铌酸锂绝缘体上薄膜（LNOI）纳米光子电路中的单光子探测与低温可重构性研究报告

本研究由德国明斯特大学（University of Muenster）、纳米技术中心（CeNTech）以及软纳米科学中心（SoN）的研究人员Emma Lomonte、Martin A. Wolff、Fabian Beutel、Simone Ferrari、Carsten Schuck、Wolfram H. P. Pernice和Francesco Lenzini共同完成，并于2021年发表在《自然·通讯》（*Nature Communications*）期刊上。

一、 学术背景 本研究属于集成量子光子学领域。该领域旨在在芯片上构建功能完备的光量子信息处理系统，其核心挑战之一是实现关键功能组件（如单光子源、可重构光路和单光子探测器）在单一平台上的高性能单片集成。铌酸锂绝缘体上薄膜（Lithium-Niobate-on-Insulator， LNOI）平台因其高二阶非线性光学效应、低传播损耗和紧凑的波导尺寸而备受关注。特别是，铌酸锂的线性电光效应（泡克尔斯效应， Pockels effect）可用于制造高速、低功耗的电光调制器（Electro-Optic Modulator， EOM），且该效应在低温下依然有效，这与需要在极低温下工作的超导纳米线单光子探测器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors， SNSPDs）兼容。

然而，在LNOI平台上同时集成高性能SNSPDs和电光可重构电路，并实现它们在低温下的协同工作，此前尚未实现。本研究的目标正是填补这一空白，旨在将这两个关键组件——可高速调制的电光马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer， MZI）和波导集成的SNSPDs——共同集成在一个低损耗的LNOI光子电路中，并演示它们在低温（约1.3 K）下的联合操作。这为实现可编程、可扩展的量子光子处理器提供了关键的蓝图。

二、 详细工作流程 本研究包含器件设计、制备、表征和联合功能演示等多个紧密关联的步骤。

1. 集成器件设计与制备：研究团队设计了一个平衡的可调谐马赫-曾德尔干涉仪，其两个输出端各集成一个SNSPD。MZI的一个臂上集成了基于三电极（地-信号-地）结构的电光相位调制器。波导采用电子束光刻和氩离子刻蚀技术在300纳米厚的X切铌酸锂薄膜上制备，以确保单模（TE偏振）传输。波导顶部覆盖一层750纳米厚的氢倍半硅氧烷（HSQ）作为包层和保护层。电光调制器的金电极制作在HSQ包层之上，这种设计简化了工艺，避免了电极与波导交叉处的复杂处理。

   SNSPDs的制作采用了自上而下（top-down）的工艺。首先在铌酸锂薄膜上沉积约5纳米厚的铌钛氮（NbTiN）超导薄膜。然后通过电子束光刻和干法刻蚀工艺，在波导上方制作出U形的NbTiN纳米线（宽度75纳米，长度100微米）。为了在后续波导刻蚀等步骤中保护纳米线，研究团队开发了一种关键工艺：在纳米线上方局部沉积并图形化一层200纳米厚的二氧化硅（SiO2）保护层。完成波导刻蚀后，使用RCA-1溶液清洗以去除刻蚀过程中的再沉积物，而局部的SiO2保护层确保了SNSPD区域不受清洗液侵蚀。最后，整个器件被HSQ包层覆盖，并制作电极接触垫。

2. 器件性能表征：在低温（1.3 K）和室温下，对各个组件进行了独立且系统的性能测试。

   • 波导损耗：通过测量同一芯片上制作的跑道型微环谐振器的品质因子（Q值），推算出波导的传播损耗。在低温下，直波导的传播损耗低至0.2 dB/cm，70微米半径弯曲波导的损耗为0.6 dB/cm。MZI（包含波导、两个定向耦合器和三个电极交叉）的总插入损耗约为0.8 dB。
   • SNSPD性能：
     • 片上探测效率（On-Chip Detection Efficiency， OCDE）：将 attenuated 的连续激光（光子通量校准为每秒10^6个光子）输入探测器，测量计数率。两个探测器（Det1和Det2）在接近临界电流时，最大OCDE分别达到约24%和27%。探测效率未饱和的原因被归因于纳米线区域可能存在未完全刻蚀的超导薄膜或刻蚀副产物。
     • 暗计数率：在85%临界电流偏置下，两个探测器的暗计数率均低至约2 counts-per-second（CPS）。
     • 死时间与定时抖动：通过示波器测量探测器输出脉冲的衰减时间，估计死时间约为6纳秒。通过使用脉冲激光进行起始-停止（start-stop）测量，并配合低温放大器，测得Det2的定时抖动低至约17皮秒，性能处于波导集成SNSPD的先进水平。
   • 电光调制器（EOM）性能：
     • 半波电压：在低温下，通过向EOM施加1 kHz的斜坡电压，并利用SNSPD作为单光子灵敏“示波器”记录MZI输出的光子计数调制，测得半波电压（Vπ）为17.8 V。室温下使用标准光电二极管测得的Vπ为15.5 V，差异被归因于铌酸锂电光系数r33在低温下的轻微降低。
     • 调制带宽：使用矢量网络分析仪（VNA）测量，在室温和低温下，EOM的3 dB调制带宽均约为4 GHz，表明其具备高速操作能力。

3. 联合操作演示：这是本研究的核心实验，旨在验证集成系统作为一个整体的功能。

   • 低速与直流操作：将 attenuated 激光注入MZI，用SNSPD监测输出。施加直流偏压时，通过扫描激光波长，演示了光功率在两个探测器输出端口间的完全切换，消光比超过30 dB。更重要的是，在施加16.5 V直流偏压长达12小时的过程中，探测器计数率极其稳定（变化小于0.05 dB），证明了该系统在静态可重构应用（如可重构玻色采样）中无偏压漂移的优异稳定性。文章指出，这种低温下的稳定性与室温下直流偏压快速失效的现象形成鲜明对比，具体机理尚不完全明确。
   • 高速操作：尽管电路中存在电串扰（由EOM和SNSPD的射频线路靠近引起），限制了施加的调制电压幅值，但研究团队通过使用滤波器抑制串扰噪声，成功演示了在高达1 GHz的调制频率下，利用SNSPD对EOM调制的单光子级光信号进行探测。在100 MHz和1 GHz调制下，均观测到了约60%的调制可见度，与施加的电压幅值和EOM工作点预期相符。

三、 主要结果 1. 成功实现了高性能单片集成：在超低损耗（0.2 dB/cm）的LNOI波导网络上，首次同时集成了电光可调谐MZI和两个波导集成SNSPD，并实现了1.3 K低温下的协同工作。 2. 组件性能达标：SNSPD展现了良好的单光子探测性能（OCDE ~25%， 暗计数~2 cps， 抖动~17 ps）。EOM在低温下展现了实用的半波电压（~18 V）和宽调制带宽（~4 GHz）。 3. 关键功能得以验证： * 静态可重构性与稳定性：系统能够通过直流电压稳定地切换光路，并在长达12小时内保持无偏压漂移，这对于需要稳定配置的量子光子电路至关重要。 * 高速调制与单光子探测：在高达1 GHz的频率下，实现了对EOM调制弱光信号的单光子探测，证明了系统处理高速动态量子信息流的潜力。 4. 揭示了工艺改进方向：对SNSPD探测效率未达理论极限的分析，以及对EOM插入损耗来源（金属电极吸收）的评估，为未来进一步优化器件性能（如通过改进刻蚀工艺提高探测器效率、优化电极设计降低调制器损耗）提供了明确指导。

四、 研究结论与意义 本研究成功演示了在LNOI平台上将可重构光子电路与单光子探测器进行单片集成的可行性。所展示的系统结合了高速电光调制、低损耗光传输和高效单光子探测等关键功能，且全部在低温兼容的环境中实现。这项工作为在单一芯片上构建复杂、可编程的量子光子处理器提供了重要的技术蓝图和实验验证。其科学价值在于推进了集成量子光子学向功能更完备、性能更强大的单片化系统发展。应用价值则体现在为未来实现基于光子的量子计算、量子通信和量子模拟等应用所需的“全在片上”（all-on-chip）解决方案铺平了道路，特别是适用于需要快速反馈（如测量基量子计算）或时分/空分复用的大规模线性光学量子计算方案。

五、 研究亮点 1. 首次集成演示：这是首次在LNOI平台上实现电光可调谐电路与超导单光子探测器的单片集成与联合低温操作，填补了该平台关键技术链条上的一个空白。 2. 高性能与多功能结合：器件同时实现了低波导损耗、实用的电光调制性能、良好的单光子探测特性以及优异的直流操作稳定性，展示了LNOI作为量子光子集成平台的多功能潜力。 3. 创新的工艺方案：开发了采用局部SiO2保护层的自上而下纳米线制备工艺，使得在复杂的多步骤LNOI器件加工中保护脆弱的SNSPD成为可能，这是实现成功集成的关键。 4. 解决实际挑战：研究不仅展示了功能，还深入分析和量化了集成系统中存在的挑战，如电串扰对高速操作的影响，并提出了解决方案（使用滤波器），为后续研究提供了宝贵经验。

六、 其他有价值内容 文章对LNOI平台相对于其他平台（如硅、氮化硅）的优势进行了深入讨论，指出基于泡克尔斯效应的电光调制克服了热光调制在低温失效、功耗高、串扰大以及微机电系统（MEMS）调制速度慢、结构复杂等缺点。此外，作者对器件的可扩展性进行了展望，通过折叠波导和优化设计，预计可在15x15 mm²的芯片上集成超过100个相位调制器，足以构建中等规模的量子光子处理器。文章也坦诚指出了当前系统的不足，如SNSPD探测效率有待提升、电串扰问题需通过改进布局和封装来解决，并提出了具体的改进方向，体现了研究的严谨性和前瞻性。