TWI850675B - 用於量子資訊處理裝置的光子元件及其用途和產生方法 - Google Patents

Abstract

一些具體實例係關於一種用於一量子資訊處理裝置之光子元件(10)。該光子元件(10)包含一高純度矽層(20)，其中該高純度矽層(20)含有一濃度為10¹⁹cm^-3或更少之經整合稀土元素摻雜劑(22)，即REE摻雜劑，並且其中整合在該高純度矽層(20)中之該等REE摻雜劑(22)的最低晶場能級之間的一光激過渡在4K或更少之一溫度下展現1MHz或更少之一均勻線寬。其他具體實例係關於一種用於產生一光子元件(10)之方法。

Description

用於量子資訊處理裝置的光子元件及其用途和產生方法

具體實例係關於一種用於量子資訊處理裝置之光子元件、一種光波導、一種光諧振器、一種單光子發射器、一種量子中繼器、一種量子資訊處理裝置、一種用於將微波信號轉換成光信號之信號轉換器、一種光學互連、光子元件之用途以及用於產生光子元件之方法。具體實例因此係關於量子資訊技術。

半導體裝置中之個別摻雜劑及其系集(ensemble)用於量子技術之有前景的系統，該量子技術包括量子通信、量子計算、量子模擬及量子感測。若所使用摻雜劑可由光場激發及控制，則此允許低串擾定址及光學連接(參見G.沃爾福威茨(Wolfowicz)等人，自然評論材料(Nature Reviews Materials)1(2021))，此對於可擴充式量子技術之開發係有前景的，詳言之在摻雜劑整合至光波導或光諧振器中時(P.洛達爾(Lodahl)等人：現代物理評論(Rev.Mod.Phys.)87,347(2015)、S.陳(Chen)等人：科學(Science)370.592(2020))。嘗試實現此整合的先前技術中已知之習知方法伴隨著待克服之各種挑戰。

舉例而言，經摻雜波導可藉由自塊狀晶體雕刻出來提供(參見A.法拉昂(Faraon)等人：自然光子學(Nat.Photon.)5,301(2011)及A.西帕希吉爾(Sipahigil)等人：科學354,847(2016))，此難以使用現有製造技術(諸如互 補金屬氧化物半導體(CMOS)製造過程)來以可擴充式方式製造。此外，由不同材料製成之奈米結構之以指數方式衰變的衰減場中的摻雜劑(參見A.M.迪博斯(Dibos)等人：物理評論快報(Phys.Rev.Lett.)120.243601(2018))對製造具有挑戰性，並且遭受介面之不可避免接近。藉由離子擴散製成之習知波導通常遭受結晶無序，該結晶無序導致光激過渡之相當大的加寬，並且因此導致嵌入式發射器之脫散，此對於量子資訊應用係非所要的。

先前技術中已知之替代方法係基於將發射器植入至先前已製造之波導中。原則上，許多不同類型之發射器及主體可用於此方法中。舉例而言，植入至製造在絕緣體上矽(SOI)晶片上之波導中的鉺摻雜劑(參見L.韋斯(Weiss)等人：光學設計(Optica)8,40(2021))展示有前景的光學性質，該等光學性質與在用於此特定摻雜劑之最佳主體晶體中觀測到光學性質類似(參見C.W.蒂爾(Thiel)等人：發光雜誌(Journ.Lumin.)131,353(2011))但均勻線寬在<2K之低溫溫度下大大地增加，多於45MHz，此致使此類裝置不適合於量子資訊應用。此等裝置之增加的均勻線寬主要歸因於波導中之波動電荷、雜質及植入損壞中心，該等波導係使用智慧切割(SmartCut)技術由Cz生長塊狀晶體製造。以此方式，塊狀晶體之性質，詳言之應變、純度及同位素組成物，主要判定發射器性質。然而，控制塊狀晶體中之後者參數，詳言之缺陷之純度及密度，具有挑戰性且係昂貴的。

此外，在先前技術中已知使用由摻雜有鉺摻雜劑之結晶矽製成之裝置來產生發光裝置，例如在榮(Vinh)等人：Er摻雜之結晶矽之光子性質(Photonic Properties of Crystalline Silicon)，IEEE之會議記錄(Proceedings of the IEEE)，97，第7號(2009)中所描述。在此類裝置中，鉺摻雜劑之晶場能級耦合至矽晶體之導帶狀態，此增加線寬，從而阻止其用於量子資訊處理。另外，通常形成鉺氧團簇，此進一步將線寬加寬。

文件WO 2021/030724 A1描述用作量子換能器以在不同系統中之信號之間進行相干轉換的非均勻稀土摻雜之系統。非均勻系統具有摻雜有稀土摻雜劑之稀土氧化物層。

因此，需要提供具有用於量子資訊應用之適合性質且允許有限生產工作量及可擴充式生產的裝置。

具體實例係關於一種用於量子資訊處理裝置之光子元件、一種光波導、一種光諧振器、一種單光子發射器、一種量子中繼器、一種量子資訊處理裝置、一種用於將微波信號轉換成光信號之信號轉換器、一種光學互連、光子元件之用途、以及用於產生具有各別獨立申請專利範圍之特徵之光子元件的方法。視情況選用之具體實例呈現在附屬申請專利範圍及實施方式中。

一個具體實例係關於一種用於量子資訊處理裝置之光子元件，光子元件包含高純度矽層，其中高純度矽層含有濃度為10¹⁹cm^-3或更少之經整合稀土元素摻雜劑，即REE摻雜劑。整合在高純度矽層中之REE摻雜劑的最低晶場能級之間的光激過渡在4K或更少之溫度下展現10MHz或更少之均勻線寬。視情況，均勻線寬在20K或更少之溫度下可為1MHz或更少、及/或在12K或更少之溫度下可為100kHz。

另一具體實例係關於一種光波導，其包含根據具體實例之光子元件。

又一具體實例係關於一種光諧振器，其包含根據具體實例之光子元件以及形成至少部分地含有光子元件之諧振器空腔的一或多個反射器。

又一具體實例係關於一種單光子發射器，其包含根據具體實例之光子元件及/或根據具體實例之光波導及/或根據具體實例之光諧振器。

又一具體實例係關於一種量子中繼器，其包含根據具體實例之光子元件，及/或根據具體實例之單光子發射器，其中光子元件視情況經調適以充當用於光子之量子記憶體。

又一具體實例係關於一種量子資訊處理裝置，其包含根據具體實例之光子元件，及/或根據具體實例之光波導及/或根據具體實例之光諧振器，其中光子元件視情況經調適以充當用於光子之量子記憶體。

又一具體實例係關於一種用於將微波信號轉換成電信波長範圍中之光信號的信號轉換器，其中信號轉換器包含根據具體實例之光子元件及/或根據具體實例之光波導及/或根據具體實例之光諧振器。

又一具體實例係關於一種在遠端量子電腦之間或在量子電腦之部分之間的光學互連，其中光學互連包含根據具體實例之光子元件及/或根據具體實例之光波導及/或根據具體實例之光諧振器。詳言之，光學互連可用作用於量子電腦之匯流排系統。

又一具體實例係關於一種根據具體實例之光子元件用於光學讀取及/或控制自旋量子位元之狀態的用途。

又一具體實例係關於一種根據具體實例之光子元件及/或根據具體實例之光波導及/或根據具體實例之光諧振器針對在兩個或更多個量子位元(quantum bit/qubit)之間的光子介導之量子閘的用途。此量子閘之效應可為取決於一個或若干個其他量子位元之狀態的一個或若干個量子位元之狀態改變(參見例如A賴塞雷爾(Reiserer)及G.倫珀(Rempe)，現代物理評論(Rev.Mod.Phys.)87,1379(2015))，其中所涉及量子位元中之一或多者或全部可基於光子元件中之REE摻雜劑。

又一具體實例係關於一種用於產生用於量子資訊處理裝置之光子元件的方法。方法包含提供高純度矽層之步驟、及將稀土元素摻雜劑，即REE 摻雜劑，整合至高純度矽層中之步驟，使得高純度矽層包含濃度為10¹⁹cm^-3或更少之經整合REE摻雜劑。

光子裝置係用於光子應用之裝置，詳言之半導體裝置。詳言之，光子裝置可適合於基於在可見及紅外波長處之電磁場與物質之相互作用以及可見、紅外、微波及/或由物質介導之其他頻率下的電磁場之相互作用的應用。光子裝置對於預期光物質相互作用之光譜範圍中的電磁輻射，詳言之對於電信波長範圍中之波長，可至少部分地透通。

量子資訊處理裝置係可用於產生及/或接收及/或儲存及/或處理量子資訊之裝置。詳言之，量子資訊處理裝置可經調適以包含及/或代管一或多個量子系統，且允許一或多個量子系統在對於其處理及/或讀出足夠之某一時間週期內達到及維持相干量子狀態。詳言之，相干量子狀態之相干時間應長於用於處理及/或讀出量子狀態之波包(wavepacket)之時間擴展。量子資訊系統可經組態以使一或多個量子系統處於預定量子狀態及/或讀出及/或操縱量子系統之量子狀態。

高純度矽層係具有低濃度之雜質的矽層。雜質之純度及/或最大濃度可取決於特定應用及材料，並且因此，對於不同裝置可不同。然而，高純度矽層需要具有一純度，以便允許REE摻雜劑在4K或更少之溫度下具有10MHz或更少之均勻線寬，並且視情況在20K或更少之溫度下具有10MHz之均勻線寬，並且視情況在12K或更少之溫度下具有200kHz或更少之線寬。在一些視情況選用之具體實例中，REE摻雜劑可在2K之溫度下具有20kHz或更少之均勻線寬。高純度矽層可尤其具有低濃度之氧雜質，諸如5．10¹⁸cm^-3或更少或甚至1．10¹⁸cm^-3或更少。另外，可影響REE摻雜劑之光學性質的任何其他雜質之濃度可極低，詳言之5．10¹⁸cm^-3或更少或甚至1．10¹⁸cm^-3或更少。此外，相較於矽原子之數目，高純度矽層可具有小於1%之元素週期表之第4主族的外來原子，詳言之碳及鍺， 之雜質濃度。應強調，在此方面，REE摻雜劑不被視為雜質。整合至高純度矽層中之REE摻雜劑之濃度指定為1．10¹⁹cm^-3或更少。高純度矽層之高純度可例如藉由使用磊晶技術或使用提供適合高純度之晶圓生長高純度矽層來實現。

高純度矽層中之氧及/或任何其他污染物或雜質及/或缺陷之濃度係關於高純度矽層之區中之有效濃度，其中氧原子、污染物及缺陷分別可與REE摻雜劑相互作用。因此，在沒有整合或主動使用REE摻雜劑之區中，諸如在邊緣區中具有高濃度之氧、其他污染物及/或缺陷不應被視為對高純度矽層之有效濃度有貢獻。在任何情況下，可具有高濃度之氧、其他污染物及/或缺陷之此類部分無論如何可能不滿足高純度矽層之上文指定的標準，並且因此不形成高純度矽層之部分。貫穿本揭示內容，術語「污染物」及「雜質」應用作同義詞。

REE摻雜劑整合在高純度矽層中意謂REE摻雜劑以與雜質原子類似之方式含於高純度矽層中，但摻雜劑不被視為雜質。REE摻雜劑之整合與任何特定整合技術無關。舉例而言，REE摻雜劑可藉由離子植入及/或藉由磊晶技術及/或在自熔融物之生長期間予以整合。

均勻線寬，即REE摻雜劑之發射線寬之均勻加寬，對應於源自最低晶場之間的光激過渡之光學發射的相干時間之倒數除以π。因此，10MHz半最大全寬之均勻線寬對應於10^-7s/π，即32ns之相干時間。

最低晶場能級對應於具有在4f殼層中之電子之某一J流形內具有最低可能能量之m_J量子數的各別狀態。因此，在不改變量子數J之情況下不可實現其能量之進一步減少時，電子佔據最低晶場能級。在施加磁場時，針對克拉默斯(Kramers)稀土元素之偶數同位素，最低晶場被分裂成兩倍；接著，兩種分裂狀態屬於最低晶場。

REE摻雜劑可藉由吸收具有對應於在激發態與基態之間的能量差之光子能的光子來自具有量子數J之基態光學激發至具有不同量子數J之激發 態。同樣地，REE摻雜劑可藉由發射具有對應光子能之光子以自激發態輻射鬆弛至基態。此外，REE摻雜劑可藉由與半傳導性帶中之電子相互作用，或藉由聲子鬆弛，即藉由將聲子能量轉移至周圍晶體結構中，及/或藉由其他鬆弛或激發機制以自一個子能級非輻射激發及/或非輻射鬆弛至較低子能級。

REE摻雜劑可經選擇以提供用於量子資訊應用之電子自旋及/或核自旋。舉例而言，REE摻雜劑可包含鉺。整合至高純度矽層中之鉺摻雜劑提供可用於量子資訊應用之電子自旋。此外，替代地或除電子自旋之外，同位素¹⁶⁷Er亦提供可用於量子資訊應用之核自旋。鉺摻雜劑之電子自旋可由具有某一偏振或頻率之微波及光學輻射來定址。詳言之，在施加磁場時，在個別自旋狀態之間的過渡在能量方面不同。因此，光學激發頻率可經選擇以個別地激發具有特定自旋狀態及晶場環境之鉺摻雜劑。以相同方式，具有核自旋狀態之鉺摻雜劑可由微波及光學輻射來定址。在此情況下，即使在零磁場下，能級將藉由超精細相互作用而分裂。

光波導係經調適以導引電磁輻射之光子元件。詳言之，光波導可允許將光束及/或光子耦合至光波導中且在橫向方向上，即垂直於其傳播方向，限制光束及/或光子。

光諧振器可為經調適以限制耦合至諧振器空腔中以便在諧振器空腔內傳播若干次之光波的光子元件。諧振器空腔可包含經組態為波導之光子元件，其中波導之一個或若干個端表面展現用於將限制在諧振器空腔中以實現若干往返之適合反射性。在一些具體實例中，光諧振器可經組態為微米環諧振器、光子晶體諧振器、微盤諧振器或法布里-珀羅諧振器(Fabry-Perot resonator)。諧振器可提供小模體積及高Q因數，並且因此允許限制在諧振器中之光波與諧振器內之REE摻雜劑之間的高耦合效率。諧振器可展現大於1之珀塞爾(Purcell)因數。光子裝置及/或光諧振器可經調適為用於在不同系統中之量子資訊信號之 間相干地轉換，諸如自光子相干地轉換至一或多個REE摻雜劑之電子及/或核自旋或反之亦然的量子換能器，及/或可視情況充當用於遠端量子電腦之光學互連。將光子元件組態為諧振器可有益於減少REE摻雜劑之光激過渡之壽命。

單光子發射器係經組態以將光波作為單個光子發射的光源。經發射光子中之各者可由單個REE摻雜劑發射。經發射光子可攜載由發射REE摻雜劑判定之量子狀態。詳言之，經發射光子之偏振及/或頻率及/或發射時間可取決於發射REE摻雜劑之先前及/或所存在電子及/或核自旋。替代地，單個光子可由若干或許多REE摻雜劑之集體態發射。接著，其可攜載先前在發射REE摻雜劑系集之電子或自旋狀態中編碼之量子狀態。

量子中繼器係可用於克服量子通信中之指數損耗距離關係的量子資訊處理裝置。作為實例，此可藉由將大距離劃分成其上較低損耗通信係可能之較小區段來實現。在纏結建立在一個內區段中之後，其儲存在量子記憶體中直至相鄰區段亦已建立纏結為止。接著，局部操作可用於自纏結態移除最內部節點，同時以較大距離來纏結節點。

量子記憶體係經組態以儲存量子資訊之量子資訊處理裝置。舉例而言，量子記憶體可經調適以使用REE摻雜劑之電子自旋及/或核自旋來將提供為光子之偏振狀態及/或頻率及/或到達時間的量子資訊轉換成可儲存在自旋量子位元中之量子資訊。量子記憶體可經調適以藉助於具有與自旋量子位元之先前儲存的量子資訊相關的偏振狀態及/或頻率及/或發射時間之經發射光子以從自旋量子位元發射攜載所儲存量子資訊之光子。

信號轉換器可為用於將編碼在光學輻射中之量子資訊轉換至微波輻射中及/或反之亦然的電光換能系統。為此目的，信號轉換器可經調適以使用拉曼過程(Raman process)，其中微波場之吸收及/或發射係關於在用光場輻照後REE摻雜劑之自旋能量能級之改變，且反之亦然。

電信波長範圍係用於光學電信之波長範圍。詳言之，其係關於用於經由光纖之低損耗光學通信的波長範圍。電信波長範圍覆蓋介於1.25μm與1.65μm之間的近紅外波長範圍中之波長，並且詳言之約1.55μm之波長。

具體實例提供以下優點：與習知裝置相比，可以高品質且以減少之製造工作量提供用於量子資訊處理裝置之光子元件。詳言之，具體實例提供以下優點：光子元件可具備習知矽基半導體製造技術，並且因此，可促進此類光子裝置之大規模生產。此藉由將REE摻雜劑直接整合至高純度矽層中且藉由避免植入氧氣來實現。相較於用於量子資訊處理之習知裝置，WO 2021/030724 A1中所描述，不需要不同材料之個別層，諸如稀土氧化物層，作為用於REE摻雜劑之主體結構。此允許藉由使用習知矽半導體製造技術而非需要包括不同材料層之異質結構來產生根據具體實例之光子元件，此可與矽基半導體製造不相容或複雜化。因此，習知半導體製造技術及過程可用於產生用於量子資訊處理裝置之高品質光子裝置，為經濟高效地產生量子資訊處理裝置鋪平道路。換言之，具體實例允許基於直接整合至矽層中之REE摻雜劑而提供適合於量子資訊應用之光子元件，而不需要在個別非矽層中包括REE摻雜劑之異質結構。舉例而言，光譜學及/或離子質譜法可用於確保REE摻雜劑直接整合至高純度矽層中。

此外，本揭示內容提供以下優點：可提供光子裝置以允許經整合REE摻雜劑之高位準諧振激發，而非限制於非諧振激發，其在習知先前裝置中通常觀測到。諧振激發可促進光子量子應用且可提供更明確的光子裝置。

具有整合在矽中之REE摻雜劑的習知裝置展現在其晶場能級之間的光激過渡之線寬之顯著加寬，此對於許多雷射應用可為合乎需要的。然而，線寬之此加寬減少經發射光子之相干時間，並且因此不利於量子資訊處理應用，因為該等量子資訊處理應用不可避免地需要長相干時間。出於此原因，在量子資訊處理領域中普遍接受的為，具有直接整合至塊狀矽材料中之REE摻雜劑的光子 元件不適合於量子資訊處理應用。然而，本發明人已發現，將REE摻雜劑直接整合至高純度矽層中且在10¹⁹cm^-3或更少之高純度矽層中具有有限濃度之REE摻雜劑在4K或更少之溫度下提供整合在具有10MHz或更少之均勻線寬之高純度矽層中的REE摻雜劑之最低晶場能級之間的光激過渡，並且因此允許提供適合於量子資訊處理之光子元件。因此，具體實例提供用於量子資訊處理之裝置，該等裝置可使用用於矽半導體裝置製造之習知技術製造，並且因此減少製造成本且實現量子資訊處理裝置之矽基大規模生產。

因此，本揭示內容提供以下優點：可提供具有用於量子資訊處理應用之適合性質且具有經促進佈局而不需要異質結構的光子元件。所需性質可藉由使用具有經整合REE摻雜劑之高純度矽層來實現。歸因於高純度，REE摻雜劑與具有可再現性質之高屈服隔離晶格點整合。良率在超過0.5%時可被視為高，即多於0.5%之全部經整合REE摻雜劑整合在此類隔離晶格點處。視情況，良率可超過1%，視情況可超過5%且視情況可超過10%。此可能無法藉由基於將高位準之氧及/或其他雜質與REE摻雜劑整合在一起的習知裝置來實現。

在光子元件中，高純度矽層中之REE摻雜劑之濃度可比高純度矽層中之氧之濃度高至少兩倍。此確保高純度矽層之高純度且允許實現整合在隔離晶格點處之經整合REE摻雜劑之指定光譜特性，其中高良率超過0.5%，視情況超過甚至>10%。此外，REE摻雜劑與導帶之隔離允許窄頻率範圍中之諧振激發，此形成用於許多量子資訊處理應用之基礎。詳言之，包括發射頻率之發射特性並不由REE摻雜劑與周圍氧原子之相互作用判定，就像在許多習知裝置中之情況一樣，而是基於高純度矽層之高純度及REE摻雜劑以高良率在隔離晶格點處之相關聯整合。同樣地，高純度矽層中之REE摻雜劑之濃度可比高純度矽層中之任何其他污染物及/或缺陷(諸如硼雜質)之濃度高至少兩倍。此外，高純度矽層中之REE摻雜劑之濃度可比高純度矽層中之氧及/或任何其他污染物及/或缺陷之濃 度高至少三倍、視情況至少五倍及視情況至少十倍。一般而言，高純度矽層之純度愈高，產率，即光子裝置的具有有利光譜及相干特性之經整合REE摻雜劑之分率將愈大。

在一些視情況選用之具體實例中，REE摻雜劑包含鉺摻雜劑或由其組成。此提供以下優點：鉺摻雜劑之發射光譜或發射波長在通常用於光學電信應用之波長範圍中。因此，此允許將此類光子元件整合至現有光學電信系統中或將此類光子元件與現有光學電信系統組合。此外，此提供以下優點：其允許使用及採用自習知光學電信技術已知之用於量子資訊過程之技術及系統。

在一些視情況選用之具體實例中，在鉺摻雜劑之最低晶場能級之間的光激過渡具有在光學電信波長範圍中且詳言之在自1.532μm至1.542μm之範圍中的發射波長。此提供以下優點：相較於許多其他波長範圍，光纖及/或水及/或濕氣對經發射光之吸收減少。

在一些視情況選用之具體實例中，高純度矽層具有5．10¹⁸cm^-3或更少之氧雜質濃度。此減少鉺氧團簇之形成，並且因此，可防止鉺晶場能級耦合至導帶及/或價帶(文獻中有時被稱為「光活性」)。雖然對於習知應用，諸如雷射應用可使用及/或可需要高氧雜質濃度，但一些視情況選用之具體實例具有5．10¹⁸cm^-3或甚至更少，諸如1．10¹⁸cm^-3或更少之氧雜質濃度，以避免REE摻雜劑耦合至導帶及價帶。根據此具體實例，可實現尤其小的均勻線寬，即可進一步減少發射線寬之均勻加寬且可進一步改進用於量子資訊處理應用之適合性。

在一些視情況選用之具體實例中，經整合REE摻雜劑整合在矽晶體結構之隔離晶格點處，該等隔離晶格點導致在以下波長中之一或多者處自REE摻雜劑之較低晶場能級進行光激過渡：對於在1536.1nm、1553.5nm、1557.8nm、1573.4nm、1584.5nm、1593.6nm處之一個位點；對於在1537.8nm、1558.8nm、1562.6nm、1581.7nm、1590.1nm及1599.1nm處之另一位點，該等波長各自具 有+/-0.5nm之不確定性。此等晶格點係僅由矽原子包圍之此類晶格點。換言之，此等晶格點係與可能的其他缺陷及/或污染物之距離足夠大而使得鉺摻雜劑之性質不受缺陷及/或污染物影響的此類晶格點。鉺摻雜劑位於此類晶格點處可藉由量測在鉺摻雜劑之晶場能級之間的光激過渡來確認。光激過渡波長處於上文所提及之波長值意謂各別鉺摻雜劑之晶格點滿足僅由矽原子包圍之指定條件。此等波長在絕緣體上矽晶圓中在<10^-4之典型相對應變(相對於矽之晶格常數)且冷卻至低溫溫度，即20K或更少之溫度下適用於鉺摻雜劑之發射。在應變施加至晶體時，其可改變。

REE摻雜劑之光激過渡取決於晶格點，在該晶格點處個別REE摻雜劑整合至晶格中。雖然REE摻雜劑係相同鉺原子，但其光激過渡可歸因於不同佔據晶格點而變化。因此，判定光激過渡之各別發射波長允許判定REE摻雜劑是否整合在高純度矽層之矽晶體結構之特定晶格點處。REE摻雜劑在特定晶格點中之整合有益於在給定溫度下實現高度相干，即長相干時間，或在所需光學相干之給定值下在較高溫度下操作。另外或替代地，在最低晶場能級之間的過渡在20K或更少之溫度下展現10GHz或更少之不均勻線寬。另外或替代地，整合在高純度矽層中之REE摻雜劑的在最低晶場能級之間的光激過渡在2K或更少之溫度下可具有20MHz或更少之均勻線寬。此窄線寬之程度要比用習知光子元件已實現的好100倍以上(S.陳等人：科學370,592(2020)、L.韋斯等人：光學設計8,40(2021))，並且係藉由REE摻雜劑在高純度及低應變矽層中所獲得之隔離晶格點處的整合之高良率來實現。

在一些視情況選用之具體實例中，整合在高純度矽層中之REE摻雜劑展現具有與各別最低晶場能級之分離的較高晶場子能級，在4K或更少之溫度下，該分離在基態中係至少1.5THz且在第一激發態中係至少1THz。此特徵亦起源於鉺摻雜劑整合在僅由矽原子包圍之隔離晶格點處，即不直接靠近其他缺 陷及/或污染物，諸如氧。因此，較高晶場子能級與各別最低晶場子能級之此分離允許直接確認鉺摻雜劑整合在隔離晶格點處。在子能級之間分別為1.5THz及1THz之此明顯間距在低溫溫度下提供顯著高於熱能kT之能量分離。對於整合在對應於光激過渡之上文所提及之波長的晶格點處之REE摻雜劑，在低溫溫度下滿足子能級之間的間距顯著高於熱能kT之標準。作為對照，1THz之裂頻對應於等於在約48K之溫度下之熱能的能量分裂。因此，藉由提供1THz或更多之裂頻，可在顯著低於48K之溫度下避免填充較高子能級。因此，子能級之大間距減少關於必須操作光子元件之低溫溫度的需求。

在一些視情況選用之具體實例中，高純度矽層具有均勻應變分佈，其在整個高純度矽層中具有小於0.5%之晶格常數波動。此增加均勻性，並且因此，減少REE摻雜劑之光激過渡之線寬的加寬。高純度矽層中之應變可尤其對應於典型地在SOI晶圓之矽層中觀測到的<10^-4之應變。

在一些視情況選用之具體實例中，整合在高純度矽層中之REE摻雜劑的最低晶場能級之間的光激過渡展現電偶極貢獻，使得REE摻雜劑，詳言之鉺摻雜劑，之光學激發態之輻射衰變時間係0.9ms或更少。視情況，REE摻雜劑之光學激發態之輻射衰變時間可小於0.75ms且視情況小於0.3ms。偶極特性對於將經發射光耦合至微型諧振器及/或奈米諧振器中可為有益的。此外，進一步減少激發態之壽命對於一些視情況選用之具體實例可為有利的。此特徵亦起源於鉺摻雜劑整合在隔離晶格點處，即僅由矽原子包圍而不直接靠近其他缺陷及/或污染物，諸如氧。REE摻雜劑之激發態之此快速衰變時間一般取決於包圍REE摻雜劑之材料之折射率。周圍材料之折射率愈高，衰變時間愈快。因此，使REE摻雜劑整合在僅由矽原子包圍之隔離晶格點處在REE摻雜劑之周圍提供約3,5之折射率(在1.55μm之波長處)。在氧污染將直接靠近REE摻雜劑存在之情況下，周圍材料將包含具有僅1.4之折射率的二氧化矽，因此，相較於隔離晶格點，此將 導致衰變時間顯著增加。因此，快速衰變時間允許確認REE摻雜劑整合在僅由矽原子包圍之隔離晶格點處。

整合在高純度矽層中之REE摻雜劑的在最低晶場能級之間的光激過渡在4K或更少之溫度下可具有50kHz或更少之均勻線寬。此特徵亦起源於鉺摻雜劑整合在隔離晶格點處，即僅由矽原子包圍而不直接靠近任何缺陷及/或污染物，諸如氧。因此，此段落及先前段落中所描述之特徵起源於REE摻雜劑整合在隔離晶格點處，即僅由矽原子包圍。REE摻雜劑在隔離晶格點處之整合之此等表述允許精確地確認REE摻雜劑在隔離晶格點處之整合。此特徵及所呈現可量測表述，即過渡波長、衰變時間及線寬，無法藉由添加諸如氧之污染物來實現，但可替代地僅藉由提供指定純度以確保REE摻雜劑僅由矽原子包圍來實現。

根據一些具體實例，可能需要具有REE摻雜劑在基態中之長相干時間，例如用於將量子資訊儲存在充當量子位元之各別REE摻雜劑中。

在一些視情況選用之具體實例中，含有REE摻雜劑之高純度矽層之至少部分係具有至少50nm之晶粒大小的單晶或多晶。此有益於在個別REE摻雜劑之周圍中實現均勻晶體結構，並且因此，實現光激過渡之線寬之小均勻及/或不均勻加寬。因此，此促進實現長相干時間。

在一些視情況選用之具體實例中，結晶高純度矽層之均勻應變分佈至少在包含經整合REE摻雜劑之高純度矽層之部分中具有小於1%或甚至小於0.1%之晶格常數波動。此有助於整合至高純度矽層中之REE摻雜劑之均勻包圍，並且因此，減少REE摻雜劑之光激過渡之線寬的均勻及/或不均勻加寬。

在一些視情況選用之具體實例中，高純度矽層可由經同位素純化之矽及/或具有受控同位素組成物之矽製成。此可藉由使用磊晶技術來實現，磊晶技術使用經同位素純化之材料來生長高純度矽層。同位素純高純度矽層允許進一步增加晶體結構之均勻性，並且因此，包圍其中整合有REE摻雜劑之晶格點， 此可進一步減少不均勻線寬且改進相干性。此外，控制矽之同位素組成物允許控制高純度矽層中之磁場，例如藉由選擇具有非零核自旋或具有零核自旋之矽同位素。詳言之，對於涉及電子自旋或核自旋之長相干性的裝置及應用，藉由選擇不具有核自旋之經同位素純化之矽來避免周圍矽晶格中之磁場可為有利的且增加鉺自旋狀態之相干時間。

在一些視情況選用之具體實例中，光子元件可包含由矽形成之晶種層，其中高純度矽層附接至晶種層。此可促進高純度矽層之製造，此係因為高純度矽層可例如在晶種層上磊晶生長。由矽製成之晶種層可藉由提供用於高純度矽層之晶種層之匹配晶格參數來輔助準確生長且限制可能應變。

在一些視情況選用之具體實例中，光子元件可進一步包含用於在1.55μm之波長處之光學輻射的具有例如2.4或更少之低折射率的絕緣層或若干絕緣層。晶種層可附接至絕緣層。替代地或另外，光子元件可包含一或多個另外絕緣層，該一或多個另外絕緣層例如可配置在光子元件之頂部上，即在背離晶種層之相對側處。絕緣層可有益於實現光子元件之所要光學性質。舉例而言，絕緣層可允許在高純度矽層內傳播的輻射進行全內反射，並且因此，可允許形成用於導引光學輻射穿過高純度矽層之波導。因此，在一些視情況選用之具體實例中，光子元件形成光波導，並且其中光波導經調適以在高純度矽層內導引光學輻射。波導可經組態為以下類型之波導中之一者：肋形波導、凹形波導、光子晶體波導及慢光波導。光子元件可視情況懸浮在真空及/或氦氣中。

在一些視情況選用之具體實例中，絕緣層包含SiO₂及/或SiN或由其組成。此等材料在1.55μm之範圍中之波長處提供尤其適合於結合矽之全內反射的折射率，並且因此可提供用於產生光波導之適合選擇。而且，此等層可用於在高純度層中產生可有利於獲得嵌入式REE摻雜劑之所要光學性質或自旋性質的特定應變。

絕緣層及晶種層可視情況形成絕緣體上矽晶圓之部分。此可促進光子元件之製造，此係因為絕緣層及晶種層可製備或提供為標準組件，並且用作用於光子元件之的基板，以提供對於所得光子元件可為需要之預定功能性，諸如絕緣及/或光學性質。

在一些視情況選用之具體實例中，高純度矽層可藉由使用磊晶技術附接至晶種層，該磊晶技術可尤其涉及以下技術中之至少一者：化學氣相沉積、物理氣相沉積以及分子束磊晶法。此允許高純度矽層關於其厚度之精確且良好控制的生長，及/或允許尤其生長具有高純度及/或結晶性之高純度矽層。此外，此允許藉由在高純度矽層之磊晶生長期間另外蒸發所要REE摻雜劑來已在高純度矽層之生長期間將REE摻雜劑整合至高純度矽層中。另外，此可允許精確地控制REE摻雜劑分佈在高純度矽層內之深度分佈。

在另一具體實例中，高純度矽層可藉由薄化附接至晶種層或絕緣層之塊狀矽晶體及/或薄矽板來提供。此可提供實現具有高結晶性之高純度矽層的促進方法。替代地或另外，晶種層可藉由薄化塊狀矽晶體來提供。舉例而言，晶種層及絕緣層可提供為絕緣體上矽(SOI)晶圓，其中晶種層係藉由將矽板薄化至所要厚度，例如70nm，及藉由例如以化學氣相沉積使高純度矽生長至晶種層上來提供，該晶種層例如具有約120nm之厚度。晶種層可接著使用磊晶技術促進具有高度結晶性之高純度矽層之生長。可出於此目的選擇尤其高純度之矽晶體，諸如浮區(FZ)絕緣體上矽晶圓。因此，高純度矽層可基於絕緣體上矽晶圓而提供，其中SOI晶圓之形成高純度矽層之矽部分具有1．10¹⁷cm^-3或更少且視情況1．10¹⁶cm^-3或更少之雜質之濃度。此可致使實現高純度矽層之磊晶步驟為過時的，並且因此，促進製造過程及/或減少製造成本。高純度矽層可藉由拋光絕緣體上矽晶圓使得高純度矽層具有至少10nm且不多於5μm以及視情況至少150nm且不多於290nm之厚度來提供。

在使用基於系集或REE之裝置時，REE摻雜劑可以1．10¹⁷cm^-3或更多之濃度整合至高純度矽層中。1．10¹⁷cm^-3之濃度可已產生適合光子裝置。此可允許裝置在約600℃下退火，而不引起具有經整合REE摻雜劑之非所要團簇可能污染物。

REE摻雜劑可以小於10¹⁶cm^-3，或甚至10¹⁴cm^-3或更少之有效濃度整合至高純度矽層中，此可有利於基於單個REE發射器而製造裝置。此類低有效濃度可視情況藉由使用在第一步驟中整合較高濃度之REE摻雜劑，例如1．10¹⁷cm^-3或更多，之後在700℃下或甚至在更高溫度下進行退火來實現。在此過程中，藉由與其他雜質REE摻雜劑團簇，減少靶向位點中之REE摻雜劑之濃度，同時增加非諧振位點中之濃度。

方法可進一步包含在介於500℃與650℃之間的溫度下對高純度矽層進行退火。此可改進高純度矽層之結晶品質，而不存在雜質在REE摻雜劑處團簇或REE摻雜劑彼此團簇之情況，此將影響REE摻雜劑之光譜特性

將REE摻雜劑整合在高純度矽層中可包含以下或由以下組成：將REE摻雜劑植入至高純度矽層中。相較於蒸發高純度矽層連同所要濃度之REE摻雜劑，此可促進製造工作量。

高純度矽層可具備介於30nm與1mm之間的厚度。厚度可視情況在自100nm至2μm之範圍中。在一些具體實例中，其中光子元件經調適為法布里-珀羅諧振器，高純度矽層可具有幾百微米之厚度。

在一些視情況選用之具體實例中，結晶高純度矽層可具有1nm RMS或更少之表面粗糙度。此可改進光子元件之光學性質。詳言之，其可確保在具有低表面粗糙度之高純度矽層之邊界處傳播穿過高純度矽層之輻射進行高位準之全內反射。可藉由原子力顯微法來量測粗糙度。

在一些視情況選用之具體實例中，光子元件可形成為奈米光子及 /或奈米電漿裝置。舉例而言，光子元件可經組態為或可作為諧振器之部分。替代地，其可為奈米光子及/或奈米電漿移相器、開關、頻率濾波器及/或光偵測器之部分。

在一些視情況選用之具體實例中，提供高純度矽層可包含使用磊晶技術來將高純度矽層沉積至晶種層上，該磊晶技術可尤其涉及以下技術中之至少一者：化學氣相沉積、物理氣相沉積以及分子束磊晶法。沉積高純度矽層及整合REE摻雜劑之步驟可至少部分地同時進行。在沉積高純度矽層及整合REE摻雜劑之步驟期間，晶種層可至少部分地保持在介於300℃與650℃之間的溫度下。此允許實現高純度矽層之結晶性及將REE摻雜劑整合在矽晶體之晶格點處，從而提供用於量子資訊應用之適合性質。在沉積期間介於300℃與650℃之間的溫度允許獲得起源於REE摻雜劑整合在特定隔離晶格點處之REE摻雜劑之光激過渡的上文所判定之適合波長及線寬。換言之，在沉積高純度矽層及整合REE摻雜劑之過程之至少部分期間將晶種層保持在300℃至650℃之溫度下允許實現具有直接整合在高純度矽層中之REE摻雜劑且提供用於量子資訊應用之有益光學性質(即REE摻雜劑之狀態之長相干時間)的光子元件。在一些情況下，500℃可為適合溫度選擇。

在一些視情況選用之具體實例中，整合REE摻雜劑之步驟至少部分地在完成沉積高純度矽層之步驟之後進行。在其沉積或其他製造過程之後將REE摻雜劑整合至高純度矽層中可包括藉由離子植入將REE摻雜劑植入至高純度矽層中。

在將REE摻雜劑整合至高純度矽層中之步驟之至少部分期間，高純度矽層可保持在介於300℃與650℃之間的溫度下。此允許將REE摻雜劑整合在矽晶體之晶格點處，從而提供用於量子資訊應用之適合性質。在沉積期間介於300℃與650℃之間的溫度允許獲得起源於REE摻雜劑整合在特定晶格點處之 REE摻雜劑之光激過渡的上文所判定之適合波長及線寬。換言之，在植入REE摻雜劑之過程之至少部分期間將高純度矽層保持在300℃至650℃之溫度下允許實現具有直接整合在高純度矽層中之REE摻雜劑且提供用於量子資訊應用之有益光學性質(即REE摻雜劑之狀態之長相干時間)的光子元件。此外，將高純度矽層保持在介於300℃與650℃之間的溫度下可進一步有益於對高純度矽層之矽晶體進行退火，並且因此進一步改進高純度矽層及包圍REE摻雜劑之晶體結構的均勻性。適合溫度選擇可為溫度係高純度矽層之折射率改變小於3%所處的最低溫度。在一些情況下，500℃可為適合溫度選擇。

根據視情況選用之具體實例，將REE摻雜劑整合至高純度矽層中可包含至少一個植入步驟及至少一個退火步驟，其中在退火步驟期間，高純度矽層保持在介於300℃與650℃之間的溫度下。在植入步驟期間，高純度矽層可保持在不同溫度下，例如在較低溫度下及例如在室溫下。因此，退火步驟與植入步驟可彼此分離。此可提供以下優點：可在完成先前植入步驟之後在退火步驟期間將可能起源於植入步驟的可能晶體缺陷恢復。在一些視情況選用之具體實例中，例如藉由聚焦至高純度矽層之小光點的雷射，可局部加熱高純度矽層。藉此，晶片之不同部分可在不同溫度下退火，此對於一些裝置(諸如共整合在晶片上之經典電子元件)可為有益的。

將REE摻雜劑整合至高純度矽層中可包含一個退火步驟及兩個沉積步驟或兩個退火步驟及一個沉積步驟。將REE摻雜劑整合至高純度矽層中可替代地包含按交替次序之多個植入步驟及多個退火步驟。此可改進植入結果，同時減少晶體缺陷，並且因此，產生具有用於量子資訊應用之進一步改進性質的光子元件。在沉積步驟及/或退火步驟期間的溫度可基於植入劑量及/或基於植入能量而選擇。

在一些視情況選用之具體實例中，REE摻雜劑至高純度矽層中之 植入可以空間選擇性方式進行。植入之空間選擇可基於在植入過程期間施加遮罩。此增加出於特定目的設計及製造具有特定性質之光子元件的靈活性。在一些視情況選用之具體實例中，REE摻雜劑可整合至高純度矽層中，使得個別REE摻雜劑及/或REE摻雜劑之團簇彼此的距離等於或接近於λ/2或λ/2之整數倍，其中λ指示光子元件中之REE摻雜劑之發射波長。對於若干REE摻雜劑展現不同發射波長之情況，λ可對應於此等波長之平均值或近似值。REE摻雜劑及/或REE摻雜劑之團簇的距離可施加在高純度矽層之平面內及/或關於高純度矽層之平面為垂直或處於任何其他非零角度，即沿著高純度矽層之厚度。個別REE摻雜劑及/或REE摻雜劑之團簇彼此以λ/2或λ/2之整數倍之距離配置可允許REE摻雜劑分別經由超輻射及超吸收共同地發射及/或吸收光。此可增強所涉及光物質相互作用之效率，而不需要光諧振器。

在一些視情況選用之具體實例中，提供高純度矽層可包含提供高純度矽層之多個能級。替代地或另外，將REE摻雜劑整合至高純度矽層中可包含多個植入步驟，其中提供高純度矽層之子層之步驟及植入步驟視情況以交替次序配置。此可允許實現REE摻雜劑相對於高純度矽層及/或其多個子層之精確及預定分佈。另外，其可允許以減少之能量進行植入，該植入可減少結晶損壞且因此進一步改進REE摻雜劑之光學及相干性質。

在一些視情況選用之具體實例中，光子元件及/或REE摻雜之高純度矽層可配置在適合於施加電場及/或微波場之電極之間。此可允許變化及/或控制REE摻雜劑經由則曼效應(Zeeman effect)或史他克效應(Stark effect)之發射波長，以便使其在諧振下彼此調諧及/或與諧振器、濾波器及/或其功能可取決於發射波長之另一元件進行調諧。另外，電場及磁場可驅動在REE摻雜劑之電子自旋狀態及/或核自旋狀態之間的過渡，例如以實施單量子位元旋轉及/或量子閘及/或量子位元讀出。

在一些視情況選用之具體實例中，可提供外部磁場以分裂REE摻雜劑之電子自旋能級及/或核自旋能級。磁場可具有200mT或更少之場強度。此可允許具有與不同自旋狀態相關聯之不同能級，並且因此，藉由相應地選擇激發波長來定址及/或激發個別自旋狀態。

替代地，可施加具有1T或更多之場強度的磁場。磁場可取決於溫度而變化。對於較高溫度，可施加較高磁場。施加1T或更多之磁場可允許「凍結」REE摻雜劑在具有較低能量之各別自旋狀態中之電子自旋狀態。施加1T或更多之磁場引起自旋狀態之大能量分裂，其中能量分裂大於低溫溫度，諸如4K或更低下之熱能kT。因此，熱能不足以填充具有較高能級之電子狀態，並且因此，自旋狀態保持「凍結」，即滯留在最低自旋及迴旋狀態中。藉由將電子自旋狀態「凍結」在最低能量狀態中，可實現REE摻雜劑，例如¹⁶⁷Er摻雜劑之核自旋之長相干時間，此係因為可減少或避免對各別REE摻雜劑之電子自旋之干擾。因此，此類具體實例對於基於及/或涉及REE摻雜劑之核自旋的裝置及應用可為有利的。

在一些具體實例中，光子元件可因此提供在外部磁場中及/或可具備用於提供在使用電子自旋時具有200mT或更少、或在使用核自旋來編碼量子資訊時具有200mT或更多且甚至1T或更多之典型場強度之磁場的磁場源。

在一些視情況選用之具體實例中，信號轉換器可經組態以將量子相干性自可見光子轉移至微波光子及/或反之亦然。此可藉由信號轉換器中可見光子及微波光子之電光耦合來實現。

10:光子元件

12:絕緣體上矽晶圓

14:晶種層

16:絕緣層

18:矽晶圓

20:高純度矽層

22:REE摻雜劑

24:波導/光子波導

26:支撐基板

28:微型諧振器

30:耦合波導

32:信號轉換器

34:電極

36:電感/線圈

38:非線性電感

40:波導之尖端

50:量子資訊處理裝置

52:冷凍機

54:光學輸入

56:光連接器

58:外部控制箱

60:內部控制箱

62:電氣連接器

64:光偵測器

68:孔

70a,70b:布拉格反射器

72:微波產生器

80a,80b:介電反射器

100:示意性圖表

102:REE摻雜劑之雲狀物

104:中心區/中心區段

106,108:光脈衝

110:電場分佈

所屬技術領域中具有通常知識者應理解，不僅在明確揭示之具體實例及組合中揭示了上文所描述之特徵及以下描述及圖中之特徵，而且本揭示 內容亦包含其他技術上可行的組合以及隔離特徵。在下文中，參考圖描述若干視情況選用之具體實例及特定實例，而不將本揭示內容限制於所描述具體實例。

[圖1A]至[圖1D]示意性地說明根據視情況選用之具體實例的用於產生用於量子資訊處理裝置之光子元件的方法。

[圖2A]及[圖2B]示意性地說明根據視情況選用之具體實例的波導。

[圖3A]及[圖3B]示意性地描繪根據視情況選用之具體實例的微型諧振器。

[圖4]示意性地說明根據視情況選用之具體實例的用於量子資訊處理裝置之信號轉換器。

[圖5]示意性地說明根據視情況選用之具體實例的量子資訊處理裝置。

[圖6A]及[圖6B]示意性地描繪根據視情況選用之具體實例的微型諧振器。

[圖7]示意性地描繪根據另一視情況選用之具體實例的微型諧振器。

在圖式中，相同元件符號用於不同圖式中之對應或類似特徵。

參考圖1A至圖1D，將示意性地說明根據視情況選用之具體實例的用於產生用於量子資訊處理裝置之光子元件10的方法。

方法包含提供高純度矽層。作為基礎，使用包含由Cz生長矽之薄層製成之晶種層14的絕緣體上矽(SOI)晶圓12，該晶種層接合至具有比矽低之折射率的絕緣層16，該絕緣層由SiO₂製成。絕緣層16可由矽晶圓18支撐。根據具 體實例，晶種層14、絕緣層16及矽晶圓18可提供為單個SOI晶圓。然而，根據其他具體實例，此等層可分開地施加至適合基底，諸如矽晶圓或任何其他適合基底。層僅以示意性方式展示，其中其相對厚度可以放大方式展示。

在例示性展示之具體實例中，矽晶圓18可具有約700μm之厚度，絕緣層16可具有約2μm之厚度，並且晶種層14可具有約70nm之厚度。

在圖1B中所展示，晶種層14充當用於提供預期高純度矽層20之基板。使用磊晶技術將高純度矽層20提供在晶種層14之頂部上。根據所說明具體實例，高純度矽層20可藉由化學氣相沉積(CVD)來沉積。在其他具體實例中，可使用不同磊晶技術且可產生類似層。晶種層14充當用於經沉積的高純度矽層20之適合基板，此係因為其提供適合晶格參數。晶格參數及因此高純度矽層中之應變可視情況藉由提供具有所要應變之晶種層來預定及變化。根據所說明具體實例，高純度矽層20及晶種層14之總厚度係約0.2μm。

經沉積的高純度矽層20提供以下優點：對於各雜質，晶體缺陷及雜質、詳言之為氧、之濃度可實現為低至5．10¹⁸cm^-3或更少，或甚至低於1．10¹⁸cm^-3。此外，其提供自經同位素純化之矽生長高純度矽層之選項，此可增強摻雜劑之電子自旋及/或核自旋之相干時間及/或減少REE摻雜劑整合至高純度矽層20中之過渡頻率之光譜擴散。

在圖1C中所說明之下一步驟中，REE摻雜劑22整合至高純度矽層20中，使得高純度矽層20包含濃度為1．10¹⁹cm^-3或更少，諸如2．10¹⁷cm^-3之經整合的REE摻雜劑22。此有限濃度減少REE摻雜劑22及個別的REE摻雜劑22以不利方式影響彼此之團簇。REE摻雜劑22可根據預定深度分佈加以整合，該預定深度分佈係藉由圖1C之左側上之示意性圖表100例示性地指示。毋庸置疑，其他深度分佈對於經整合的REE摻雜劑22亦係可能的。

根據例示性展示之具體實例，REE摻雜劑22藉由在完成生長高純 度矽層20之後進行REE摻雜劑22之植入來整合至高純度矽層20中。植入過程係藉由REE摻雜劑之「雲狀物」102指示。植入可在一個或若干個植入步驟中進行。

根據所描繪具體實例，在REE摻雜劑之植入期間，高純度矽層保持在約500℃之溫度下。植入在兩個植入步驟中以7°之樣品角度進行，其中一個植入步驟以100keV之能量以每cm²之4.5．10¹¹個鉺離子之劑量進行，並且另一植入步驟以350keV之能量以每cm²之1．10¹²個鉺離子之劑量進行。所選擇REE摻雜劑係不具有核自旋之鉺之¹⁷⁰Er同位素。在其他具體實例中，可選擇具有核自旋之同位素¹⁶⁷Er。根據又其他具體實例，可選擇其他同位素及其混合物。

在一些視情況選用之具體實例中，植入溫度可大於300℃，使得植入損壞係藉由在植入過程期間已退火來移除，並且小於650℃以避免在植入期間之REE摻雜劑分離。提供良好折衷之溫度可取決於劑量及植入能量。其可藉由在植入之前及之後量測高純度矽層之折射率來判定。適合溫度選擇可為溫度係高純度矽層之折射率改變小於3%所處的最低溫度。

植入在高純度矽層之介於50nm與150nm之間的深度分佈中產生鉺摻雜劑之均勻濃度。光子裝置展現鉺摻雜劑之光學發射之窄均勻加寬。

出於完整性起見，提及在植入步驟處以十倍大劑量成功地使用相同參數(劑量除外)，該等步驟歸因於較高濃度而導致由於較高濃度之REE摻雜劑的光學發射之較大不均勻加寬。

植入REE摻雜劑可提供以下優點：維持高純度矽層之高晶體品質。使用植入技術(諸如離子植入)之另一優點可為其與CMOS製造技術之相容性，並且可例如藉由使用用於避免REE摻雜劑整合在高純度矽層之非所要部分處之遮罩來實現空間選擇性植入。植入過程之另一優點係濾質器可用於取決於所要自旋性質而直接選擇經植入鉺同位素。

根據其他具體實例，REE摻雜劑22可另外或替代地在磊晶生長過 程期間加以整合。

因此，藉由完成圖1C中所說明之步驟，提供包含具有經整合REE摻雜劑(諸如鉺摻雜劑)之高純度矽層的光子元件10。

在額外另一步驟中，圖1D中所說明，用於習知奈米製造之一或多個步驟可應用於光子元件。奈米製造可針對將光子元件組態為波導及/或諧振器及/或任何其他量子資訊處理裝置。

光子裝置可接著例如用作用於在高純度矽層及視情況晶種層內導引光學輻射之波導。波導可基於全內反射，該全內反射藉由絕緣層16來實現，該絕緣層形成與晶種層14之邊界，具有比晶種層14及高純度矽層20低之折射率，此防止光在大傳播角度範圍中自晶種層14及高純度矽層20傳播至絕緣層16中。同樣地，高純度矽層20之上部表面可與空氣、真空、在幾毫巴之壓力下的稀釋氦氣，或其他氣體接觸，此等氣體具有比高純度矽層20低之折射率且支援全內反射。在其他視情況選用之具體實例中，具有比矽低之折射率的低折射率材料(諸如二氧化矽)可施加在高純度矽層20之上部表面處以支援高純度矽層20內之光學輻射之全內反射。

圖2A示意性地說明根據視情況選用之具體實例的波導24。波導24包含根據視情況選用之具體實例的光子元件10，該光子元件配置在支撐基板26上。光子元件10之高純度矽層20包括REE摻雜劑(圖中未示)且經組態以導引耦合至高純度矽層20中之光學光波。在至少兩個方向上，即在根據圖2A中之圖示的上部側及下部側處，高純度矽層由絕緣層16限制，該等絕緣層具有比矽低之折射率，並且因此，增強在高純度矽層20中導引之光學光波之全內反射。絕緣層可例如由空氣、在幾毫巴之壓力下的稀釋氦氣，或其他氣體、SiO₂或具有比矽低之折射率的任何其他電氣絕緣材料製成。絕緣層16未必必須由同一材料製成。根據視情況選用之具體實例，支撐基板26及下部的絕緣層16及其上附接有高純度 矽層20的視情況選用之晶種層(圖中未示)可為SOI晶圓之部分或可提供為SOI晶圓。圖2B描繪的波導在大多數態樣中對應於圖2A中所展示之波導，而不同之處在於以下事實：支撐基板26之至少部分在光子元件10下面之一些部分處經過移除。

圖3A及圖3B以自上而下視圖(圖3A)及以橫截面視圖(圖3B)示意性地描繪根據視情況選用之具體實例的微型諧振器28。根據所呈現具體實例，微型諧振器28經組態為環形諧振器。在其他視情況選用之具體實例中，微型諧振器可具有不同形狀，諸如例如橢圓形或賽道形狀等。微型諧振器28之直徑可例如為100μm或更少。此外，微型諧振器28可附接至或包含用於將光學輻射耦合進出微型諧振器之耦合波導30。在圖3B中可見，微型諧振器可包含具有高純度矽層20之光子元件，該高純度矽層包括夾設在具有比矽低之折射率之兩個絕緣層16之間的REE摻雜劑以形成波導。根據一些視情況選用之具體實例，光子元件10可在所有側上由具有比矽低之折射率及微型諧振器28之預期使用波長的材料限制。微型諧振器可用於限制光學光波，諸如光子，並且藉由限制光子而在微型諧振器之波導內提供增強型電場強度以增強光子或光學光波與整合至高純度矽層20中之REE摻雜劑之至少部分的耦合。

圖4示意性地說明根據視情況選用之具體實例的用於量子資訊處理裝置之信號轉換器32。信號轉換器32可經組態以將量子相干性自可見光子轉移至微波光子。信號轉換器32包含由兩個電極34形成之電容器，其中根據視情況選用之具體實例的光子元件10配置在該等電極之間。光場，例如單個光子，自附接至其左側之波導24衝擊信號轉換器32。光子耦合至波導24中之REE摻雜劑之自旋，該波導又耦合至信號轉換器之電氣部分中的電磁場，該電氣部分可含有具備兩個或更多個電極34之電容器、電感或線圈36及例如由非線性電感38製成之超導量子位元。信號轉換器之電氣部分中之電磁場可在無線電或微波頻率處。因 此，REE摻雜劑可耦合至信號轉換器32中之光場及電磁場兩者，此允許將量子狀態自一個部分轉移至另一部分。波導24之尖端40用於將光子自波導24耦合成傳播模式，諸如光纖之模式。

圖5示意性地說明根據視情況選用之具體實例的量子資訊處理裝置50。量子資訊處理裝置50包含根據視情況選用之具體實例配置在冷凍機52(諸如低溫裝置)中的光子元件10。

光子元件10可具有耦合至其之光學輸入54，諸如雷射、LED、單個光子等。在一些具體實例中，光學輸入54可包括一次多於一個光學信號，諸如在不同頻率處之兩個或許多雷射波，或一個雷射波及單個光子等。光學輸入54可經由光連接器56(諸如一或多個光纖)耦合至光子元件。在一些具體實例中，光子系統可由外部控制箱58電子地控制，該外部控制箱可經由一或多個電氣連接器62(諸如一或多個同軸電纜)發送、接收、放大、過濾、衰減及/或以其他方式控制進出內部控制箱60之各種信號。內部控制箱60可經由一或多個電氣連接器62(諸如一或多個同軸電纜)發送、接收、放大、過濾、衰減及/或以其他方式控制進出外部控制箱58及光子元件10之各種信號。在一些具體實例中，光子元件10可包括磁鐵，諸如可施加可控制磁場之超導磁鐵，其可諸如經由則曼效應來移位光子元件10之能級。磁鐵可施加具有任何適合強度，諸如在零至一特斯拉或高於一特斯拉之範圍中的磁場。

光子元件10亦可連接至冷凍機52內部之光偵測器64及/或冷凍機52外部之光偵測器64。在說明性具體實例中，冷凍機52內部之光偵測器64可為超導奈米線單光子偵測器(SNSPD)。另外或替代地，在一些具體實例中，光偵測器64可為任何其他種類之光偵測器，諸如光二極體、突崩光二極體、零差檢波器及/或外差檢波器等。光子元件10可經由一或多個光連接器56(諸如光纖電纜)連接至光偵測器64。光偵測器64中各者可經由一或多個電氣連接器(諸如同軸電 纜(圖中未示))連接至其他設備或電子件，諸如外部控制箱58、內部控制箱60。

說明性冷凍機52可為能夠將樣品冷卻至大致10mK之溫度的稀釋冷凍機。在其他具體實例中，冷凍機52可為任何其他適合類型之冷凍機，諸如磁性冷凍機，並且可能夠將諸如光子元件10中之一些或全部的樣品冷卻至不同溫度，諸如77K、4K、1K或100mK。說明性內部控制箱60係在冷凍機52內部，冷卻至低溫，諸如1K。應瞭解，在一些具體實例中，系統可包括多於一個內部控制箱60及/或圖中未示之各種其他電氣元件，該等其他電元件可處於各種溫度，諸如4K、1K、100mK或20mK。說明性外部控制箱58係在冷凍機52外部且在室溫下。應瞭解，在一些具體實例中，系統可包括額外光學及/或電子設備，諸如邏輯電子件、波形成形電子件、光電子件、光調變器等。

在一些具體實例中，光子元件10可包括諧振器。外部控制箱58及/或內部控制箱60可進一步經調適以允許例如藉由將電信號提供至壓電致動器、改變諧振器內之元件之折射率及/或藉由將氣體凍結至諧振器之外部表面來調諧諧振器之頻率。

圖6A及圖6B示意性地描繪根據視情況選用之具體實例的微型諧振器28，該微型諧振器包含根據視情況選用之具體實例的用於量子資訊處理之光子元件10。圖6A以俯視圖展示微型諧振器28。圖6B以側視圖展示圖6A中藉由虛線指示之微型諧振器28之中心區段104。

微型諧振器28包含經調適為光子波導24之光子元件10，其中光子波導24係由摻雜有REE摻雜劑之高純度矽層20形成。高純度矽層可由絕緣層16支撐。選擇波導之尺寸，使得非耦合的光脈衝106、108在二維上由波導24進行空間限制。波導24經組態以使得耦合至波導24中之光脈衝在二維上被限制在REE摻雜之高純度矽層20內。沿著光脈衝106、108之傳播方向以便形成諧振器空腔之另一限制係由施加至高純度矽層20之微觀結構提供，根據該微觀結構，高純度矽層20 包含在高純度矽層20內形成兩個對置的布拉格反射器(Bragg reflector)70a、70b的孔68。代替孔，各別區域可由具有比周圍的高純度矽層20低之折射率的材料形成。布拉格反射器70a、70b經組態以使得耦合至波導24之光脈衝106、108被限制在諧振器空腔中，此諧振器空腔配置在由虛線104指示之中心區中。布拉格反射器中之一者，即布拉格光柵70a，可展現減少之反射性以允許光脈衝進出諧振器空腔之高效耦合。對置的布拉格反射器70b可具有100%或接近於100%之反射性，以便實現具有高品質之微型諧振器28。

歸因於形成布拉格反射器70a、70b之孔68，高純度矽層20在橫截面側視圖(圖6B)中呈現為高純度矽層區段與孔68之交替配置。耦合至微型諧振器28中諧振的光脈衝106、108被限制在波導之中心區域中，從而在高純度矽層區段之區中形成具有電場之局部最大值的駐光波，以符號電場分佈110指示。因此，即使對於具有低脈衝能量之光脈衝且甚至對於單個光子，亦可在高純度矽層區段內實現相當大的電場強度及強度量，從而允許在光子與REE摻雜劑之間的高效耦合。

具有不同頻率之光脈衝106、108可耦合至波導24中且與具有匹配各別光脈衝106、108之頻率之吸收橫截面的各別REE摻雜劑相互作用。各別頻率可取決於各別REE摻雜劑之特定量子狀態，諸如其電子自旋，以及其周圍環境。磁場可經施加以分裂不同自旋狀態之能級。此外，可施加微波輻射，以微波產生器72指示，以控制REE摻雜劑中之一些或全部的自旋狀態。在耦合至波導24中之光子與REE摻雜劑之間交換量子資訊之後，光子(即光脈衝)可耦合出微型諧振器，以符號脈衝指示。

圖7描繪根據又一視情況選用之具體實例的經組態為法布里-珀羅諧振器的微型諧振器28。微型諧振器28包含光子元件10，該光子元件具有配置在兩個多層的介電反射器80a及80b之間的高純度矽層20。高純度矽層具有經整 合REE摻雜劑且由絕緣層16支撐，其中介電反射器80a中之一者整合至絕緣層16中或配置在絕緣層16上。介電反射器80a、80b可包含具有不同折射率以提供所要反射性之多個層。微型諧振器28包括在高純度矽層20與上部介電反射器之間的空隙，該空隙可填充有材料或可抽空。為實現諧振器空腔內之適合束限制，上部的介電反射器80b具有彎曲形狀。上部的介電反射器80b可形成在另一絕緣層內或上。舉例而言，高純度矽層20之厚度可為約2μm。然而，根據其他具體實例，厚度可在自0.2μm至約1mm之範圍中。在諧振器空腔內，可實現駐光波，從而得到電場之分佈，其係藉由電場分佈110示意性地指示。高純度矽層20內之場分佈允許被限制在諧振器空腔中之光波與整合在高純度矽層20中之REE摻雜劑的高效耦合。

10:光子元件

16:絕緣層

18:矽晶圓

22:REE摻雜劑

100:示意性圖表

102:REE摻雜劑之雲狀物

Claims (51)

1. 一種用於量子資訊處理裝置之光子元件(10)，該光子元件(10)包含高純度矽層(20)，其中該高純度矽層(20)含有濃度為10¹⁹cm^-3或更少之經整合的稀土元素(REE)摻雜劑(22)；並且其中整合在該高純度矽層(20)中之該REE摻雜劑(22)的在最低晶場能級之間的光激過渡在4K或更少之溫度下展現1MHz或更少之均勻線寬。
2. 如請求項1之光子元件(10)，其中該高純度矽層(20)中之該REE摻雜劑(22)之該濃度比該高純度矽層(20)中之氧之濃度高至少兩倍。
3. 如請求項2之光子元件(10)，其中該高純度矽層(20)中之該REE摻雜劑(22)之該濃度比該高純度矽層(20)中之任何其他污染物及/或缺陷之濃度高至少兩倍。
4. 如請求項3之光子元件(10)，其中該高純度矽層(20)中之該REE摻雜劑(22)之該濃度比該高純度矽層(20)中之該氧及/或該任何其他污染物及/或該缺陷之該濃度高至少三倍，視情況至少五倍，以及視情況至少十倍。
5. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其中該REE摻雜劑(22)包含鉺摻雜劑或由該鉺摻雜劑組成。
6. 如請求項5之光子元件(10)，其中該鉺摻雜劑之在該最低晶場能級之間的該光激過渡具有在自1.532μm至1.542μm之範圍內的發射波長。
7. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其中該高純度矽層(20)具有5．10¹⁸cm^-3或更少之氧雜質濃度。
8. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其中經整合之該REE摻雜劑(22)整合在矽晶體結構之晶格點處，該晶格點導致在以下波長中之一或多者處自該REE摻雜劑之該最低晶場能級進行該光激過渡：1536.1nm、在1553.5 nm處、1557.8nm、1573.4nm、1584.5nm、1593.6nm、1537.8nm、1558.8nm、1562.6nm、1581.7nm、1590.1nm以及1599.1nm，該波長各自具有+/- 0.5nm之不確定性，及/或其中在該最低晶場能級之間的該光激過渡在20K或更少之該溫度下展現10GHz或更少之該均勻線寬。
9. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其中整合在該高純度矽層(20)中之該REE摻雜劑(22)展現具有與各別最低晶場能級之分離的較高晶場子能級，在4K或更少之該溫度下，該分離在基態中係至少1.5THz且在第一激發態中係至少1THz。
10. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其中整合在該高純度矽層(20)中之該REE摻雜劑(22)的在該最低晶場能級之間的該光激過渡展現電偶極貢獻，使得該REE摻雜劑之光學激發態之輻射衰變時間係0.9ms或更少。
11. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其中整合在該高純度矽層(20)中之該REE摻雜劑(22)的在該最低晶場能級之間的該光激過渡在4K或更少之該溫度下具有50kHz或更少之該均勻線寬。
12. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其中含有該REE摻雜劑(22)之該高純度矽層(20)之至少部分係具有至少50nm之晶粒大小的單晶或多晶。
13. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其中該高純度矽層(20)之一勻應變分佈至少在包含經整合之該REE摻雜劑(22)之該高純度矽層之部分中具有小於1%之晶格常數波動。
14. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其中該高純度矽層(20)由經同位素純化之矽製成。
15. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其進一步包含由矽 形成之晶種層(14)，其中該高純度矽層(20)附接至該晶種層(14)。
16. 如請求項15之光子元件(10)，其進一步包含對於在1.55μm之波長處的光學輻射具有2.4或更少之低折射率的絕緣層(16)，其中該晶種層(14)附接至該絕緣層(16)。
17. 如請求項16之光子元件(10)，其中該絕緣層(16)包含SiO₂及/或SiN或由該SiO₂及/或該SiN組成。
18. 如請求項16之光子元件(10)，其中該絕緣層(16)及該晶種層係絕緣體上矽晶圓(12)之部分。
19. 如請求項15之光子元件(10)，其中該高純度矽層(20)藉由使用磊晶技術附接至該晶種層(14)，該磊晶技術尤其涉及以下技術中之至少一者：化學氣相沉積、物理氣相沉積以及分子束磊晶法。
20. 如請求項16之光子元件(10)，其中該高純度矽層(20)係藉由薄化經附接至該晶種層(14)或該絕緣層(16)之塊狀矽晶體及/或薄矽板來提供。
21. 如請求項15之光子元件(10)，其中該光子元件(10)形成光波導(24)，並且其中該光波導(24)經調適以在該高純度矽層(20)內導引光學輻射。
22. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其中該高純度矽層(20)具有1nm RMS或更少之表面粗糙度。
23. 如請求項1至4中任一項之光子元件(10)，其中該光子元件(10)形成為奈米光子裝置。
24. 一種光波導(24)，其包含如請求項1至23中任一項之光子元件(10)。
25. 一種光諧振器(28)，其包含如請求項1至23中任一項之光子元 件，以及形成至少部分地含有該光子元件(10)之諧振器空腔的一或多個反射器。
26. 一種單光子發射器，其包含如請求項1至23中任一項之光子元件(10)，及/或如請求項21之光波導(24)，及/或如請求項22之光諧振器(28)。
27. 一種量子中繼器，其包含如請求項1至23中任一項之光子元件(10)，及/或如請求項23之單光子發射器，其中該光子元件(10)視情況經調適以充當用於光子之量子記憶體。
28. 一種量子資訊處理裝置(50)，其包含如請求項1至23中任一項之光子元件(10)，及/或如請求項21之光波導(24)，及/或如請求項22之光諧振器(28)，其中該光子元件(10)視情況經調適以充當用於光子之量子記憶體。
29. 一種用於將微波信號轉換成電信波長範圍中之光信號的信號轉換器(32)，其中該信號轉換器包含如請求項1至23中任一項之光子元件(10)，及/或如請求項24之光波導(24)，及/或如請求項25之光諧振器(28)。
30. 一種用於遠端量子電腦之光學互連，其中該光學互連包含如請求項1至23中任一項之光子元件(10)，及/或如請求項24之光波導(24)，及/或如請求項25之光諧振器。
31. 一種將如請求項1至23中任一項之光子元件(10)用於光學讀取及/或控制自旋量子位元之狀態的用途。
32. 一種用於針對在兩個或更多個量子位元之間的光子介導之量子閘的信號轉換器(32)，其中該信號轉換器包含如請求項1至23中任一項之光子元件(10)，及/或如請求項24之光波導(24)，及/或如請求項25之光諧振器(28)。
33. 一種用於產生用於量子資訊處理裝置(50)之光子元件(10)的方法，該方法包含：提供高純度矽層(20)；將稀土元素(REE)摻雜劑(22)整合至該高純度矽層(20)中，使得該高 純度矽層(20)包含濃度為1．10¹⁹cm^-3或更少之經整合的REE摻雜劑(22)。
34. 如請求項33之方法，其中該高純度矽層(20)提供為絕緣體上矽晶圓，並且其中該高純度矽層(20)具有1．10¹⁷cm^-3或更少以及視情況1．10¹⁶cm^-3或更少之雜質之濃度。
35. 如請求項34之方法，其中該絕緣體上矽晶圓提供為浮區(FZ)絕緣體上矽晶圓。
36. 如請求項34或35之方法，其中提供該高純度矽層(20)係藉由拋光該絕緣體上矽晶圓使得該高純度矽層(20)具有至少10nm且不多於5μm之厚度來提供。
37. 如請求項34或35之方法，其中該REE摻雜劑(22)以1．10¹⁷cm^-3或更多之濃度整合。
38. 如請求項33至35中任一項之方法，其中整合該REE摻雜劑(22)包含將該REE摻雜劑植入至該高純度矽層(20)中。
39. 如請求項33至35中任一項之方法，其中該方法進一步包含在介於500℃與650℃之間的溫度下對該高純度矽層(20)進行退火。
40. 如請求項33之方法，其中提供該高純度矽層(20)包含使用磊晶技術來將該高純度矽層(20)沉積至晶種層(14)上，該磊晶技術尤其涉及以下技術中之至少一者：化學氣相沉積、物理氣相沉積以及分子束磊晶法。
41. 如請求項40之方法，其中沉積該高純度矽層(20)之步驟及整合該REE摻雜劑(22)之步驟至少部分地同時進行。
42. 如請求項41之方法，其中在沉積該高純度矽層(20)及整合該REE摻雜劑(22)之該些步驟期間，該晶種層(14)至少部分地保持在介於300℃與650℃之間的溫度下。
43. 如請求項40之方法，其中整合該REE摻雜劑(22)之步驟至少 部分地在完成沉積該高純度矽層(20)之步驟之後進行。
44. 如請求項40之方法，其中將該高純度矽層(20)沉積至該晶種層上包含沉積經同位素純化之矽及/或具有受控同位素組成物之矽。
45. 如請求項33之方法，其中提供結晶高純度矽層(20)涉及提供塊狀高純度矽晶體及將該塊狀高純度矽晶體薄化以降至該結晶高純度矽層(20)之預定厚度及/或拋光該塊狀高純度矽晶體。
46. 如請求項45之方法，其中在將該REE摻雜劑(22)整合至該高純度矽層(20)中之步驟之至少一部分期間，該高純度矽層(20)保持在介於300℃與650℃之間的溫度下。
47. 如請求項33至35中任一項之方法，其中將該REE摻雜劑(22)整合至該高純度矽層(20)中包含至少一個植入步驟及至少一個退火步驟，其中在該至少一個退火步驟期間，該高純度矽層(20)保持在介於300℃與650℃之間的溫度下。
48. 如請求項47之方法，其中將該REE摻雜劑(22)整合至該高純度矽層(20)中包含按交替次序之多個植入步驟及多個退火步驟。
49. 如請求項38之方法，其中溫度係基於植入劑量及/或基於植入能量而選擇。
50. 如請求項38之方法，其中該REE摻雜劑(22)至該高純度矽層(20)中之該植入係以空間選擇性方式進行，其中對該植入進行之空間選擇係視情況基於在該植入的過程期間施加遮罩。
51. 如請求項33至35中任一項之方法，其中提供該高純度矽層(20)包含提供該高純度矽層(20)之多個子層之步驟，並且其中將該REE摻雜劑(22)整合至該高純度矽層(20)中包含多個植入步驟，其中提供該高純度矽層(20)之該多個子層的該步驟及該多個植入步驟係視情況按交替次序來配置。