专业高效
微纳加工公司

#氮化硅光波导 #光子集成线路 #光量子器件 #氮化铝压电器件 #氮化铝光波导

摘要

高保真控制，是实用规模量子计算机面临的重大挑战。在主流的原子体系中，量子逻辑门操作依赖光学控制，需要将紫外至近红外（UV–NIR）光束分配至众多空间通道并进行高速调制。光子集成电路（PICs）作为一种潜在的可扩展解决方案，必须同时满足高速、高消光比调制、强通道隔离以及宽波长兼容性等多重性能要求。

本研究提出并实验证明了一种由代工工艺制造的PIC平台，有效突破了上述限制。该平台专为基于铷-87中性原子的量子计算机设计，在200毫米晶圆工艺上制备的8通道PIC展现出优异的综合性能。在795 nm单比特逻辑门工作波长下，器件实现了71.4 ± 1.1 dB的平均消光比（ER），芯片内最近邻串扰达到**-68.0 ± 1.0 dB**，经自由空间并行光束传输后仍保持在**-50.8 ± 0.2 dB**。在用于双比特Rydberg门的420 nm与1013 nm波长下，器件分别展现出42.4 dB（受探测器灵敏度限制）和61.5 dB的消光比。此外，器件表现出26 ± 7 ns的10–90%上升时间，能够在微秒量级内实现动态切换至-60 dB水平，并在脉冲稳定性上达到了10⁻³量级的误差控制。综上所述，本工作建立了一种可扩展的集成光子学平台，为容错量子计算机及其他精密技术的发展提供了先进的大规模光学控制能力。

#0：10mm-10mmsto衬底-bto薄膜（300nm厚度可定制）

#1：sto外延片

2寸 外延 sto 2-20nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)

#2：a向 bto外延片

2寸 外延 a-向 bto（300nm或者500nm，或者定制）-sto 8nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)

#3:C向 bto外延片

2寸 外延 c-向 bto（150nm或者300nm，或者定制）-sto 8nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)

#离子注入铒代工

#6寸DUV步进式光刻代工，最小线宽180nm，超高性价比，可以只曝光

#快速氮化硅硅光铌酸锂流片 #高性价比 #低成本

#提供8寸 8umSiO2热氧片，6寸15um热氧片 10um热氧片 8寸10um热氧片

室温低损伤@GCIB抛光代工@束斑小（4-5mm）更均匀

#降低硬质材料化合物晶圆等绝大多数材料的表面粗糙度，比如金刚石 ，磷化铟，砷化镓，碳化硅

#提高复合衬底和镀膜膜层的器件层膜厚均匀性，

比如SOI LNOI  LTOI SICOI 等 SMARTCUT得到的薄膜 

或者镀膜所得到的膜层 ，比如镀了一层氮化硅，但是由于是cvd镀膜所得到的，表面的膜厚精度很差，粗糙度很差，可以通过粗糙度初步降低粗糙度，然后通过GCIB团簇离子束抛光来修整整面的膜厚均匀性 到0.5%以下举例：

未经过Trimming 工艺的 6寸LN/LTOI晶圆 数据：

Range:100-200A

经过Trimming 工艺的 6寸LN/LTOI晶圆 数据：

Range:60A以内

ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺

TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，镀膜工艺

SINOI晶圆--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，210nm-300nm-400nm-800nm

SICOI晶圆；新型量子光学平台500nm-700nm-1um

8寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶300600

8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产

LN/LT-SOI/Si/SIN  W2W&D2W异质集成

流片： 6寸 氮化硅 铌酸锂 硅光 超高性价比流片， 1个BLOCK的价格买一整片晶圆

划重点--全国产-超高性价比-6 寸硅光-氮化硅-铌酸锂流片白皮书

我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。

请联系小编免费获取原文

文章名：An integrated photonics platform for high-speed, ultrahigh-extinction, many-channelquantum control

作者：Mengdi Zhao,1, ∗ Manuj Singh,1, ∗ Anshuman Singh,1, ∗ Henry Thoreen,1, ∗ Robert J. DeAngelo,1 Daniel Dominguez,2 Andrew Leenheer,2 Frédéric Peyskens,1 Alexander Lukin,1 Dirk Englund,3 Matt Eichenfield,2, 4 Nathan Gemelke,1 and Noel H. Wan1, †

单位：1QuEra Computing Inc, Boston, MA, 02135, USA 2Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM, 87185, USA 3Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 02139, USA 4Wyant College of Optical Sciences, University of Arizona, Tuscon, AZ, 85721, USA

I. 引言

发展能够解决经典计算难以处理问题的量子信息处理器，是当今科学与工程领域的核心目标之一 [1–3]。这一追求推动了多种物理平台的显著进步，其中系统规模和逻辑门保真度的快速提升，正在使实验性的量子纠错 [4–7] 以及更广泛的量子应用 [8–10] 得以实现。

在主要的物理平台中，原子体系因其在实现大量量子比特、密集互联以及大规模并行计算方面的天然优势，而展现出在大规模量子计算上的巨大潜力 [7, 11–17]。对这些体系的控制本质上是光学的：从冷却与囚禁，到高保真量子逻辑门的执行，均需要精确整形与调制的激光脉冲阵列 [18–20]。然而，随着这些体系不断迈向容错量子计算，对成千上万乃至上百万个激光模式与量子比特进行控制的需求，已成为一个关键瓶颈 [21, 22]。当前依赖离散光电元件组装的范式，在这一规模下难以为继，其复杂性和在集成与稳定化方面的权衡都构成了不可承受的挑战 [23, 24]。

利用可扩展半导体工艺制备的光子集成电路（PICs）[23, 25–33]，为应对这一控制难题提供了极具吸引力的解决方案。然而，量子控制对其性能的要求极为严苛 [34–36]，这些要求直接源自容错量子计算的需求。首先，一个可行的平台必须能在宽光谱范围内（如紫外、可见光、近红外）高效运行，以驱动量子比特控制所需的多种跃迁 [37–39]。其次，开关速度必须达到微秒以下，以确保逻辑门操作远快于量子比特的退相干时间。更为关键的是，光学调制器的开/关消光比（ER）必须足够高。因为关闭通道的光泄漏仍可能作用于空闲量子比特，引发不必要的旋转，从而导致逻辑门误差，该误差随泄漏光场或强度而增加 [28]。要将逻辑门的不保真度压低至量子纠错阈值以下（通常为 <10⁻³ [40, 41]），就必须将每个逻辑门的光子误差抑制到 <10⁻⁴ 的水平或更低 [2]，这要求消光比超过 50–60 dB，而这一指标对集成器件而言极具挑战性。在本文中，我们提出并展示了一种满足这些高保真量子控制要求的集成光子平台。我们的系统基于一种在 200 毫米晶圆工艺上制备的集成光子架构（见图1），能够实现多通道光学调制，并达到当前最先进的性能。我们对这些 PIC 在 铷-87 中性原子量子计算机的关键工作波长下进行了系统表征：包括用于单比特 D1 跃迁的 795 nm，以及用于双比特 Rydberg 门的 420 nm 与 1013 nm。我们报告了据我们所知迄今为止创纪录的高消光比，以及纳秒级开关、高动态对比度、低片上串扰和高稳定性脉冲生成。

图1 | 基于集成光子的可扩展高保真原子量子控制架构。
a， 已完成加工的 200 mm 晶圆，用于实现对原子量子比特阵列的精确光学寻址。中央的光学显微图展示了光子集成电路（PIC）中的单个多通道原子控制器，该器件能够将电子波形转换为精确的光脉冲列，从而实现并行的、逐个量子比特的寻址。

b， 作为核心功能单元，每个可编程马赫-曾德干涉仪（MZI）开关都集成了相位调制器（PS），用于静态偏置调节和高速调制（MOD）。

c， 假彩色扫描电子显微镜图像展示了底层的压电-光机械技术：其由集成的氮化铝（AlN）执行器与机械耦合的氮化硅（SiN）波导组成，用于实现高带宽的相位调制。

图2 | 跨越蓝光至近红外的多通道超高消光比。
展示了马赫-曾德干涉仪（MZI）调制器的透射特性。图中绘制了归一化透射率随电压变化的曲线，其中电压以半波电压 Vπ 为归一化单位。虚线表示测量噪声基线。

a， 在接近 ⁸⁷Rb D1 跃迁波长 795 nm 下，单个 PIC 的 8 个通道的消光比（ER）测量结果。
b, c， 在其他关键原子跃迁波长下的高对比度调制演示，分别在 1013 nm 和 420 nm 下测得（受限于噪声基线）。

II. 架构与器件设计

该控制系统通过在 CMOS 兼容的压电-光机械光子学平台 [42] 上制造的多通道调制器阵列实现。我们采用 氮化硅 (SiN) 作为波导核心材料，利用其宽透光窗口，确保在 420 nm（蓝光）至 1013 nm（近红外） 波段范围内的低损耗运行。

如图 1b–c 所示，相位调制由 集成的氮化铝 (AlN) 压电执行器 [43, 44] 驱动，这些执行器与 SiN 波导机械耦合，从而实现高效的高速调制操作。为了达到所需的超高消光比，每个通道采用了级联 马赫–曾德干涉仪 (MZI) 架构，以抑制光学泄漏。

单片芯片集成了这些高性能调制器阵列，以及用于光路传输与耦合的无源光子网络（见图 1a）。更多关于晶圆制造工艺与芯片设计的细节可参见补充信息。

图3｜高速调制与时间稳定性。
MZI 调制器在高速电驱动信号下的动态响应。

a， 在 420 nm、795 nm 和 1013 nm 下的光学响应，显示出 10–90% 上升时间为 26 ± 7 ns。
b， 在关断后的动态消光随时间变化曲线，对比平滑驱动（灰色）与优化驱动（红色）的效果。
c， 连续 1000 个光脉冲的归一化脉冲面积（左），以及对应的脉冲面积分布直方图（右）。
d， 在 500 秒测量时间内获得的脉冲面积标准偏差。

图4｜片上光学串扰。
在三种不同工作条件下，主通道与其相邻通道之间的串扰特性表征。

a， 器件级串扰：一个处于光学激活（ON）状态的通道邻近一个处于关闭（OFF）状态的光学调制器时，分别展示最近邻（NN）与次近邻（NNN）串扰。
b， 串扰矩阵：一个处于光学激活（ON）状态的通道邻近一个处于光学未激活但保持在 ON 状态的调制器时的情况。
c， 两个通道均处于光学激活状态，其中主通道为 ON 状态，邻近通道为 OFF 状态。

图5｜自由空间中的系统级串扰。
自由空间传输系统在目标平面上的光束空间强度分布。所有强度均归一化为峰值，位置则以 1/e² 光斑直径 d₀ 为归一化单位。

a， 8 通道光束阵列的截面图。
b–d， 对阵列中部分通道进行选择性寻址时的强度分布，分别对应 4 个（b）、2 个（c）以及单个（d） 激活通道的情况。

III. 结果

高静态消光比对于最小化由寄生光引起的逻辑门误差至关重要。我们通过测量光学透射率随外加电压的变化，表征了 MZI 调制器的性能。图2a 展示了单个 PIC 在 795 nm 下运行时所有 8 个通道的归一化透射率。每个通道的消光比（ER）均超过 70 dB，平均值为 71.4 ± 1.1 dB，超越了已报道的集成光子调制器性能。这一高对比度表现是在单端半波电压 Vπ = 74.7 ± 3.7 V 下实现的。我们进一步验证了该平台在多波长下的关键能力：在 1013 nm 下测得的 ER 为 61.5 dB（图2b，Vπ = 200 V）；在 420 nm 下实现的 ER 为 42.4 dB（图2c，Vπ = 44.4 V），其数值受限于探测系统的噪声基线。

高保真量子操作不仅要求高静态对比度，还需要快速、稳定且高对比度的动态开关。我们首先表征了压电–光机械执行器的固有速度。如图3a所示，在 420 nm、795 nm 和 1013 nm 下测试的器件展现出 10–90% 上升时间为 26 ± 7 ns。实现高动态消光需要对驱动信号进行精确控制。我们发现，简单的驱动脉冲会限制动态消光比，而通过预畸变优化的驱动波形能够补偿系统的脉冲响应，有效抑制光学瞬态，在关断后 1 微秒内将动态消光抑制至低于 10⁻⁶（见图3b）。所得到的光脉冲稳定性对于一致性的逻辑门操作至关重要。对连续 1000 个脉冲的分析表明，其归一化脉冲面积的标准偏差仅为 0.1%（图3c）。在长时间运行中，该稳定性依然保持良好，500 秒连续运行测得的平均标准偏差为 0.13%（图3d）。

在可扩展体系结构中，实现高通道间光学隔离对于避免寻址错误至关重要。我们通过测量不同工作条件下相邻调制器之间的功率泄漏，定量表征了片上传输的光学串扰。图4a 展示了光学激活的 ON 通道与邻近 OFF 通道之间的串扰矩阵，在此构型下考虑了所有可能的泄漏机制：最近邻（NN）串扰为 -76.2 ± 2.4 dB，次近邻（NNN）串扰低于 -80 dB 的测量基线。图4b 展示了最不利情况，即邻近调制器也处于 ON 状态，此时 NN 串扰升高至 -45.3 ± 1.7 dB。在另一种具有实际相关性的构型中，即主通道与邻近通道均处于光学激活状态，但分别为 ON 和 OFF 时，我们测得的 NN 串扰平均值为 -68.0 ± 1.0 dB（见图4）。

除了片上泄漏之外，系统级串扰还由输出光束在自由空间传播并投射至量子比特阵列所决定。我们通过成像 PIC 输出光束经光束传输系统后的结果，对该系统级串扰进行了表征。图5a 展示了在目标平面形成的 8 通道高斯光束阵列 的空间强度分布，通道间距为 4.33 d₀（其中 d₀ 为 1/e² 光斑直径）。通过选择性激活部分通道，我们发现，在最近邻空闲量子比特位置上的主要泄漏源来自倏逝耦合，水平为 -50.8 ± 0.16 dB（图5b）；而对次近邻通道的泄漏则低于 -65 dB 的测量噪声基线。

最后，长期运行稳定性与高功率承受能力对于实际应用至关重要。在 795 nm 下，器件表现出强健的性能，即便在总输入功率超过 1 W（约每通道 100 mW）的条件下连续运行数月，也未观察到退化或不稳定性。为抵消缓慢的热漂移，我们实现了 5 Hz 的反馈回路，主动稳定调制器的偏置点。该系统在 20 小时 的运行中成功地将消光比稳定锁定在 69.8 ± 3.0 dB（详见补充信息）。在 420 nm 下，当输入功率超过 10 mW 时，我们观察到缓慢的功率波动，提示存在功率相关的不稳定性。对这种短波长不稳定性的起因与抑制方法的进一步研究，将是未来的工作方向。

IV. 讨论

本研究所展示的成果标志着集成光学与量子控制技术的重大进展，建立了一个能够满足高保真量子计算需求的平台。所实现的一系列先进性能指标，为在主流量子计算硬件架构中扩展独立光通道数量提供了直接路径。此外，将这些 PIC 模块应用于量子计算测试平台，将使得逻辑门保真度的基准测试成为可能，并能够基于扩展的自由度执行量子算法。

在此基础上，若干关键的优化方向有望进一步提升性能与可扩展性。首先，要探测器件在蓝光–紫外波段运行时的内在极限（目前受制于测量噪声基线），需要对更低损耗的器件进行表征。在本工作中所报道的芯片中，我们测得的插入损耗为 每个调制器 3 dB；单模传输损耗分别为 795 nm：1.5 dB/cm，1013 nm：2.7 dB/cm，420 nm：5.6 dB/cm；芯片输入–输出耦合损耗范围为 -3 至 -10 dB。尽管原子量子计算对超低损耗光子学的要求并不苛刻，但降低总体损耗能够减少激光功率开销，从而有效提升通道数量。未来工作将针对这些损耗机制开展优化，包括改进器件设计与耦合方案，而新材料的集成也为短波长优化提供了另一条有前景的途径 [45, 46]。

最后，未来的设计迭代将探索差分驱动配置与更高效的相位调制器结构，以降低所需电压，从而简化驱动需求，并推动高密度集成的发展 [47, 48]。

综上所述，我们开发并严格表征了一种能够在关键原子跃迁波长下实现多通道操作的光子控制系统。通过实现高速开关、创纪录的消光比、优异的通道隔离性与高脉冲稳定性，我们建立了一种可扩展操纵量子系统的集成光子技术。本研究为构建容错量子计算机所需的复杂光学控制系统提供了基础性架构，并为精密计量学、光学显示以及生物光子学等前沿应用开辟了新的可能性。