薄膜铌酸锂量子光子学：回顾与展望
2025-07-26 16:24:21   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

光子学已被证明是开发量子技术的一种极具吸引力的平台，具备高保真量子比特和室温信号处理等关键特性。随着集成光子学从少光子架构发展到能够产生和处理数十个、甚至数百个光子的系统，该技术的进步将进一步增强这些特性，这标志着向可扩展的量子信息处理迈出了关键一步。尽管每种集成平台都有其独特的优势和局限性，但薄膜铌酸锂（TFLN）光子学凭借其低损耗特性、较大的电光与非线性系数、宽透明窗口以及超快速调制能力，近年来已成为一个强有力的竞争者。

据麦姆斯咨询报道，近日，丹麦技术大学（DTU）的研究团队在Advanced Photonics期刊上发表了题为“Thin-film lithium niobate quantum photonics: review and perspectives”的综述论文，探讨了TFLN量子光子学的最新进展，包括TFLN的制备工艺、与光源和探测器的异质集成、TFLN中的非线性效应以及TFLN器件的量子应用，并总结了该领域未来研究中值得关注的方向与面临的挑战。

一个理想的集成量子平台应当具备低损耗的传输和耦合、高非线性、超快速电光调制能力，并且能与超导纳米线单光子探测器（SNSPD）、量子存储器和固态发光源等关键器件兼容，从而实现可扩展的量子系统，并能在实际环境中部署。

在材料选择方面，由于其成熟的制备工艺，硅（Si）和氮化硅（SiN）在集成量子光子学中占据主导地位。然而，新兴的铌酸锂（LN）平台（见图1）在损耗指标上已可与其它具备最佳性能的集成光子学平台相媲美，并且在宽光谱范围内展现出显著优势。铌酸锂材料优异的二阶和三阶非线性使其能够实现高效的非线性过程，同时其在低温条件下依然可通过Pockels效应实现低损耗、超快速调制，这是硅和氮化硅平台目前所不具备的特性。此外，铌酸锂还是稀土离子的优良晶体基质，使其成为片上量子存储器的主要候选材料之一。

图1 TFLN功能特性与潜在量子光子学应用

铌酸锂光子学

铌酸锂（LiNbO₃，简称LN）是一种介电性且具双折射特性的材料。它具有单轴晶体取向，由X和Y轴（普通轴）以及Z轴（非常轴）定义。其非中心对称性和铁电特性赋予了其优异的本征特性，使其成为多种应用的理想材料，例如非线性频率转换和电光调制（见图1）。铌酸锂拥有接近其熔点的高居里温度（居里温度1210°C，熔点1257°C）、宽广的透光范围（350 nm至5 μm）以及良好的非线性系数（波长1064 nm时r₃₃ = 31 pm/V，d₃₃ = −25.2 pm/V），因此在光子学领域尤具吸引力。

21世纪初TFLN晶圆的出现，使TFLN成为最具前景的集成光子平台之一。铌酸锂相对较高的折射率（波长1550 nm时no≈2.2）可以在低折射率绝缘材料（例如玻璃或蓝宝石）上形成高折射率对比波导。离子切片（ion slicing）和晶圆键合（wafer bonding）技术的显著进步推动了TFLN晶圆的制备和商业化。

如今，TFLN平台已广泛应用于高性能器件的集成，涵盖了高速电光调制、电光频率转换、声光调制器、声波滤波器、光学与Kerr频率梳生成、非线性波长转换器、纠缠光子对源、换能以及光子量子技术等诸多领域。

TFLN的异质集成

TFLN本身并不具备原生的光产生和光探测能力，但可以通过混合集成技术来弥补这一不足。

2018年，Aghaeimeibodi等人在TFLN平台上首次演示了量子点集成。他们在InP基质中制备了InAs量子点样品，并使用模式转换器将其耦合到TFLN波导中。Wei和Kesse在2021年的工作中进一步发展了这种方法（图2a）。他们将包含布拉格反射器的类似结构、渐变锥形和InAs/GaAs量子点发光源转移到TFLN光路上，并配备可调谐的定向耦合器，用于对发射的单光子进行路径复用。

在过去几年中，瑞典皇家理工学院（KTH）的一个研究团队利用铌酸锂中的压电效应，对InP纳米线中的InAsP量子点实现了发射调谐（图2b），从而为单光子源引入了一个额外的调控自由度。

图2 TFLN集成单光子发光源的示例

为了在TFLN上集成探测器，SNSPD在探测效率和时间抖动方面是最佳选择。Sayem等人展示了将NbN纳米线集成在TFLN波导上的成果，实现了46%的片上探测效率和32 ps的时间抖动（图3a）。除了NbN之外，NbTiN也可作为探测器材料，相关的TFLN波导集成已在文献中被报道（图3b）。Lomonte等人展示了NbTiN SNSPD，片上探测效率为27%，时间抖动为17 ps。在2024年，Colangelo等人通过在TFLN上集成MoSi纳米线，在1550 nm波长下实现了50%的片上探测效率和82 ps的时间抖动（图3c）。同年，He等人演示了在TFLN上异质集成非晶硅（a-Si）探测器（图3d），利用片上上转换技术，尽管外部效率较低，但在室温下也展现了潜在的单光子探测能力。

图3 TFLN集成SNSPD的示例

TFLN的量子应用

铌酸锂同时具备二阶和三阶非线性极化率，并且结合了较高的场约束能力，使得TFLN成为集成各种高效有源和非线性器件的理想材料之一。二阶和三阶非线性过程及其潜在的量子应用如图4所示。

图4 二阶和三阶非线性过程及其潜在的量子应用

开发纯单光子源是量子光子学中的“圣杯”。实现周期性、近乎确定性的纯单光子生成的一个有前景的方法是对光子对源进行有源多路复用。设想的全片上、混合空间（M个源）和时间（N个模式）多路复用光子源需依赖若干关键组件（图5）。

图5 在TFLN芯片上设计的混合复用方案

此外，研究人员还介绍了TFLN在量子网络、量子计量学、量子计算中的应用。

挑战与展望

在过去的几年里，TFLN量子光子学已成为开发未来量子技术的多功能集成平台。TFLN低损耗、超快电光开关能力以及高非线性系数是其适用于量子光子学应用的关键特性。最终目标是实现容错的全片上通用量子处理器，以最大程度地减少不同平台间的耦合损耗，从而显著提升效率和可扩展性。然而，要在单个芯片上集成量子光源、大规模光路和光子探测器仍面临挑战。本综述概述了TFLN量子光子学当前面临的主要挑战，包括亚dB/m传输损耗、泵浦抑制、激光器集成、光子数分辨（PNR）探测、光纤到芯片的耦合等，并探讨了实现全片上量子信息处理的潜在路径。

目前已有多项研究针对这些挑战展开，近年来已取得显著进展。尽管已有改进和明确的研究方向，但要实现面向近期与长期的全片上量子处理器，仍需在器件制备、工程设计和单片集成方面持续努力。尽管如此，TFLN凭借其特性、多功能性和可扩展性的独特组合，有望塑造集成量子光子学的未来。

论文链接：https://doi.org/10.1117/1.AP.7.4.044002

延伸阅读：

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