北京量子信息科学研究院光量子通信与器件团队实现载流子耗尽型高性能硅基微环光子对源

发布时间：2025-12-11 来源: 北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会 作者：佚名

　　原标题：我院光量子通信与器件团队实现载流子耗尽型高性能硅基微环光子对源近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）光量子通信与器件团队与北京大学等单位合作，在硅基光量子芯片设计方向取得重要进展。团队系统研究了反向偏置电压对硅微环谐振腔中关联光子对产生的影响，通过集成p-i-n结耗尽自由载流子，显著提升了光源的品质因子（Q值）和符合计数率。2025年12月2日，相关成果以“反向偏压自由载流子耗散增强的硅基微环关联光子对源”（Correlated photon-pair source using silicon microring enhanced by reverse-biased free-carrier depletion）为题发表于《量子评论快报》（Quantum Review Letters）。高性能的片上关联光子源是构建实用化量子信息处理系统和量子通信网络的关键组件。绝缘体上硅（SOI）材料系统因其卓越的CMOS兼容性以及硅材料本身优异的三阶非线性系数而成为研究热点。微环谐振腔能够通过腔内场增强效应显著提高关联光子对的产生效率。然而，高光强下硅波导中的强非线性损耗，特别是双光子吸收（TPA）诱导的自由载流子吸收（FCA），会严重降低谐振腔的Q值和光子对产生效率。针对这一核心瓶颈，研究团队设计并制备了一种嵌入反向偏置p-i-n二极管的同心微环谐振腔结构。该芯片通过优化波导截面结构和掺杂区域距离，在保证载流子迁移效率的同时尽可能降低了额外吸收损耗。在p-i-n结施加反向偏置电压能显著缩短载流子寿命，从而高效抑制FCA效应。实验结果系统地验证了该方法的有效性。随着反向偏压增加，微环谐振腔的Q值显著提升并趋于饱和，表明FCA损耗被有效抑制。实验结果表明，反向偏压显著改善了光子对源的关键指标，包括符合计数率、符合-偶然比（CAR）和预报效率（heralding efficiency）。在0.1mW泵浦功率和30V偏压下，实现了4938MHz/mW2的高光子对产生率（PGR）以及231的CAR。这些关键指标的综合性能均已达国际领先水平。未来通过进一步精确优化腔体耦合设计，平衡高Q值与消光比，该技术有望进一步提高光子对产生率，推动硅基量子光源实用化进程，为大规模光量子计算和片上量子通信奠定基础。该论文的共同第一作者为量子院实习生王璐（北京邮电大学博士生）和北京大学电子学院博士生常华墐，通讯作者为量子院副研究员曾强和北京大学电子学院研究员舒浩文。文章的合作者还包括量子院实习生王浩洋（北京邮电大学博士生）、首席科学家袁之良，北京大学电子学院博士生张婧美、教授王兴军，以及北京邮电大学教授焦荣珍。该工作获得北京市自然科学基金和科技创新2030国家科技重大专项等的支持。