#超低损耗氮化硅光波导 #异质集成 #片上激光器 #铟镓磷
将增益介质和强非线性材料与超低损耗氮化硅（SiN）光子学进行异质集成，为实现可扩展的量子电路提供了一条途径，但同时实现晶圆级可制造性、低层间损耗和高性能一直颇具挑战。在此，我们展示了一种晶圆级 III-V-on-SiN 量子光子平台，该平台将 III-V 族材料层直接集成到代工厂制造的 SiN 电路上。SiN 层提供厚度为 200–300 nm、损耗低于 1 dB/m 的波导以及成熟的被动光子学生态系统；而 III-V 族材料则提供大的 χ^(2) 和 χ^(3) 非线性效应，可用于参量增益、频率转换和量子光产生。绝热层间耦合器使得与 InGaP 波导和本征品质因数超过 10^6 的谐振器之间的耦合损耗低于 25 mdB，从而在 SiN 上实现了亮度提高 15 倍的纠缠光源和高效的非线性转换。集成的无源组件——包括低损耗分束器、波导交叉器和可调干涉仪——与 III-V 族激光器和 InP 光电探测器相辅相成，后者集成的放大器可实现高达 99+1−12% 的量子效率和 3 GHz 的带宽。该架构将超高效光源、非线性元件和探测器集成在一个晶圆级、低损耗的平台上，为走向大规模、低噪声的量子光子系
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**引言**
**氮化硅（SiN）集成光子学**凭借其卓越的线性光学性能——亚dB/m量级的传输损耗、宽透明窗口、高相位稳定性以及与大规模半导体制造的兼容性——已成为量子技术领域的前沿平台[1–5]。这些特性催生了用于量子态操控和路由的日益复杂的无源光子电路[6–9]。尽管氮化硅作为低损耗无源平台表现出色，但其缺乏本征光学增益，且二阶和三阶非线性效应较弱[10]，因此需要通过与具备强非线性、光学增益及高光场限制能力、同时保有晶圆级可制造性的互补材料进行异质或混合集成，来推动量子光子学的发展。
**III-V族半导体**为氮化硅提供了天然的互补：其直接带隙增益介质结合了集成光子材料中数一数二的巨大χ^(2)和χ^(3)非线性系数[11–13]。其中，**InGaP（磷化铟镓）** 因其宽带隙、在通信波段无双光子吸收、能够实现亚dB/cm波导[14]、高效频率转换器[15]以及纠缠光源[16,17]等特性而尤为突出。然而，将III-V族材料与氮化硅在晶圆尺度上进行集成一直困难重重。此前的演示通常依赖于粘合层或复杂的图形转移工艺，这些方法限制了可扩展性，引入了光学损耗，或者束缚了器件布局的灵活性[18,19]。此外，实现低层间耦合损耗（这对于在非线性、增益和无源组件之间高效路由光信号至关重要）仍然是一个核心障碍。
在此，我们展示了一种**晶圆级III-V-on-SiN量子光子平台**，它通过将III-V族材料的直接键合与代工厂制造的超低损耗氮化硅光子集成电路（PIC）相结合，克服了上述长期存在的挑战。
**图1. 异质III-V-on-SiN平台。**
(a) 我们可扩展的非线性量子光子平台示意图，包括量子纠缠光源、非线性频率转换与产生、可调干涉电路、高效集成光电探测器以及可调低噪声半导体激光器。
(b) III-V族InGaP层和两层SiN层的实测波导传输损耗，以及在1560 nm和780 nm附近测得的III-V族到SiN绝热层间耦合损耗。
(c) 晶圆制造流程：从内部建模、设计、版图，到SiN代工厂制造、后道III-V族集成，以及晶圆级测试。右侧面板展示了平台上不同器件组件的横截面示意图。
图1展示了我们的晶圆级制造与测试流程。我们的平台能够将高非线性元件、增益元件和光电探测元件与超低损耗介质波导无缝集成。我们开发了**绝热层间耦合器**，在1560 nm波长处实现了低于25 mdB的耦合损耗，并且InGaP波导在电信C波段和近红外波段的损耗分别低于1 dB/cm和8 dB/cm。高Q值的InGaP微谐振器、低损耗可调SiN组件，以及集成到SiN平台上的III-V族激光器和光电探测器，共同实现了量子光子学领域此前未达到的性能与功能水平。该架构为大规模、低噪声的量子光子系统提供了一个可扩展的基础，将超高效光源、非线性器件和量子频率转换器集成在同一个晶圆级平台上。
### **III-V族非线性频率产生与SiN上的量子光源**
**图2. 基于SiN的InGaP非线性频率产生与纠缠光源。**
(a) 测试中的InGaP-on-SiN单颗芯片图像，包括（下图）add-drop微谐振器和长达10 cm的螺旋波导。
(b) 针对逃逸效率分别为 ηesc = 0.5、0.9 和 0.95（从左至右）设计的谐振器在1560 nm附近的典型微谐振器透射谱。
(c) 根据1560 nm附近微谐振器透射数据提取的InGaP传输损耗随环形波导宽度的变化关系，显示损耗可低至0.7 dB/cm。
(d) 针对1550 nm TE模式测得的III-V族到SiN绝热跃迁损耗，表明在1560 nm处耦合损耗低于25 mdB。
(e) 不同构型下SiN上二次谐波产生（SHG）效率η与片上SHG泵浦功率最大值的关系，包括薄膜铌酸锂（TFLN）-on-SiN [21]、光致极化SiN [22–24]以及我们的InGaP-on-SiN结果（绿色圆圈）。
(f) SiN上测得的纠缠光子对亮度与纠缠保真度的关系。为便于比较，数据已归一化到10 µW片上泵浦功率。
图2展示了InGaP-on-SiN微芯片及其在非线性频率产生和纠缠光子对光源方面的性能。详细的制造工艺见补充材料。从代工厂接收覆盖二氧化硅（SiO₂）包层的200 mm SiN晶圆后，进行芯层开孔与平坦化处理，在200 nm厚的SiN层和105 nm厚的InGaP层之间留下约50 nm的SiO₂间隔层。通过成熟的工艺[16,20]进行InGaP的直接键合，随后通过PECVD沉积包层并制作金属层以实现热调谐。图2a的上图显示了一个包含数百个“add-drop”谐振腔纠缠光子源芯片的照片，下图则为用于损耗cut-back测量的螺旋波导以及用于自发参量下转换（SPDC）和二次谐波产生（SHG）的谐振器阵列的特写。
图2b展示了三个代表性InGaP谐振器的线性透射谱，这些谐振器采用了不同的波导总线-谐振腔 pulley 耦合器设计，在1560 nm谐振附近分别对应临界耦合（逃逸效率 ηesc = 0.5）、过耦合（ηesc = 0.9）和强过耦合（ηesc = 0.95）。通过对谐振线型进行拟合提取的平均传输损耗：对于1.05 μm宽的谐振器小于2 dB/cm，对于1.50 μm宽的谐振器约为0.65 dB/cm，如图2c所示。类似地，在780 nm波长下，通过cut-back测量得到的波导传输损耗为8 dB/cm。此外，InGaP制造工艺对SiN波导层的传输损耗没有显著影响。关于传输损耗和相位匹配条件的测量与分析见补充材料。
这些InGaP-on-SiN晶圆专为1560 nm附近的高效InGaP-SiN层间耦合而设计。绝热倒锥形耦合器被设计用于在两层之间高效传输C波段基横电（TE）模式。在整个晶圆上进行的cut-back测量表明，在整个C波段内层间耦合损耗低于0.05 dB（透射率98.9%），最低可达0.02 dB（透射率99.5%），如图2d所示。此外，还在相同的InGaP-SiN层上设计了用于耦合780 nm基横磁（TM）模式的绝热倒锥形耦合器，这是实现波导和谐振器中SPDC及SHG过程所需模式相位匹配的前提[16,25]。在780 nm波段，我们展示了约0.5 dB（透射率90%）的耦合器（见补充材料），该性能可通过使用更厚的SiN或更小的倒锥尖端进一步改善。
图2e和2f展示了将InGaP集成到SiN上所实现的关键能力。图2e比较了不同方法（蓝色符号）与本工作InGaP-on-SiN平台（绿色符号）在最高片上SHG功率下的归一化SHG效率。对于波导结构，我们此前已展示高达5000 % W⁻¹的效率、超过61%的绝对转换效率以及超过50 mW的片上功率[14]。本工作中，我们在高Q值的InGaP-on-SiN谐振器中展示了SHG过程：尽管在较低基频泵浦功率下即出现饱和，但双谐振结构使SHG效率超过了35,000 % W⁻¹。据我们所知，这是氮化硅光子学中报道的最高SHG效率。
Add-drop InGaP微谐振器也被设计用于通过SPDC产生纠缠光子对。其中780 nm（1560 nm）的pulley耦合器被设计为临界（过）耦合。我们研究了不同谐振器宽度、波导宽度和谐振器半径的器件，详见补充材料。谐振器在780 nm附近被共振泵浦，产生的光子对在1560 nm附近被耦合出芯片并由超导纳米线单光子探测器测量，以表征纠缠光子对的亮度（片上产生对数 s⁻¹ GHz⁻¹ 带宽）和符合计数与偶然符合计数比（CAR），后者用于估计纠缠保真度。图2f总结了这些测量结果：蓝色符号代表先前在氮化硅或硅基薄膜铌酸锂上进行的纠缠光子对产生研究[21–24]；绿色符号突出展示了本平台的结果——通过InGaP集成，实现了接近10⁸对 s⁻¹ GHz⁻¹（归一化到10 μW泵浦功率）的亮度、超过10⁴的CAR，以及在10⁶对/秒片上产率下99.9%的双光子纠缠保真度。这一亮度比任何原生氮化硅光源高出15倍以上。关于SHG和SPDC器件、实验装置及表征的详细信息见补充材料。
### **低损耗氮化硅上的有源III-V族器件**
缺乏片上光学增益和相干光源仍然是纯无源氮化硅量子光子电路的一个根本性限制。随着电路复杂度增加，依赖外部激光器会引入额外的耦合损耗、增加相位噪声并限制可扩展性。为了克服这些制约，我们将有源III-V族器件异质集成到氮化硅波导上，实现了晶圆级可调谐半导体激光器、半导体光放大器（SOA）以及与无源电路共同集成的监控光电二极管[26, 27]。如图3a所示，该平台的制造流程是：将III-V族外延叠层键合到原本在200 mm CMOS代工厂尺度上制造、随后为后端异质加工而取芯成100 mm的图形化SiN晶圆上。所有有源元件都在键合的III-V族层中定义，并与下层SiN波导进行光耦合，形成一个统一的有源-无源光子平台，适用于大规模量子和经典光子电路。
**图3. 低噪声可调谐集成激光器与干涉仪。**
(a) 集成了III-V族半导体激光器和放大器的制备完成的SiN晶圆，下图展示了一个多通道可调谐半导体放大器芯片。
(b) 展示了1560 nm和780 nm波段的可调谐激光器：未注入锁定时线宽为千赫兹（赫兹）水平，注入锁定时达到赫兹水平；边模抑制比高达50 dB；片外输出功率超过10 mW。
(c) 集成的马赫-曾德尔干涉仪：插入损耗低于6 mdB，消光比超过40 dB，在100 kHz至10 MHz范围内积分的干涉相位噪声（无锁定时）低于0.4 mrad。
作为示例，图3a中的光子集成电路包含一个种子激光器，其输出分发给七个共集成的半导体光放大器（SOA），每个SOA都配有监控光电二极管。这种片上增益集成使得在复杂光子电路中实现可扩展的功率分配和动态信号管理成为可能，同时保留了底层SiN平台的低损耗和相位稳定特性。
工作在1560 nm和780 nm的可调谐半导体激光器是基于扩展激光腔内嵌入的波长选择SiN游标环谐振器滤波器实现的。两个自由光谱范围略有失谐的微环谐振器构成一个紧凑的热可调谐滤波反射镜，当与III-V族增益区结合时，可实现单模工作，其架构基于本平台先前演示的设计[26]。采用这种方法，我们演示了在1560 nm波段调谐范围超过60 nm、在780 nm波段超过25 nm的宽可调谐激光器，并且在全部调谐范围内保持大于40 dB的边模抑制比（图3b）。两个波段都使用III-V族直接发射：1560 nm采用InP基外延，780 nm采用GaAs基外延，从而在同一异质光子框架内灵活地覆盖电信波段和可见光/近可见光谱区。
低损耗SiN腔和滤波器结构使激光器能够根据不同的系统需求实现多级相干性。采用紧凑型游标滤波器且自由运转的可调谐激光器，受益于SiN波导提供的长有效腔长和低光学损耗，其本征线宽在千赫兹量级。对于需要超高相干性的应用，通过自注入锁定到多层SiN架构中实现的超高Q值SiN谐振器，激光器的频率噪声被进一步抑制，达到了赫兹水平的线宽，图3b中的频率噪声测量结果证明了这一点。
除了有源光源，我们还实现了集成在同一平台上的SiN马赫-曾德尔干涉仪（MZI）（图3c）。这些MZI采用平衡臂长和为1560 nm处50:50分光设计的对称定向耦合器，集成的微加热器提供了精确的热光相位调谐。由于SiN波导的超低传输损耗和精心的耦合器优化，实现了器件级插入损耗低于10 mdB、消光比超过40 dB（受测量限制）。在无主动锁定的情况下进行的干涉相位稳定性测量显示，均方根相位噪声θRMS < 0.4 mrad（在100 kHz至10 MHz范围内积分），这相当于在测量期间围绕干涉条纹半腰波动产生的共模抑制比（CMRR）上界为-62 dB。这些MZI与集成的低噪声激光器一起，为需要精确相位控制、相干路由和稳定干涉操作的可扩展光子系统提供了基本构建模块。
### **高效低噪声光电探测器集成**
高效率的片上光电探测是可扩展量子光系统的关键要求[28–30]，其中光电探测效率对于需要零差探测的量子应用尤为重要，包括压缩光传感[31]、用于量子计算的连续变量团簇态[32, 33]以及连续变量量子通信[34, 35]。为满足这一需求，我们优化了InP-on-SiN光电探测器的设计，使其在1550 nm处实现接近单位量子效率，并采用与有源激光器平台相同的异质III-V/SiN集成工艺制造。
图4. 高量子效率与低噪声光电探测器。
(a) 制备完成的InP-on-SiN光电探测器晶圆图像。
(b) 封装后的光电探测器芯片，带有低噪声跨阻放大器。
(c) 在1550 nm波长、1 mW片上光泵浦功率下的电子噪声清除曲线，以及封装后探测器和放大器的3-dB带宽。
(d-f) 不同光电探测器构型的暗电流、光电流及校准后的量子效率。圆形多次反射设计测得的量子效率超过99%。
光电二极管类型1-2：单次反射参考设计；类型3-6：线性多次反射设计；类型7-9：圆形多次反射设计。绿色和蓝色数据点分别代表来自同一晶圆上两颗不同芯片、标称相同的光电二极管的测量结果。
如图4a所示，该晶圆包含大量集成在SiN波导上的光电二极管，从而能够系统地探索不同的探测器几何结构。该平台的目标是电信波段探测，这是本工作中演示的量子架构的核心——纠缠光子产生和路由都在1550 nm处进行。同样的设计概念可以通过使用适当的III-V族吸收材料直接扩展到更短的波长，包括775 nm。
该平台的一个关键特征是光电探测器的耦合和吸收策略，它建立在为此异质系统开发的独特III-V/SiN模式转移方法之上。在SiN波导中传播的光首先倏逝地耦合到一个中间介质波导，然后通过对接耦合进入III-V族吸收区。与传统波导集成光电二极管不同，一旦光进入吸收区，它不再被限制在导模中，而是在III-V材料内以准自由空间方式传播。这使得光电探测器设计能够抑制III-V界面处的光子损失，并有意识地利用吸收区内的多次反射来提高吸收概率。图4d–f总结了本工作中探索的三类光电探测器几何结构。类型1–2作为单次反射参考设计，其中中间波导相对于吸收体界面倾斜，以抑制向SiN波导的背向反射，但代价是与III-V界面处的回波损耗相关的固有光子损失。类型3–6实现线性多次反射几何结构，通过设计吸收体侧壁的形状使入射光在几次反射内被限制，仅需少量往返即可实现接近单位的吸收，但需要权衡衍射引起的光束展宽。类型7–9采用圆形多次反射几何结构，将光限制在一个紧凑、旋转对称的吸收区内，有效地形成了一个集成模拟光学积分球探测器。这种几何结构使光子能在吸收区内经历多次反射，从而在保持紧凑占位面积的同时显著提高吸收概率。在这些设计中，圆形多次反射光电二极管实现了最高的吸收效率，并构成本文报道的接近单位量子效率的基础。
光电探测器的电学和光学表征显示出适用于低噪声量子读出的性能。在-3 V反向偏压下测量的暗电流在所有光电二极管几何结构中均始终低于纳安级，且没有统计上显著的探测器设计依赖性，表明多次反射吸收策略未引入额外的漏电流。光电流测量使用校准的片上参考光电二极管进行，以实现不同器件几何结构之间的相对比较，然后进行绝对响应度校准。对于圆形多次反射光电二极管设计，我们测得的最大量子效率为99+1−12%（有界）。不确定度主要来自透镜光纤到波导耦合率的相对标准误差（11%）和用于校准注入光功率的功率计响应度（5%）（见补充信息）。
我们构建了一个集成的平衡零差探测器，采用差分平衡对的圆形多次反射光电二极管和一个采用90 nm SiGe工艺制成的定制低噪声跨阻放大器（TIA），如图4b所示。该TIA采用并联反馈拓扑，跨阻增益为5.9 kΩ，并包含一个集成的双工器，用于分离缓冲后的压缩光探测信号和MZI角度控制信号。将双工器置于跨阻级之后可防止其附加噪声被放大，从而提高低频和高频输出的信噪比。
该共封装光接收器的3-dB带宽测得为510 MHz，在此带宽内最小等效输入参考电流噪声为1.9 pA/√Hz，如图4c所示。散粒噪声清除测量在高达7 mA的光电流下进行，在10 MHz至超过1 GHz的频率范围内观察到大于30 dB的散粒噪声清除。该光接收器在10 MHz处测得的最高CMRR为50.4 dB，未使用任何主动平衡技术（见补充信息）。这些结果展示了一个极低噪声的光接收器，有潜力在宽频率范围内探测高达30 dB的压缩比。综合来看，这些结果建立了一个异质InP-on-SiN光电探测器平台，该平台将接近单位的片上量子效率与低暗电流相结合，为高效、低噪声的量子光子读出提供了关键使能组件。
### **讨论与未来集成**
将所有必要的光子和电子元件完全异质集成到单个芯片上，是实现紧凑型量子光子系统（例如片上压缩光的产生与探测）的核心目标。
**图5. 全集成量子光子收发器的概念。**
(a) 用于压缩光产生、高效片外传输与收集以及片上探测的共封装光子-电子器件示意图。基础平台包括SiN波导、滤波器和可调干涉仪，并集成了InGaP倍频与压缩级以及InP增益与平衡光电探测。
(b) 仅考虑激光器噪声、探测路径噪声和损耗时的最大可测量压缩量。左图：最大可测量压缩量随接近光学参量振荡阈值的变化关系，以波导内泵浦功率与阈值功率之比表示。实线边界对应光电二极管量子效率（QE）为85%-99%，虚线对应95%。该模型包含了光电探测器暗噪声、激光器频率噪声以及本地振荡器（LO）相对强度噪声（RIN），CMRR = -62 dB。右图：假设接近阈值的比例为0.99，最大可测量压缩量随LO相对强度噪声（RIN）的变化关系。
图5a展示了这一愿景：集成的III-V族激光器提供低噪声的泵浦光和本地振荡光场，这些光场通过超低损耗的SiN电路路由，驱动基于InGaP的SHG和OPO级以实现片上压缩。可调干涉仪和开关支持可重构的路由与输入/输出，而集成的InP光电探测器和平衡零差接收器则提供高效、低噪声的测量。与邻近电子器件的共集成进一步降低了寄生效应和界面损耗，将这些功能统一到一个紧凑、相位稳定且可制造的量子光子收发器架构中。
本工作中进行的器件级测量使我们能够为全集成系统可测量的压缩量设定界限。仅就探测路径而言，我们考虑了四个主要的退化效应：(i) 集成光电二极管的量子效率，(ii) 集成平衡光接收器的暗噪声，(iii) 本地振荡器的相对强度噪声（RIN），以及 (iv) 激光器频率噪声。我们假设本地振荡器功率为1 mW，并将所有噪声谱归一化到这一相对散粒噪声水平（见补充信息）。图5b展示了在假设本地振荡器RIN为 -150 dB/Hz 的情况下，最大可测量压缩量随接近阈值程度的变化关系。在该RIN水平下，由于集成MZI具有高共模抑制比（CMRR），退化效应可忽略不计。随后，我们固定接近阈值的程度，并观察更高RIN的影响：只有当RIN水平大于 -120 dB/Hz（比本工作中测量的激光器的RIN差30 dB）时，才会出现显著的退化。
相位噪声通过将反压缩正交分量部分投影到压缩正交分量上，从而降低测得的压缩水平[36]。由于光程差的存在，激光器的频率噪声可以耦合为相位噪声。对于本文所展示的可调谐半导体激光器所能实现的线宽，结合在集成电路中精确匹配光程长度的能力，相应的均方根相位噪声贡献可以估计在微弧度量级或以下，由此产生的压缩退化可忽略不计。我们的结论是：探测系统的限制性退化机制很可能是光电二极管的量子效率。
展望未来，本文所展示的平台为全面集成的大规模量子光子系统描绘了一条清晰的路线图。在这样的系统中，光源、非线性处理器、路由网络和探测器将与控制电子器件无缝结合在同一个晶圆上。层间耦合、损耗降低以及光子-电子子系统协同设计方面的持续进步，将实现更高水平的电路复杂度、更优的噪声性能以及更丰富的功能，包括多路复用量子态产生、自适应测量和实时反馈。除了非线性产生和压缩之外，该架构还可扩展以支持不同量子系统之间的频率转换、与新兴材料的混合集成，以及在实际可部署的量子传感和通信系统中的应用。通过弥合高性能分立器件与可扩展制造之间的差距，异质III-V-on-SiN光子学为实现实用、低噪声且完全集成的量子光子技术提供了一个极具吸引力的基础。
文章名：A Wafer-Scale Heterogeneous III-V-on-Silicon Nitride Quantum Photonic Platform
作者：Lillian Thiel,1 Boqiang Shen,2 Jasper R. Venneberg,3 Melissa A. Guidry,3 Nic Arnaud,4 Adam Slater,4 Lucas Wang,5 Xuefeng Li,1 Josh Castro,1 Yiming Pang,1 Max Meunier,1 Sahil D. Patel,1 Yang Shen,2 Theodore Morin,2 Igor Kudelin,2 Bowen Song,2 Kaustubh Asawa,2 John E. Bowers,1, 6 Kerry Vahala,7 Nergis Mavalvala,3 Xinghui Yin,3 Steven Bowers,4 Minh A. Tran,2 Tin Komljenovic,2 and Galan Moody1, ∗
单位：Electrical and Computer Engineering Department, University of California, Santa Barbara, CA, USA 2Nexus Photonics Inc., Goleta, CA 93117, USA 3LIGO, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, USA 4Department of Electrical and Computer Engineering, University of Virginia, Charlottesville, VA, USA 5Physics Department, University of California, Santa Barbara, CA, USA 6Materials Department, University of California, Santa Barbara, CA, USA 7T.J. Watson Laboratory of Applied Physics, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA
