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

逍遙設(shè)計(jì)自動化

引言
; \! A) x$ ^! H% n2 P% {% m量子點(diǎn)(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(gè)芯片上使用多個(gè)量子點(diǎn)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(diǎn)的發(fā)射波長[1]。


/ W5 j6 S* f8 T* T( m表面聲波的力量
表面聲波是沿材料表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)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(diǎn)）的巨大潛力。通過將表面聲波耦合到量子點(diǎn)，研究人員可以調(diào)制量子點(diǎn)的能級，從而動態(tài)改變發(fā)射波長。
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圖1：(a) 兩條用于獨(dú)立聲學(xué)調(diào)制的聲學(xué)延遲線的光學(xué)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(xué)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。

6 n. |$ _4 ^/ J7 |% j8 l混合量子光電子平臺
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(diǎn)集成到薄膜鈮酸鋰芯片上。選擇鈮酸鋰很重要，因?yàn)槠鋸?qiáng)烈的壓電性能可以高效產(chǎn)生表面聲波。
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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(diǎn)的出色量子發(fā)射特性和鈮酸鋰平臺的強(qiáng)大光電子功能。

聲學(xué)延遲線和聚焦叉指換能器
該系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是聲學(xué)延遲線，由兩個(gè)相對的聚焦叉指換能器(FIDTs)組成。這些FIDTs被設(shè)計(jì)用于在量子點(diǎn)所在的特定點(diǎn)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(diǎn)相互作用。

圖2：(a) 未調(diào)制時(shí)QD1的光致發(fā)光譜。(b) 單個(gè)表面聲波引起的測量光學(xué)調(diào)制。(c) 兩個(gè)反向傳播表面聲波對最亮發(fā)射峰的光學(xué)調(diào)制。(d) 應(yīng)變引起的能量分裂與相對相位的關(guān)系。


4 a2 h$ L+ Y! _' V% N! }波長調(diào)制演示
研究人員通過調(diào)制單個(gè)量子點(diǎn)的發(fā)射波長展示了方法的有效性。通過向一個(gè)FIDT施加400 MHz的射頻信號，在13 dBm功率下實(shí)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(diǎn)發(fā)射特性的潛力。
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利用聲學(xué)腔增強(qiáng)調(diào)制
7 a2 r, q( [' u$ |為進(jìn)一步提高調(diào)制能力，研究團(tuán)隊(duì)探索了同時(shí)使用兩個(gè)FIDTs。通過驅(qū)動兩個(gè)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(dá)到了令人印象深刻的1.4 nm峰峰值移動。

' d  q7 a" a: _! q驅(qū)動兩個(gè)FIDTs的射頻信號之間的相位差在這種增強(qiáng)調(diào)制中起著關(guān)鍵作用。當(dāng)信號同相時(shí)，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。

! B  `3 W% x$ n2 y7 F4 t: D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(shí)QD1和QD2的發(fā)射峰。(c) 集成到光電子平臺中的兩個(gè)可應(yīng)變調(diào)諧納米線量子點(diǎn)的表現(xiàn)。
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/ h% }+ m. k3 m: G9 D" e7 Z多個(gè)量子點(diǎn)的獨(dú)立調(diào)制
* k$ N7 n& U9 y9 r6 M" Y* ^這項(xiàng)研究最令人興奮的方面之一是在同一芯片上對兩個(gè)獨(dú)立量子點(diǎn)進(jìn)行調(diào)制的演示。研究團(tuán)隊(duì)選擇了兩個(gè)初始發(fā)射波長相差0.5 nm的納米線量子點(diǎn)（QD1和QD2）。通過向與每個(gè)量子點(diǎn)相關(guān)的FIDTs施加適當(dāng)?shù)纳漕l信號，他們能夠在每個(gè)聲學(xué)周期內(nèi)將兩個(gè)量子點(diǎn)的發(fā)射波長調(diào)至共同點(diǎn)。

% f* ~8 E& R# n1 V5 S這一成就是朝著在單個(gè)光電子芯片上從多個(gè)遠(yuǎn)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(diǎn)集合中通常觀察到的全部波長變化。
研究人員提出了幾個(gè)改進(jìn)方向：

增加射頻功率：必須仔細(xì)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(diǎn)在聲學(xué)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(qiáng)機(jī)械約束。
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此外，雖然將量子點(diǎn)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(gè)挑戰(zhàn)。未來工作中需要考慮匹配輻射速率和實(shí)現(xiàn)傅里葉變換限制發(fā)射等因素。

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與光電子線路集成
這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)是將這些表面聲波調(diào)制的量子點(diǎn)集成到功能性量子光電子線路中。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想使用可調(diào)諧環(huán)形諧振器或其他過濾機(jī)制來選擇和路由芯片內(nèi)的調(diào)制光子。
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結(jié)論
  z# `7 j+ d, ^' s, M. m; H2 U9 R) v! l集成到混合薄膜鈮酸鋰平臺中的納米線量子點(diǎn)的聲學(xué)調(diào)制代表了集成量子光電子技術(shù)領(lǐng)域的重大進(jìn)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(gè)芯片上使用多個(gè)量子點(diǎn)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

. ]6 \7 V1 B% L4 H/ w+ g參考文獻(xiàn)
[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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