通过商业光纤连接大量芯片，形成一个模块化的量子网络”。

        消息来源：https://phys.org/news/2022-09-silicon-nanopillars-quantum.html

        [1]Michael Hollenbach et al, metal-assisted chemically etched silicon nanopillars hosting telecom photon emitters, Journal of Applied Physics (2022). DOI: 10.1063/5.0094715