简介

集成光电子技术利用成熟的 CMOS 制造工艺，将各种设备功能集成到单个芯片上，从而彻底改变了光学和光子技术。这包括光子的产生、操纵和检测。一个令人兴奋的应用是将集成光电子技术用于量子传感、量子计量、量子密码学和光子计算，这通常涉及非常微弱的光信号，低至单光子水平。

要在如此低的光水平下进行精确测量，必须对片上探测器进行严格校准。传统上，这种校准依赖于片外散装光学器件或光纤装置，将参考主标准的激光束衰减到所需的单光子水平。然而，随着集成光子器件的日益普及，这种方法并不能很好地扩展。

本文回顾了最近展示的集成氮化硅（SiN）光子电路，该电路可提供低至单光子水平的片上光衰减，从而可直接校准集成单光子探测器。

装置

如图 1（a）所示，展示的设备包含一系列在 SiN 波导中制造的级联定向耦合器（DC）。每个 DC 充当 2x2 端口，输入光耦合到条形（相同波导）或交叉（相反波导）输出，其分数由耦合长度 L 决定。

图 1：（a）带有级联定向耦合器的设备示意图。（b） 直流中的交叉和条状耦合示意图。 （c） 光子芯片的横截面。（d） 单个直流电原理图。

输入光功率 P 在每个交叉耦合直流级上都会出现衰减。在具有相同交叉耦合系数 x 的 n 个直流级上，输出功率衰减为 Px^n，其中 x = sin^2（αL），α 描述波导耦合。这样就可以通过级联多个直流级来实现较大的衰减范围。

该器件还包括一个集成硅光电探测器（PD），用于测量片上的最终衰减光功率。辅助输出波导可对直流输出进行监测，从而对片上读数进行独立验证。

如图 2 所示，设计的直流耦合长度 L = 10、15、20 和 25 μm，在 685 nm 波长下，每级模拟衰减系数 A = -10log10（x） > 10 dB。硅 PD 通过反锥形和端射耦合连接到氮化硅波导，模拟损耗小于 1 dB。

图 2：不同直流长度 L 下交叉耦合因子 x 的模拟波长依赖性。

实验结果

光电子器件是在 8 英寸晶圆上制造的，使用通过透镜光纤耦合的 685 nm 激光输入进行表征。同时测量了片上 PD 光电流和输出光功率。

表 1 列出了 685 nm 波长下不同直流长度 L 的测量衰减系数 A，表明 30 个器件的模拟、片上 PD 读数和输出光功率测量值之间具有良好的一致性。结果表明器件具有良好的一致性和稳健性。

表 1：通过模拟、PD 光电流和输出光功率测量得出的每个直流级衰减系数 A。

L = 10 μm（A ≈ 16.6 dB）的器件进行不确定性分析（表 2），得出在 95% 置信度下的扩展不确定性为 0.24 dB。主要的不确定性来源包括输入功率稳定性、PD 非线性、光纤波导耦合变化以及影响直流设计尺寸的制造公差。

图 3：不同耦合长度器件的特性分析。每幅图表示不同交叉耦合级数（n）的输出光功率（dBm）和 PD 光电流（dB，以 1mA 为基准）。每个交叉耦合级的衰减系数 （A） 是根据线性拟合的梯度确定的。

表 2：L = 10 μm 设备的不确定性分析，显示扩展不确定性为 0.24 dB。 

单光子水平路径

虽然测量结果因片上散射而限制在约 45 dB 的总衰减范围内，但作者预测，如果改进设计以减少散射，9 个 L = 10 μm 的级联直流级可以产生 149.5 dB 的衰减，不确定性扩大 0.5 dB（图 4）。如此大的衰减范围可以绕过片外衰减装置，直接在芯片上通过中等功率（毫瓦）的激光源产生校准的单光子光功率水平。

图 4：级联直流级上更高衰减水平的预计不确定性缩放。

结论

本文回顾了最近通过级联定向耦合器实现片上光衰减的集成 SiN 光子电路演示。严格的表征验证了低不确定性的高衰减水平。这些结果推进了鉴定和校准片上单光子探测器的集成解决方案，使量子光子技术和其他需要稳健集成单光子源的应用成为可能。创新的关键在于直接在光子芯片上实现大的校准衰减，从而避免了专门的片外设置。

参考文献

[1] J. Zhang, K. Panicker, T. Y. L. Ang, R. J. Goh, and V. Leong, “Integrated photonics cascaded attenuation circuit towards single-photon detector calibration,” Optics Express, vol. 32, no. 12, pp.