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为解决硅光子学与铒离子结合用于电信存储器时，光与物质相互作用有限及潜在额外退相干问题，研究人员开展基于连续域束缚态（BIC）的硅芯片平台研究。结果显示该平台可增强光吸收，实现光子回波，为量子网络应用提供新可能。
在科技飞速发展的当下，量子网络成为了科研领域的热门话题。光学量子记忆作为量子网络的重要基石，能够存储光子携带的脆弱量子信息，对实现分布式量子计算和传感等前沿应用意义非凡。随着量子网络不断拓展，对光学量子记忆的规模要求也越来越高。然而，现有的集成量子记忆研究面临诸多挑战。
传统的集成量子记忆探索中，稀土离子掺杂固态材料因长相干时间、高存储效率和多模能力备受青睐。但早期在晶体中直接制造微型量子记忆的方法，受限于特定材料的制造技术发展，难以实现大规模应用。另一种将硅光子结构与块状稀土掺杂晶体（如铒掺杂晶体）集成的方法，虽与先进硅制造技术和现有光通信基础设施兼容，却因硅的高折射率，导致光场大多局限在硅材料内，只有靠近材料界面的铒离子能与光场有效作用，不仅光与物质相互作用弱，还会造成额外退相干，难以兼顾光与物质相互作用强度和相干时间等关键性能指标。
为突破这些困境，研究人员开启了新的探索之旅。来自未知研究机构的科研团队将目光投向了连续域束缚态（BIC）光子学。他们开展了一项基于 BIC 构建高效片上光学记忆平台的研究，该平台由硅和掺铒晶体的混合结构组成。研究结果令人振奋，这个平台不仅展现出了 0.5 dB/cm 的低传播损耗，而且在光吸收方面相较于传统硅混合设计有了一个数量级的提升。同时，在零磁场下，通过光子回波测量发现铒离子的相干时间达到 2.6 ± 0.6 微秒，与块状晶体的相干时间相近。这一成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为量子网络应用中集成光学记忆的实现带来了新的希望。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在样品制备方面，他们先在掺有 38 - 百万分之三十八铒离子的 Er:YSO 晶体上，通过等离子体增强化学气相沉积法沉积 200 纳米的非晶硅层，再旋涂 350 纳米的聚甲基丙烯酸甲酯层，最后利用电子束光刻技术在聚合物层上图案化波导和光栅耦合器 。在实验测量时，使用椭圆偏振仪测量硅薄膜的折射率，并搭建了由激光源、脉冲控制系统、低温恒温器和单光子超导纳米线探测器组成的实验装置，利用三个声光调制器控制激光输入脉冲和光子检测时间 。
下面来详细看看研究的具体成果：
- BIC 结构设计：BIC 结构由掺铒钇正硅酸盐晶体（Er:YSO）衬底、硅薄膜和图案化聚合物层构成。与传统波导通过折射率引导光不同，BIC 结构通过精确调整聚合物宽度，使散射波产生相消干涉，实现近零辐射损耗和强光限制。研究人员基于此设计并制作了一系列不同长度和聚合物宽度的波导样品，两端集成偏振敏感光栅耦合器用于光的输入输出。
- BIC 效应观测：通过 COMSOL Multiphysics 软件模拟和实际测量，发现 BIC 结构在特定聚合物宽度（如 2.6μm）下，传播损耗极低，模拟值可达 0.02 dB/cm，测量值为 0.5 ± 0.5 dB/cm ，远优于商用非晶硅波导。而且，BIC 结构能让更多光场穿透到 YSO 晶体中，当波导宽度在 0.5 - 2μm 变化时，超过 45% 的光场可穿透，而传统硅波导只有 8% 的光场能进入 YSO 晶体。
- 光场与铒离子的耦合：BIC 结构中光场对 YSO 晶体的高穿透率，意味着光场与铒离子能更高效地相互作用。实验中，用 20 毫秒、1536.47 纳米的共振脉冲激发铒离子，测量光子发光（PL）信号，得到铒离子的激发态寿命为 11.5 毫秒 。连续波激光测量显示，BIC 波导的吸收系数相较于传统结构有数量级的提升，达到 0.8 cm?1 ，为块状晶体吸收的 32% 。
- 光子回波测量：研究人员进行了两脉冲光子回波实验，以探究铒离子的均匀线宽。实验结果表明，在零磁场下，BIC 结构中铒离子的光学相干时间为 T2 = 2.6 ± 0.6 微秒，与块状材料在低温下的相干时间相近，说明 BIC 结构在实验条件下未导致铒离子相干性下降。
综合研究结果和讨论部分，该研究成果意义重大。传统硅波导基混合结构中，界面附近的非均匀电荷环境会破坏铒离子的相干特性，而 BIC 结构在零磁场下，铒离子的均匀和非均匀线宽与块状材料基本一致，尽管还需更长时间尺度研究潜在的相干性降低问题，但目前已展现出良好的应用前景。BIC 平台在光与物质相互作用方面的显著提升，使其能沿用现有的块状材料量子记忆协议。而且，使用更高质量的晶体有望进一步提高吸收系数，结合 BIC 结构可大规模制造的优势，这种高效的片上光学记忆平台将助力实现单芯片多路复用信息处理，推动大规模量子网络的发展，为未来量子技术的广泛应用奠定坚实基础。
