在ALP-4-SiC项目中，德国联邦研究、技术与航天部推出了“科学预研项目”计划。在该项目中，德国的马克斯·普朗克光科学研究所与弗劳恩霍夫IISB研究所共同致力于开发用于制造高效光子集成电路以及基于碳化硅的微型固态量子系统的基础技术。该项目属于德国联邦研究、技术与航天部“WiVoPro：德国量子技术发展计划”的组成部分。

　　以光波导及环形谐振器为例，他们展示了如何利用原子层沉积技术显著改善由碳化硅制成的光子器件的光学性能。

　　坚固耐用、可连接且兼容量子技术：碳化硅作为关键的量子材料

　　作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅因其独特的物理特性而成为固态量子系统发展的理想技术平台。近年来，碳化硅已在电力电子领域得到广泛应用；同时，由于它可以用于制造光学器件、光源及传感器，因此在开发光子微系统及光子集成电路方面也具有巨大潜力。

　　碳化硅也因其非线性光学效应而备受关注——这些效应可被用来改变激光光的颜色。例如，碳化硅能够高效地将红外光转化为可见光。

　　以色心形式存在的点缺陷在室温下仍能发挥作用，这一特性使得碳化硅未来甚至有可能直接实现量子功能的集成。

　　“这使得碳化硅成为光子学、电子学及量子技术应用的理想载体。”负责MPL该项目研究的帕斯卡尔·德尔海博士说道。

　　因此，碳化硅可用于制造构建强大且微型化的量子系统所需的所有元件。它与微电子技术及微光子技术兼容，并能实现新的量子电子功能。由于碳化硅与传统硅技术中易于控制的CMOS工艺相兼容，因此被认为非常适合用于量子光集成电路的工业化大规模生产。

　　首批微光子器件的优化为碳化硅量子芯片的研发铺平了道路

　　要制造光集成电路，就需要使用具有极低光损耗的标准化微光子器件。这些器件需要配备能够高效引导或储存光信号的光波导及环形谐振器。光波导起到无损耗传输光信号的作用，而环形谐振器则由多个环状结构组成，输入光信号在其中可循环传播多达一百万次。通过这种方式实现的光子存储功能使得这些器件能够承载较高的光功率，从而产生多种非线性光学效应。例如，微谐振器可将特定波长的激光转换为光频梳——一种由多个离散频率组成的光源。这种光源可用于电信网络中实现高速并行数据传输。

　　另一个重要的效应是相向传播的光之间的相互作用。在环形谐振器中，相向传播的光通过非线性光学耦合作用产生自发对称性破缺，从而使光只能沿一个方向传播——无论是顺时针还是逆时针方向。这一现象可被用于制造芯片集成型光电二极管、光子开关及光学传感器等器件，进而促进更复杂光子系统的开发与构建。

　　然而，采用碳化硅基底制造的光子器件的质量尚未达到理想水平。其表面粗糙度较高，从而导致波导及谐振器中出现光损耗。只有拥有完美光滑的表面，光子才能快速传播而不会向外泄漏。一种可行的解决方案是利用原子层刻蚀技术对器件表面进行抛光处理，从而形成清晰的界面并最大限度地减少损耗与散射现象。

　　在ALP-4-SiC项目中架起基础研究与工艺开发之间的桥梁

　　要开发基于碳化硅的复杂光子器件的新型制造工艺，基础研究与应用研究必须紧密协作。在ALP-4-SiC项目中，MPL与弗劳恩霍夫IISB通过其位于萨克森州弗赖贝格的高性能材料技术中心发挥了各自的优势：MPL在光子元件的设计与特性分析方面拥有丰富经验，而IISB则在其碳化硅半导体技术及原子层加工领域具有专长。

　　图片：碳化硅中光子结构的横截面图——绝缘体基上的SiC结构。© Pascal Del’Haye/MPL。

　　将基于原子层沉积技术的工艺与光子器件结合起来，从而显著提升其光学性能的这一新方法，被认为对未来光子器件的商业化具有巨大潜力。从短期来看，采用该技术的工艺设备制造商有望开拓新的客户群体；而拥有创新产品的光子器件供应商则能在这个快速发展的市场中占据有利地位。不过需要指出的是，目前还无法预测基于碳化硅的通用型、实用型且可扩展的集成量子光电电路技术平台在长期内会产生何种影响。

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