UCSB联合Nexus Photonics等推出晶圆级III-V-on-SiN异质集成光量子平台

美国UCSB电子与计算机工程系、Nexus Photonics Inc.、麻省理工学院LIGO实验室、弗吉尼亚大学电子与计算机工程系、加州理工学院T.J.沃森应用物理实验室等联合团队最近在arxiv上发文(https://arxiv.org/abs/2605.17738)，提出了一套完整的晶圆级III-V-on-SiN量子光子平台，通过直接键合工艺将III-V族材料与代工厂制造的超低损耗SiN光子电路集成，系统性解决了上述瓶颈。平台集成了高非线性纠缠光源、可调谐有源激光器、低损耗调控电路与高灵敏度光电探测器，各项核心指标均达到领域领先水平，为大规模低噪声量子光子系统的量产化落地奠定了基础。

一、平台架构与晶圆级制造体系

该平台采用全流程晶圆级制造范式，完整覆盖从建模仿真、设计布局到SiN代工厂流片、后端异质集成、晶圆级测试的全链条。

基础SiN晶圆采用200mm CMOS代工厂工艺制造，波导层厚度覆盖200-300nm，本征传输损耗低于1dB/m，具备成熟的无源光子器件生态。晶圆经过CMP，在200nm厚SiN层与后续键合的105nm厚InGaP层之间保留约50nm的SiO₂间隔层，随后通过成熟的直接键合工艺完成III-V材料转移，后续依次完成PECVD包层沉积与金属化热调工艺。

层间模式耦合是平台的核心技术突破点，其采用绝热倒锥结构实现两层波导之间的模式绝热演化，避免模式失配带来的损耗。针对C波段的TE模式，晶圆级截断测试显示，全C波段层间耦合损耗低于0.05dB（透射率98.9%），1560nm波长处最优值低至0.02dB（透射率99.5%）。针对780nm波段的TM模式——这是波导与谐振腔中自发参量下转换、二次谐波过程实现模相位匹配的必要条件——同结构绝热倒锥实现了约0.5dB的耦合损耗，后续可通过加厚SiN层或缩小倒锥尖端尺寸进一步优化。

波导损耗方面，InGaP层的传播损耗随波导宽度呈现优化趋势：1560nm波段下，1.05μm宽谐振腔的损耗低于2dB/cm，1.50μm宽谐振腔的损耗可低至0.65dB/cm，对应谐振腔本征品质因子超过10⁶；780nm近红外波段的传播损耗为8dB/cm。同时验证表明，III-V端的加工工艺不会对底层SiN波导的传播损耗造成显著劣化，完整保留了SiN平台的超低损耗本征优势。

二、InGaP非线性频率转换与纠缠光子源

基于InGaP-on-SiN结构，研究人员制备了分插复用型微环谐振腔阵列，可同时支持二次谐波产生（SHG）与自发参量下转换（SPDC）两类核心量子非线性功能，单块芯片可集成上百个纠缠光子对源与最长达10cm的损耗标定螺旋波导。

◆ 微环谐振腔耦合设计与基础性能

谐振腔采用波导-谐振腔滑轮耦合结构，可通过设计精准调控耦合状态。实测得到三种典型工作状态的透射谱：临界耦合（逃逸效率η_esc=0.5）、过耦合（η_esc=0.9）与强过耦合（η_esc=0.95），均工作在1560nm谐振波长附近，可适配不同非线性应用的耦合效率需求。

◆ 二次谐波产生性能

高Q InGaP-on-SiN谐振腔利用双谐振增强效应，实现了超过35000%·W⁻¹的二次谐波产生效率，为目前SiN光子体系中已报道的最高值。与同体系波导型SHG结构相比，谐振腔结构在更低的基频泵浦功率下即可达到饱和，适合低功率高效率应用场景；而此前同材料的波导结构已实现5000%·W⁻¹的转换效率、61%以上的绝对转换效率与50mW以上的片上二次谐波功率，二者可覆盖不同功率等级的应用需求。

◆ 纠缠光子对源性能

分插复用型微环谐振腔通过SPDC过程产生纠缠光子对，其中780nm泵浦端设计为临界耦合，1560nm信号/闲频端设计为过耦合。泵浦光耦合至780nm谐振模式后，通过二阶非线性效应产生1560nm波段的关联光子对，输出后由超导纳米线单光子探测器表征亮度、符合偶然比（CAR）与纠缠保真度。

实测结果显示，归一化到10μW片上泵浦功率时，纠缠光子对亮度接近10⁸ 对·s⁻¹·GHz⁻¹，CAR高于10⁴；在10⁶ 对·s⁻¹的片上产生速率下，双光子纠缠保真度达99.9%。其亮度是原生SiN光源的15倍以上，同时保持了极高的纠缠质量，综合性能显著优于现有SiN基、SiN-薄膜铌酸锂异质集成等方案。

三、有源器件与低损耗调控电路集成

纯无源SiN量子电路的核心局限在于缺乏片上光增益与相干光源，外置激光器会引入额外耦合损耗与相位噪声，且随电路复杂度提升严重制约可扩展性。该平台通过异质键合将III-V外延堆叠直接集成到SiN波导之上，在晶圆级实现了可调谐半导体激光器、半导体光放大器（SOA）与监控光电二极管和无源电路的共集成。

◆ 有源集成工艺架构

有源器件采用与非线性器件兼容的异质集成流程：将200mm代工厂图形化SiN晶圆取芯至100mm后，键合III-V外延堆叠，所有有源组件均在键合后的III-V层中光刻定义，并与底层SiN波导实现光学耦合，形成统一的有源-无源光子平台。研究人员制备了典型验证电路：单种子激光器分路至7路集成SOA，每路配备监控光电二极管，可在复杂光子电路内实现可扩展功率分配与动态信号管理，同时完整保留SiN平台的低损耗与相位稳定特性。

◆ 可调谐低噪声激光器

激光器采用嵌入扩展腔的SiN Vernier微环谐振腔滤波器作为选频元件：两个自由光谱范围略有失配的微环组成紧凑的热可调谐滤波反射镜，结合III-V增益区实现稳定单模运行。平台支持双波段激光器集成：1560nm波段采用InP基外延，780nm波段采用GaAs基外延，可在同一异质框架内灵活覆盖电信波段与可见/近可见波段。

实测性能方面，1560nm激光器调谐范围超过60nm，780nm激光器调谐范围超过25nm，全调谐范围内边模抑制比大于40dB，片外输出功率超过10mW。激光器的相干性可分级适配不同系统需求：自由运行状态下，得益于SiN波导的长有效腔长与低损耗，基模线宽达千赫兹量级；通过自注入锁定到多层结构的超高Q SiN谐振腔，可进一步将线宽压制至赫兹量级，满足超高相干性应用需求。

◆ 高稳定马赫-曾德尔干涉仪

平台同时集成了SiN基马赫-曾德尔干涉仪（MZI），采用等臂长设计与对称定向耦合器，实现1560nm波段50:50分光，集成微加热器提供精确热光相位调谐。得益于SiN波导的超低传播损耗与耦合器精细化优化，器件插入损耗低于10mdB，消光比超过40dB（受测量系统限制）。

相位稳定性测试显示，无主动锁相条件下，100kHz至10MHz积分范围内的RMS相位噪声低于0.4mrad，对应测量过程中条纹中点波动带来的共模抑制比上限为-62dB。该类干涉仪与集成低噪声激光器结合，为需要精确相位控制、相干路由与稳定干涉运行的可扩展光子系统提供了核心构建模块。

四、高效率低噪声光电探测系统

高片上探测效率是可扩展量子光子系统的核心指标，对于压缩光传感、连续变量簇态量子计算、连续变量量子密钥分发等需要零差探测的量子应用，探测效率直接决定了系统的性能上限。该平台采用与有源激光体系一致的异质集成工艺，在SiN波导上集成了针对1550nm波段优化的InP光电探测器，设计方案可通过更换III-V吸收材料直接扩展至775nm等更短波长。

◆ 探测器耦合吸收机制

探测器采用独特的三级耦合吸收策略：SiN波导中的光先经倏逝耦合进入中间介质波导，再端面耦合进入III-V吸收区。与传统波导集成光电二极管不同，光进入吸收区后不再受导波模式约束，而是在III-V材料内以准自由空间形式传播，通过吸收体内的多次反射主动提升吸收概率。

研究人员共验证了三类探测器几何结构：

1. 单次反射参考型：中间波导相对吸收界面倾斜，抑制背向反射返回SiN波导，但III-V界面的回波损耗会带来固有光子损失。

2. 线性多次反射型：吸收区侧壁经塑形限制光束传播，经过数次反射即可实现近完全吸收，需平衡衍射效应导致的光束展宽。

3. 圆形多次反射型：旋转对称的吸收区将光限制在紧凑区域内，形成片上积分球式结构，光子可经历大量反射大幅提升吸收概率，同时保持极小的器件占用面积。

◆ 核心性能参数

-3V反向偏压下的暗电流测试显示，所有几何结构的暗电流均稳定在亚纳安量级，多次反射吸收策略未引入额外电流漏电，证明了结构的电学可靠性。

通过片上校准参考光电二极管完成不同结构的相对对比，再经绝对响应度校准，圆形多次反射光电二极管实现了最高量子效率，测量值为99₋₁₂⁺¹%，不确定度主要来源于透镜光纤-波导耦合率的相对标准误差（11%）与注入功率校准所用功率计的响应度误差（5%）。

◆ 平衡零差接收系统

基于圆形多次反射光电二极管，研究人员构建了集成式平衡零差探测器，搭配90nm SiGe工艺定制的TIA。TIA采用并联反馈拓扑，跨阻增益5.9kΩ，集成双工器分离缓冲后的压缩光探测信号与MZI角度控制信号；双工器置于跨阻级之后，避免其附加噪声被放大，同时提升低频与高频输出的信噪比。

封装后的光接收机实测3dB带宽为510MHz，带宽内最小等效输入电流噪声为1.9 pA/√Hz。散粒噪声裕度测试显示，光电流达7mA时，10MHz至1GHz范围内散粒噪声裕度超过30dB；无主动平衡技术条件下，最大共模抑制比达50.4dB。该性能意味着该接收机具备探测高达30dB压缩比的潜力，可为低噪声量子读出提供核心支撑。

五、全集成量子系统分析与展望

◆ 全集成量子光子收发机架构

该平台的终极目标是在单芯片上完成所有核心光子与电子元件的异质集成，构建紧凑的量子光子系统，典型应用场景为片上压缩光产生与探测。完整的量子光子收发机架构中，集成III-V激光器提供低噪声泵浦光与本振光，经超低损耗SiN电路路由后，驱动InGaP基二次谐波产生与光学参量振荡级实现片上压缩光生成；可调谐干涉仪与光开关实现可重构路由与输入输出端口配置；集成InP探测器与平衡零差接收机完成高效率低噪声量子测量；近端电子电路共集成可进一步降低寄生参数与界面损耗，最终形成紧凑、相位稳定、可量产的一体化架构。

◆ 系统性能边界分析

基于已实测的器件级参数，研究团队对全集成系统的可测压缩度边界进行了定量评估，探测端共有四大主导退化因素：光电二极管量子效率、平衡接收机暗噪声、本振光相对强度噪声（RIN）与激光频率噪声。

分析结果显示，在1mW本振功率、本振RIN为-150dB/Hz的假设下，集成MZI的高共模抑制比可使RIN带来的性能退化几乎可忽略；固定阈值接近度为0.99时，仅当本振RIN高于-120dB/Hz时才会出现显著的压缩度退化，这一数值远差于本文实测激光器的实际水平。相位噪声对压缩度的退化源于反压缩正交分量向压缩正交分量的投影，得益于可调谐激光器的窄线宽特性，加上集成电路可精确匹配光程长度，对应的RMS相位噪声贡献在微弧度量级甚至更低，对压缩度的退化可忽略不计。综合评估显示，当前架构下探测系统的核心性能限制为光电二极管量子效率。

◆ 未来发展方向

该平台为大规模全集成量子光子系统提供了清晰的技术路线图。通过持续优化层间耦合、降低传输损耗、开展光子-电子子系统协同设计，可实现更高的电路复杂度、更优的噪声性能与更丰富的功能，包括复用量子态产生、自适应测量与实时反馈。除非线性光源产生与压缩光应用外，该架构还可扩展至跨异质量子系统的频率转换、新兴材料混合集成，以及可现场部署的量子传感与通信系统，为实用化量子光子技术提供可量产的核心硬件底座。