Nano Letters | 集成于混合薄膜鈮酸鋰光電子平臺的單個納米線量子點的聲學調(diào)制

逍遙設(shè)計自動化

引言
量子點(QDs)已成為集成量子光電子線路中片上單光子源的有前途候選者。然而，在單個芯片上使用多個量子點的主要挑戰(zhàn)之一是發(fā)射波長的固有變化。本文探討了創(chuàng)新方法，使用表面聲波(SAWs)動態(tài)調(diào)諧集成到混合薄膜鈮酸鋰光電子平臺中的納米線量子點的發(fā)射波長[1]。

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表面聲波的力量
表面聲波是沿材料表面?zhèn)鞑サ臋C械波。在量子技術(shù)領(lǐng)域，表面聲波顯示出控制各種量子系統(tǒng)（包括量子點）的巨大潛力。通過將表面聲波耦合到量子點，研究人員可以調(diào)制量子點的能級，從而動態(tài)改變發(fā)射波長。

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0 ^4 z+ G$ `# ]/ j8 e9 N圖1：(a) 兩條用于獨立聲學調(diào)制的聲學延遲線的光學顯微鏡圖像。(b) 波導(dǎo)內(nèi)納米線的掃描電子顯微鏡圖像。(c) 集成納米線的掃描電子顯微鏡圖像，橫截面顯示光學模式分布。(d) 剪切表面聲波模式的位移剖面。(e) 表面聲波產(chǎn)生的應(yīng)變剖面。(f) 400 MHz激發(fā)的表面聲波位移場。

混合量子光電子平臺
4 b5 I% e' Z6 e+ ]為了展示基于表面聲波調(diào)制的威力，研究人員開發(fā)了一種混合量子光電子平臺。該平臺將InAsP/InP納米線量子點集成到薄膜鈮酸鋰芯片上。選擇鈮酸鋰很重要，因為其強烈的壓電性能可以高效產(chǎn)生表面聲波。
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+ x( M7 e8 q9 r2 Y! x$ c納米線被精確定位并集成到Si3N4加載的波導(dǎo)中。這種混合方法結(jié)合了納米線量子點的出色量子發(fā)射特性和鈮酸鋰平臺的強大光電子功能。

聲學延遲線和聚焦叉指換能器
該系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是聲學延遲線，由兩個相對的聚焦叉指換能器(FIDTs)組成。這些FIDTs被設(shè)計用于在量子點所在的特定點生成和聚焦表面聲波。通過向FIDTs施加射頻(RF)信號，研究人員可以創(chuàng)建精確控制的聲波與量子點相互作用。
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圖2：(a) 未調(diào)制時QD1的光致發(fā)光譜。(b) 單個表面聲波引起的測量光學調(diào)制。(c) 兩個反向傳播表面聲波對最亮發(fā)射峰的光學調(diào)制。(d) 應(yīng)變引起的能量分裂與相對相位的關(guān)系。
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波長調(diào)制演示
研究人員通過調(diào)制單個量子點的發(fā)射波長展示了方法的有效性。通過向一個FIDT施加400 MHz的射頻信號，在13 dBm功率下實現(xiàn)了0.70 nm的峰峰值波長調(diào)制。這種顯著的調(diào)制展示了表面聲波用于微調(diào)量子點發(fā)射特性的潛力。
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0 P- c8 l( e7 x# L/ p) r利用聲學腔增強調(diào)制
為進一步提高調(diào)制能力，研究團隊探索了同時使用兩個FIDTs。通過驅(qū)動兩個換能器，他們創(chuàng)建了反向傳播的表面聲波，形成駐波模式。這種方法有效地將調(diào)制幅度翻倍，達到了令人印象深刻的1.4 nm峰峰值移動。
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驅(qū)動兩個FIDTs的射頻信號之間的相位差在這種增強調(diào)制中起著關(guān)鍵作用。當信號同相時，納米線位于駐波的波腹處，最大化應(yīng)變效應(yīng)。相反，信號之間的π相移可以完全抑制調(diào)制。

: o: J( @7 G* g3 B. ?圖3：(a) QD1和QD2的應(yīng)變引起的譜線展寬與射頻功率的關(guān)系。(b) 無表面聲波和有表面聲波調(diào)制時QD1和QD2的發(fā)射峰。(c) 集成到光電子平臺中的兩個可應(yīng)變調(diào)諧納米線量子點的表現(xiàn)。
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多個量子點的獨立調(diào)制
這項研究最令人興奮的方面之一是在同一芯片上對兩個獨立量子點進行調(diào)制的演示。研究團隊選擇了兩個初始發(fā)射波長相差0.5 nm的納米線量子點（QD1和QD2）。通過向與每個量子點相關(guān)的FIDTs施加適當?shù)纳漕l信號，他們能夠在每個聲學周期內(nèi)將兩個量子點的發(fā)射波長調(diào)至共同點。

% c0 i$ Q) h: G/ h這一成就是朝著在單個光電子芯片上從多個遠程發(fā)射器產(chǎn)生不可區(qū)分單光子邁出的重要一步 - 這是許多量子信息處理應(yīng)用的關(guān)鍵要求。

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挑戰(zhàn)和未來方向
盡管結(jié)果很有希望，但仍有挑戰(zhàn)需要克服。目前的調(diào)制范圍雖然令人印象深刻，但可能不足以解決量子點集合中通常觀察到的全部波長變化。
研究人員提出了幾個改進方向：

增加射頻功率：必須仔細考慮更高功率下的潛在加熱效應(yīng)。

使用較低電阻率的金屬制作FIDT電極以減少歐姆損耗。

優(yōu)化量子點在聲學腔中的位置以最大化應(yīng)變效應(yīng)。

探索釋放鈮酸鋰層以增強機械約束。
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此外，雖然將量子點調(diào)至共同波長很重要，但確保發(fā)射光子的高不可分辨性仍然是一個挑戰(zhàn)。未來工作中需要考慮匹配輻射速率和實現(xiàn)傅里葉變換限制發(fā)射等因素。


! }+ i2 H/ O* ~5 J5 _與光電子線路集成
, }: ]3 N5 y3 T0 J! O5 e) c. t  ?這項研究的最終目標是將這些表面聲波調(diào)制的量子點集成到功能性量子光電子線路中。研究團隊設(shè)想使用可調(diào)諧環(huán)形諧振器或其他過濾機制來選擇和路由芯片內(nèi)的調(diào)制光子。
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結(jié)論
集成到混合薄膜鈮酸鋰平臺中的納米線量子點的聲學調(diào)制代表了集成量子光電子技術(shù)領(lǐng)域的重大進展。通過利用表面聲波的力量，研究人員展示了有前途的方法，解決了在單個芯片上使用多個量子點的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

參考文獻
[1] T. Descamps et al., "Acoustic Modulation of Individual Nanowire Quantum Dots Integrated into a Hybrid Thin-Film Lithium Niobate Photonic Platform," Nano Lett., 2024, doi: 10.1021/acs.nanolett.4c03402.
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