單光子探測對于量子信息處理、光譜學(xué)和激光雷達(dá)（LiDAR）在內(nèi)的各類弱光應(yīng)用非常重要。這些應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是將單光子探測能力集成到光子回路中，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光子微系統(tǒng)。使用硅（Si）作為光電探測器的短波長（λ < 1.1 μm）集成光子平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)在室溫或接近室溫下工作的單光子雪崩二極管（SPAD）提供了機(jī)會(huì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由加拿大多倫多大學(xué)（University of Toronto）、德國馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所（Max Planck Institute of Microstructure Physics）和新加坡Advanced Micro Foundry（AMF）組成的科研團(tuán)隊(duì)在npj Nanophotonics期刊上發(fā)表了以“Room-temperature waveguide-coupled silicon single-photon avalanche diodes”為主題的文章。該論文的第一作者為多倫多大學(xué)Alperen Govdeli，通訊作者為多倫多大學(xué)的Alperen Govdeli和Joyce K. S. Poon。

這項(xiàng)研究報(bào)道了首個(gè)波導(dǎo)耦合的硅SPAD。該器件適用于可見光（VIS）探測。該器件單片集成在一個(gè)具有各種光子組件的硅光子平臺(tái)中，例如低損耗可見光光波導(dǎo)、邊緣耦合器、熱光移相器和電熱致動(dòng)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）懸臂梁光束掃描儀。研究人員對該器件在室溫下的光子探測效率（PDE）和暗計(jì)數(shù)率（DCR）進(jìn)行了表征。這項(xiàng)研究工作為將單光子探測器集成到接近室溫的大規(guī)模集成光路中開辟了道路。

圖1a展示了波導(dǎo)耦合硅SPAD的橫截面示意圖。該結(jié)構(gòu)由氮化硅（SiN）波導(dǎo)下帶有PN結(jié)的硅臺(tái)面（Si mesa）組成。SiN波導(dǎo)中的入射光倏逝地耦合到Si mesa上。研究人員將路由SiN波導(dǎo)設(shè)計(jì)為厚度150 nm、寬度500 nm。絕熱錐形邊緣耦合器被用于促進(jìn)光纖到芯片的耦合。SiN寬度從晶面上的5.2 μm減小到芯片中波導(dǎo)的標(biāo)稱寬度（Wgw）500 nm。圖1b和圖1d為SPAD的俯視光學(xué)顯微圖和原理圖。

圖1 波導(dǎo)耦合可見光SPAD

為了表征波導(dǎo)SPAD的單光子探測特性，研究人員使用了如圖2所示的裝置。超連續(xù)激光源（NKT Photonics SuperK Fianium）輸出的λ = 488 nm或532 nm的光經(jīng)過濾波，其光譜帶寬小于2.5 nm。然后光被中性密度濾波器衰減以滿足單光子條件，最后通過單模可見光光纖耦合到芯片上。在測量過程中，該芯片被黑盒封閉，以消除環(huán)境光對器件特性的影響。對于SPAD器件，研究人員使用了如圖2b所示的簡單被動(dòng)淬滅電路。

圖2 蓋革模式（Geiger mode）SPAD的表征

研究人員使用圖3中的工作流對測量結(jié)果進(jìn)行了分析。圖4a和圖4b顯示了橫向結(jié)長為100 μm的SPAD在不同過量偏置電壓下測量的PDE。SPAD在21°C、- 5°C和- 9°C時(shí)線性模式下的I-V特性如圖4c所示。

圖3 用于光子和暗計(jì)數(shù)計(jì)算的流程圖

圖4 SPAD的蓋革模式工作情況

綜上所述，這項(xiàng)研究報(bào)道了在單片集成硅光子平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)室溫波導(dǎo)耦合硅SPAD的概念驗(yàn)證。這項(xiàng)研究通過優(yōu)化PN結(jié)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)移到絕緣體上硅（SOI）襯底來提升DCR；通過修改SiN波導(dǎo)的躍遷以增強(qiáng)吸收區(qū)的耦合，從而改善PDE。此外，定制設(shè)計(jì)的主動(dòng)淬滅電路有望減少器件的時(shí)間抖動(dòng)（timing jitter）。這些波導(dǎo)SPAD使大規(guī)模光子回路集成單光子探測器成為可能，這對于量子信息處理尤為重要。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44310-024-00003-y

審核編輯：劉清