利用单片集成硅光子平台，实现室温波导耦合SPAD

单光子探测对于量子信息处理、光谱学和激光雷达（LiDAR）在内的各类弱光应用非常重要。这些应用的一个关键挑战是将单光子探测能力集成到光子回路中，以实现复杂的光子微系统。使用硅（Si）作为光电探测器的短波长（λ < 1.1 μm）集成光子平台为实现在室温或接近室温下工作的单光子雪崩二极管（SPAD）提供了机会。

据麦姆斯咨询报道，近日，由加拿大多伦多大学（University of Toronto）、德国马克斯·普朗克微结构物理研究所（Max Planck Institute of Microstructure Physics）和新加坡Advanced Micro Foundry（AMF）组成的科研团队在npj Nanophotonics期刊上发表了以“Room-temperature waveguide-coupled silicon single-photon avalanche diodes”为主题的文章。该论文的第一作者为多伦多大学Alperen Govdeli，通讯作者为多伦多大学的Alperen Govdeli和Joyce K. S. Poon。

这项研究报道了首个波导耦合的硅SPAD。该器件适用于可见光（VIS）探测。该器件单片集成在一个具有各种光子组件的硅光子平台中，例如低损耗可见光光波导、边缘耦合器、热光移相器和电热致动微机电系统（MEMS）悬臂梁光束扫描仪。研究人员对该器件在室温下的光子探测效率（PDE）和暗计数率（DCR）进行了表征。这项研究工作为将单光子探测器集成到接近室温的大规模集成光路中开辟了道路。

图1a展示了波导耦合硅SPAD的横截面示意图。该结构由氮化硅（SiN）波导下带有PN结的硅台面（Si mesa）组成。SiN波导中的入射光倏逝地耦合到Si mesa上。研究人员将路由SiN波导设计为厚度150 nm、宽度500 nm。绝热锥形边缘耦合器被用于促进光纤到芯片的耦合。SiN宽度从晶面上的5.2 μm减小到芯片中波导的标称宽度（Wgw）500 nm。图1b和图1d为SPAD的俯视光学显微图和原理图。

图1 波导耦合可见光SPAD

为了表征波导SPAD的单光子探测特性，研究人员使用了如图2所示的装置。超连续激光源（NKT Photonics SuperK Fianium）输出的λ = 488 nm或532 nm的光经过滤波，其光谱带宽小于2.5 nm。然后光被中性密度滤波器衰减以满足单光子条件，最后通过单模可见光光纤耦合到芯片上。在测量过程中，该芯片被黑盒封闭，以消除环境光对器件特性的影响。对于SPAD器件，研究人员使用了如图2b所示的简单被动淬灭电路。

图2 盖革模式（Geiger mode）SPAD的表征

研究人员使用图3中的工作流对测量结果进行了分析。图4a和图4b显示了横向结长为100 μm的SPAD在不同过量偏置电压下测量的PDE。SPAD在21°C、- 5°C和- 9°C时线性模式下的I-V特性如图4c所示。

图3 用于光子和暗计数计算的流程图

图4 SPAD的盖革模式工作情况

综上所述，这项研究报道了在单片集成硅光子平台上实现室温波导耦合硅SPAD的概念验证。这项研究通过优化PN结设计和转移到绝缘体上硅（SOI）衬底来提升DCR；通过修改SiN波导的跃迁以增强吸收区的耦合，从而改善PDE。此外，定制设计的主动淬灭电路有望减少器件的时间抖动（timing jitter）。这些波导SPAD使大规模光子回路集成单光子探测器成为可能，这对于量子信息处理尤为重要。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s44310-024-00003-y

审核编辑：刘清