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在先进计算扮演关键角色的硅光子面临哪些技术挑战？又将如何突破？

随着硅光子技术发展朝多元面向推进，其应用领域也在持续扩大当中。除了可使用于资料中心外，硅光子晶片还可应用在例如光学雷达（LiDAR）、光纤陀螺仪、生物医学感测、AI 系统等需要复杂光路之产品或设备。而近年当红的量子计算，未来也是硅光子的重要发展领域之一。

硅光子技术应用在量子光学方面，可望促进量子计算硬体的实用化进展，解决其常温运作的离子阱（Ion Trap）量子位元在“操控”以及“读取”之技术瓶颈。

硅光子技术在“量子计算离子阱量子位元”的技术挑战

硅光子元件技术的研究发展已逾三十年，最初硅光子的研发主要是针对通讯或经典计算等应用，开发的硅光连结技术（光波导、光调制器、光侦测器甚至光源等组件），着重于处理高速、高频宽、高响应度或是高瓦数的光 / 电讯号，以供通讯应用;至于要操控或读取离子阱量子位元的硅光子元件，则必须能够处理低杂讯、低暗电流或是极低瓦数（少数颗光子）的近紫外线或可见光讯号，甚至必须能在低温环境下稳定运作。以下针对离子阱量子位元应用，择要说明硅光子元件的关键技术需求与技术挑战。

可积体化的氮化硅光波导和光栅

常用来操控离子阱量子位元的雷射光源波长范围约为 300-2000 nm，涵盖近紫外、可见光及近红外光谱。可惜的是，目前硅光子技术中常用的硅光波导，在紫外与可见光波段的吸光率很高，光学性质损耗大，不适用于离子阱量子位元技术。反倒是氮化硅（Si3N4）光波导在紫外-可见波长段范围是透明、不吸光的、光学损耗低 。

幸运的是，氮化硅是 CMOS 制程技术之中常用的绝缘层、间壁层、护层等材料，可以使用常规的化学气相沉积（CVD）制程方法沉积之，也可依实际应用所需，微调化学气相沉积的制程配方，调整氮化硅的化学组成（如：SixNy 甚至是 SiOxNy 薄膜）及折射系数，有助于调变氮化硅光波导的模态数目、光局限及传输损耗等。

由于氮化硅光波导可以弥补硅光波导无法涵盖的可见光（400-1000nm）波段，近年来已经成为各种实验晶片之最佳平台，尤其是量子通讯 / 计算 。

离子阱与氮化硅光波导整合于一体的离子阱量子逻辑闸可行吗?

2020 年苏黎世联邦理工学院 报道，离子阱晶片与氮化硅光波导整合于一体的离子阱量子逻辑闸，是以单模光纤将 729 nm 可见光射入氮化硅光波导，传递给位于真空、低温环境的离子阱晶片。

此法可以免除光学桌上光学对准、机械振动与光束点漂移的困扰，改善量子逻辑闸的保真度。但是其展示的离子阱晶片尚未与光调制器、单光子侦测器等硅光子主动元件整合，这是因为锗或硅锗在氮化硅膜上的结晶成核蛰伏时间很短，在氮化硅薄膜上，难以选择磊晶成长的方法，成长高品质的单晶锗或硅锗薄膜，故无法再继续制作硅光子主动元件。

虽然可以使用（1）晶圆键结（Wafer Bonding）的方式，在氮化硅平台上键结 SOI 后，再磊晶成长光主动层–锗或是硅锗薄膜 ，或仿照（2）STM、IHP 公司与多伦多大学在 SOI 平台上制作硅锗调制器与锗光侦测器之后，再沉积 PECVD 氮化硅膜，经 CMP 磨平后，制作顶层氮化硅光波导 。

但是，后者提出的顶层氮化硅光波导的制程做法，甚难再继续执行氮化硅去氢化或致密化的高温退火制程，无法降低氮化硅光波导内部的缺陷数。因为此举会导致位于底部的光主动区：硅锗与锗磊晶薄膜的晶格松弛，造成光学主动元件的性能劣化。

迄今在氮化硅光平台上，单石积体整合锗 / 硅锗高速光调制器 、高速光侦测器 及雷射光源的文献报道甚少。因此，在氮化硅平台上制作光主动元件、整合光主 / 被动元件是重要的研究议题。

单光子侦测器可能成为机会

量子位元的量子态讯号非常微弱，且易受周遭环境的杂讯干扰，故需要可以直接“内置”单光子侦测器，快速、精准地就近直接读取与侦测离子阱量子位元的少数几颗光子数目变化。最好能直接以氮化硅光波导连结单光子侦测器与离子阱量子晶片，尽量减少收集与侦测光子的串扰，还能进一步扩展与测量大型离子阱量子位元阵列的可行性。一般而言，离子阱量子位元发射的光子波长大多是 300–500nm。但是目前技术最成熟的硅雪崩光电侦测器可侦测 850 nm 的光，无法直接侦测离子阱量子位元的状态。

美国 NIST 研究人员使用自制的内置“超导”单光子侦测器，无需使用成像镜头和相机，即能以几近完美的准确度（读取正确率超过 99.9%）读取铍离子（Beryllium Ion）的量子状态，但是“超导”单光子侦测器必须在接近绝对零度的环境才得以正常运作。

由 NIST 的报道可知，为了有效提高检测效率及降低暗计数率，迫切需要与 CMOS 技术相容的近紫外硅基单光子侦测器。而且，需要可以单石整合氮化硅光波导 / 光栅与硅基单光子侦测器，以进一步降低耦合损耗、噪声及扩展离子阱量子位元数量。

可积体化晶片上的光源

除了可与离子阱量子晶片整合的单光子侦测器之外，氮化硅光波导耦合的可见光源更是操控离子阱量子晶片的关键元件，但在硅基板上实现光源一直是硅光子技术的最大罩门。更遑论是能与氮化硅光波导整合的可见光光源，因为硅本身是间接能隙材料，发光效益非常低。

长久以来，科学家及工程师不断地尝试以磊晶或晶片键结等技术在硅晶圆上成长铟化磷或锗等薄膜，但受限于晶格常数匹配及热预算等限制，无法制作高结晶品质及热稳定的发光材料。

陆续有文献报道，使用锗纳米结构如：量子井、量子线甚至量子点，可有效减缓在硅晶圆上成长单晶锗薄膜的缺陷问题，尤其凭藉着量子局限效应，在狭小的锗量子点内，电子-电洞波函数的强烈重叠耦合大大地增进锗量子点的光学跃迁振荡强度，破除锗块材材料必须严格遵循能量-动量（E-k）守恒的魔咒。而且，调整单一材料锗量子点的直径大小，还可以调变发光能隙，发射出不同波长的光，突破了必须选用不同的块材材料来制作不同波长光源的限制。

然而，单颗量子点的发光体积小，需要置放于共振腔内。当雷射光照射量子点 / 共振腔时，藉由珀塞尔效应（Purcell Effect）可以快速增生量子点内的光激发光子数目，提高总体的发光品质因子。常用的量子点共振腔结构有光子晶体、微型碟、微型环。其中，锗量子点置放于光子晶体虽能创造极高的发光效益与品质因子，但光子晶体腔体的结构，如：模板厚度、孔洞直径、周期及缺陷模态或模态的结构设计复杂，且必须使用先进的电子束微影系统，来曝写次微米级别孔洞（直径或是周期）的光子晶体阵列。此外，量子点光子晶体雷射通常是面射型发光，不利于晶片上（On-Chip）平面整合。

相较之下，微米级别微型碟或微型环共振腔的设计与制作相对容易，且发射共平面（In-Plane）光可与相邻的总线波导耦合，有利于晶片上的整合。

微型盘共振腔主要将光场局限在圆盘状光密介质之中，在微型环共振腔的边缘，沿着圆盘碟的径方向达成共振，产生光纤回音廊模态（Whispering Gallery Mode, WGM）。相较于光子晶体共振腔复杂的结构设计、需使用先进的电子束微影技术制作，微型盘共振腔结构在电极、波导的设计与制作更具有弹性与成本优势。

锗带来的障碍与曙光

近年来欧美研究机构陆续报道，在悬浮硅、锗、二氧化硅或氮化硅微型碟共振腔中嵌入各种（如：硅、锗、CdSe）量子点，展示光激发微雷射（Micro Laser）。法国 CNRS-Univ. 发表了一系列论文，在砷化镓基板上，先磊晶成长 300-nm 厚 n+- 锗，微影蚀刻制作出悬浮锗微型碟后，再沉积氮化硅裹覆锗微型碟，形成伸张形变 n+-Ge 主动发光层，展示光激发锗微雷射。然而，采用锗在砷化镓上（Ge-on-GaAs）的作法，甚难转移至硅平台上。

东京都市大学提出 P-I-N 锗量子点微型盘二极体，可以与邻近波导耦合，以电激发光。但绝大多数量子点微型碟都是制作在 SOI 平台上，不适用于可见光光源。极需开发量子点 / 氮化硅微型碟可见光源，以顺利与离子阱量子晶片整合。

李教授实验团队于 2022 年旗舰型 IEDM 国际会议中报道，单石整合的氮化硅波导（含：光栅耦合器与波导锥）、锗量子点微型碟光源及光子侦测器等元件，可供近紫外—可见光的离子阱感测应用，如图 1 所示。开发了与 CMOS 制程相容制造锗量子点的方法，以单一步骤的选择性氧化，可以将位于氮化硅薄膜上的微影定义复晶硅锗柱，转化为内崁氮化硅的锗球状量子点，其最重要的特色是通过 900oC 热氧化制备而成，因此具有高温热稳定性的优势，如图 2 所示。这种本质天生的热稳定性优势，为锗量子点光侦测器、光发射器开启了能与顶部或底部氮化硅波导以渐逝波耦合的可行性。

图1：Ge quantum-dot photodiodes and light emitter embedded in Silicon-Nitride.

图2：Formation of self-organized heterostructures of capping SiO2/Ge QDs within host of Si3N4 on top of SOI as evidenced by TEM, HAADF STEM and EDS maps of elemental Ge （green）, N （red）, and O （white） micrographs. After P. W. Li et al., IEDM Tech. Dig. pp. 451-454 （2022）. 

从元件制造和整合的角度观之，顶部波导耦合结构具有元件（光侦测器及光发射器）设计及三维整合材料选择方面的灵活性，顶部波导耦合结构可免除“波导”和“基板”必须是相同材料的需求。

此自组氮化硅崁入锗量子点阵列结构方法，提供了氮化硅微盘发光器、PIN 光侦测器与顶部或底部氮化硅波导单实整合的灵活度，与落实三维 PIC 整合的可行性。李教授实验团队所开发的锗量子点制作技术，系直接运用 CMOS 制程技术，具有极佳的制程掌控性及元件设计的工程化优势，能直接制作量子位元、单电子电晶体与光电晶体等，具有实用与产业化之可行性，有助于开拓量子计算、光连结等技术。