單光子探測對于量子信息處理、光譜學和激光雷達（LiDAR）在內的各類弱光應用非常重要。這些應用的一個關鍵挑戰是將單光子探測能力集成到光子回路中，以實現復雜的光子微系統。使用硅（Si）作為光電探測器的短波長（λ < 1.1 μm）集成光子平臺為實現在室溫或接近室溫下工作的單光子雪崩二極管（SPAD）提供了機會。

據麥姆斯咨詢報道，近日，由加拿大多倫多大學（University of Toronto）、德國馬克斯·普朗克微結構物理研究所（Max Planck Institute of Microstructure Physics）和新加坡Advanced Micro Foundry（AMF）組成的科研團隊在npj Nanophotonics期刊上發表了以“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Alperen Govdeli，通訊作者為多倫多大學的Alperen Govdeli和Joyce K. S. Poon。

這項研究報道了首個波導耦合的硅SPAD。該器件適用于可見光（VIS）探測。該器件單片集成在一個具有各種光子組件的硅光子平臺中，例如低損耗可見光光波導、邊緣耦合器、熱光移相器和電熱致動微機電系統（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）和暗計數率（DCR）進行了表征。這項研究工作為將單光子探測器集成到接近室溫的大規模集成光路中開辟了道路。

圖1a展示了波導耦合硅SPAD的橫截面示意圖。該結構由氮化硅（SiN）波導下帶有PN結的硅臺面（Si mesa）組成。SiN波導中的入射光倏逝地耦合到Si mesa上。研究人員將路由SiN波導設計為厚度150 nm、寬度500 nm。絕熱錐形邊緣耦合器被用于促進光纖到芯片的耦合。SiN寬度從晶面上的5.2 μm減小到芯片中波導的標稱寬度（Wgw）500 nm。圖1b和圖1d為SPAD的俯視光學顯微圖和原理圖。

圖1 波導耦合可見光SPAD

為了表征波導SPAD的單光子探測特性，研究人員使用了如圖2所示的裝置。超連續激光源（NKT Photonics SuperK Fianium）輸出的λ = 488 nm或532 nm的光經過濾波，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果進行了分析。圖4a和圖4b顯示了橫向結長為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時線性模式下的I-V特性如圖4c所示。

圖3 用于光子和暗計數計算的流程圖

圖4 SPAD的蓋革模式工作情況

綜上所述，這項研究報道了在單片集成硅光子平臺上實現室溫波導耦合硅SPAD的概念驗證。這項研究通過優化PN結設計和轉移到絕緣體上硅（SOI）襯底來提升DCR；通過修改SiN波導的躍遷以增強吸收區的耦合，從而改善PDE。此外，定制設計的主動淬滅電路有望減少器件的時間抖動（timing jitter）。這些波導SPAD使大規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