光子硅研究进展论文

导读

背景

光子学（photonics）是研究作为信息和能量载体的光子的行为及其应用的学科。光子学及其发展的相关技术即光子技术，具有丰富的内涵和广阔的应用前景。如果你使用智能手机、笔记本电脑、平板电脑，那么就有望从光子学的研究中获益。

创新

近日，美国特拉华大学电气与计算机工程系助理教授 Tingyi Gu 领导的一支团队正在开发光子器件方面的前沿技术，该技术可以使得器件之间以及使用者之间的通信速度更快。

最近，该研究小组设计出一种“硅-石墨烯”器件，它能以亚太赫兹的带宽，在一皮秒之内发射无线电波。这样不仅可携带更多信息，而且速度也更快。他们的研究近期发表在《美国化学会应用电子材料（ACS Applied Electronic Materials）》期刊上。

论文第一作者、研究生 Dun Mao 表示：“在这项研究中，我们仔细研究了用于未来光电子应用的集成石墨烯的硅光子器件的带宽限制。”

技术

硅是大自然产生的一种非常富足的材料，通常作为电子器件中的半导体使用。然而，研究人员们已经耗尽了仅由硅制成的半导体器件的潜能。这些设备受制于硅的载流子迁移率（电荷通过材料的速度）以及间接带隙（限制了释放和吸收光线的能力）。

现在，Gu 的团队将硅与一种具有更多有益特性的材料（二维材料石墨烯）相结合。二维材料以只有一层原子而得名。与硅相比，石墨烯具有更好的载流子迁移率以及直接带隙，使得电子传输得更快，并且电气和光学特性更好。通过将硅与石墨烯相结合，科学家们将可以继续利用已经在硅器件中使用的技术，硅与石墨烯的结合使运行速度变得更快。博士生 Thomas Kananen 表示：“通过研究材料的特性，我们能否比现在做更多的事情？这就是我们想要搞清楚的。”

为了将硅与石墨烯相结合，团队采用了一种他们正在开发的方法。一篇发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文描述了这种方法。团队将石墨烯放置到一个特殊的地方，即所谓的“p-i-n结”。它是材料之间的一种接口。通过将石墨烯放置在“p-i-n 结”上，团队以一种可以提升响应率和器件速度的方法优化了这个结构。

这个方法很健壮，而且便于其他研究人员采用。这一工艺产生在12英寸的超薄材料晶圆上，并利用了小于一毫米的元件。某些元件是在商业制造厂生产。其他的工作在特拉华大学的纳米制造设施进行，材料科学与工程系副教授 Matt Doty 是该设施的主任。

Doty 表示：“特拉华大学纳米制造设施（UNDF）是一个员工支持的工厂，它使用户可在7纳米的长度级别制造设备，约为人类发丝直径的万分之一。UNDF成立于2016年，为从光电子学到生物医学再到植物科学的一系列领域带来了新的研究方向。”

价值

硅与石墨烯结合之后，可作为光电探测器使用，可以感知光线，并制造电流，并且比现有方案的带宽更大和响应时间更少。所有这些研究意味着未来将带来更便宜、更快速的无线设备。博士后研究员、发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文第一作者 Tiantian Li 表示：“它可以使得网络更强、更好、更便宜。这是光子学的关键点。”

现在，团队正在思考拓展这种材料的应用途径。Gu 表示：“我们正在寻找更多的基于类似结构的元件。”

关键字

参考资料

【1】

【2】Dun Mao, Thomas Kananen, Tiantian Li, Anishkumar Soman, Jeffrey Sinsky, Nicholas Petrone, James Hone, Po Dong, Tingyi Gu. Bandwidth Limitation of Directly Contacted Graphene–Silicon Optoelectronics. ACS Applied Electronic Materials, 2019; 1 (2): 172 DOI:

采用超导硅片作为不可信的中继服务器，实现安全的量子通信。利用波导集成超导单光子探测器(中间有发夹形状的红色导线)特有的低死区时间特性，实现了最佳时bin编码贝尔态测量(四个光子之间呈蓝色和灰色波状曲线，用红球表示)。这反过来又提高了量子通信的安全密钥率。资料来源:南京大学 集成量子光子学(IQP)是实现可扩展的、实用的量子信息处理的一个很有前途的平台。到目前为止，IQP的大多数演示都集中在提高基于体积和光纤元件的传统平台实验的稳定性、质量和复杂性上。一个更苛刻的问题是:“在IQP中是否存在传统技术无法实现的实验?” 这个问题得到了由南京大学的马晓松、张拉宝和中山大学的蔡新伦共同领导的团队的肯定回答。据《Advanced Photonics》报道，该团队使用基于硅光子学的芯片和超导纳米线单光子探测器(SNSPD)实现了量子通信。该芯片的优异性能使他们能够实现最佳时bin Bell态测量，并显著提高量子通信中的密钥率。 单光子探测器是量子密钥分配(QKD)的关键元件，是实现实用和可扩展量子网络的光子芯片集成的理想器件。通过利用光波导集成SNSPD独特的高速特性，单光子探测的死区时间比传统的正入射SNSPD减少了一个数量级以上。这使得该团队能够解决量子光学中一个长期存在的挑战:时间bin编码量子位元的最佳贝尔态测量。 (a)实验装置示意图。MDI-QKD的服务器使用超导硅光子芯片进行最佳贝尔态测量，该芯片允许Alice和Bob在不受探测器侧通道攻击的情况下交换安全密钥。(b)当Alice和Bob发送相同的状态(蓝点)或不同的状态(红点)时，重合中的破坏性和建设性干涉计数。(c)不同损失下的安全关键利率。资料来源:郑等，doi: 。 这一进展不仅对量子光学的基础研究具有重要意义，而且对量子通信的应用也具有重要意义。该团队利用非均匀集成的超导硅光子平台的独特优势，实现了测量设备无关的量子密钥分配服务器(MDI-QKD)。这有效地消除了所有可能的检测器侧通道攻击，从而大大提高了量子密码的安全性。结合时间复用技术，该方法获得了一个数量级的MDI-QKD密钥速率的增加。 通过利用这种异构集成系统的优势，该团队在125mhz时钟速率下获得了高安全密钥率，这可以与目前最先进的MDI-QKD在GHz时钟速率下的实验结果相媲美。“与GHz时钟速率MDI-QKD实验相比，我们的系统不需要复杂的注入锁定技术，这大大降低了发射机的复杂性，”马博士团队的博士生郑晓东说，他是《先进光子学》论文的第一作者。 “这项工作表明，集成量子光子芯片不仅提供了一条小型化的道路，而且与传统平台相比，还显著提高了系统性能。结合集成的QKD发射器，一个完全基于芯片的、可扩展的、高关键速率的城域量子网络应该在不久的将来实现。”马说。