将单光子源与兼容光纤的光子波导集成

把量子光接入日常光纤

未来的量子网络将依赖单个光子流来传递绝对安全的信息并执行新型计算。但大多数单光子器件体积小、脆弱且难以连接到用于远距离传输的普通玻璃光纤。本文展示了一种实用的桥接办法：将芯片上的纳米尺度光源直接耦合到与标准光纤兼容的玻璃波导中，且整个系统在室温下工作。

肩负重任的微小光源

器件的核心是一颗单独的“纳米晶体”，一种直径仅数十亿分之一米的半导体颗粒，能够一次只发射一个光子。这类胶体纳米晶体在制备时以液体悬浮，能被沉积到所需位置，使用起来比那些需要低温或复杂生长工艺的量子光源更方便。作者首先通过标准测试确认超过90%的纳米晶体确实表现为真正的单光子发射体，该测试检测到成对同时到达光子的缺失。光谱显示这些微小光源在约610纳米处有干净明亮的发射——红橙色光；时间统计学结果也证实光子是逐个释放的。

把基底变成光的高速公路

研究团队没有把纳米晶体下面的固体支撑当作被动平台，而是将其设计成主动的导光结构。他们采用成熟的玻璃离子交换工艺制备半埋入式波导——在玻璃内部形成一个折射率略高的狭窄区域，使光像在光纤中那样优先在该区域传播。由于该波导靠近表面，它可以与置于其上的物体发生相互作用。然而模拟结果表明，如果纳米晶体仅简单放置在波导上方玻璃表面，其发射光只有约1–2%被捕获并导入波导。单独的埋入式波导与纳米尺度光源之间既太远又耦合太弱。

用于更好耦合的中间层

为了解决这一问题，研究者在玻璃波导正上方的表面添加了一条非常薄的二氧化钛条带。该材料具有更高的折射率，起到纳米晶体与深层波导之间的踏脚石或桥梁作用。通过三维计算机模拟，他们优化了条带的宽度、高度和长度，使得纳米晶体的光先进入表面条带，然后逐渐转移到埋入的玻璃波导而不被损失。在理想设计中，这种混合结构应能捕获纳米晶体大约四分之一的光子，比裸玻璃的性能提升十倍多。实际制作的器件受表面粗糙度和缺陷影响，仍能比简单方案实现近三倍的收集光强提高。

在室温下实现从芯片到光纤的连接

团队不仅进行了模拟和孤立测量，还将光纤直接“绑接”到玻璃波导的输出端。他们从上方照射纳米晶体并测量从光纤中出现的光，确认单光子特性在穿过芯片的过程中得以保留。对纳米晶体激发态衰减速率的额外测量显示出适度而明确的加速——用普塞尔因子约1.2来描述——表明波导与表面条带的局部光学环境微妙地增强了发射过程。同时，作者识别并分析了来自玻璃中银离子和二氧化钛缺陷的非期望背景发光，并列出若干实际策略以在未来设计中降低此类噪声。

这对量子网络意味着什么

通俗地说，这项工作演示了一个可用的“插座”，使分子尺寸的单光子“灯泡”能够直接插入与电信中使用的玻璃技术相同的系统中。实验证明单个纳米晶体可以将单个光子通过芯片尺度的玻璃波导送入光纤，并且得益于精心设计的中间层，效率显著提高。尽管当前器件仍为原理性验证，存在一些背景光和制程限制，但它为实现可扩展的室温量子光源铺就了现实路径，这些光源可被复制并最终被如金刚石色心等更优发射体替代——而无需更改整体光子学平台。

引用: Broussier, A., Muhammad, M.H., Rahbany, N. et al. Integration of a single photon source with a fibre-compatible photonic waveguide. npj Quantum Inf 12, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01209-y

关键词: 单光子源, 量子通信, 集成光子学, 光学波导, 纳米晶体