Light顶刊成果：室温高灵敏度光子集成电路与SPAD阵列的直接耦合技术

研究背景 
传统量子光子学实验依赖低温超导纳米线单光子探测器（SNSPD）与光纤耦合，存在系统复杂性高、扩展性受限等问题。本研究提出一种基于飞秒激光写入（FLW）的可重构光子集成电路（PIC）与硅单光子雪崩二极管（SPAD）阵列直接耦合方案，旨在实现室温下的高效光子探测与动态调控。

方法与技术亮点
1. 飞秒激光写入技术：在玻璃基板中制备低损耗波导（传播损耗0.11 dB/cm，模式尺寸3.1×3.4 μm²），结合热光相位调制器（TOPS）实现可重构马赫-曾德干涉仪（MZI）。  
2. SPAD阵列设计：采用定制平面工艺开发25 μm活性区域SPAD，击穿电压<40 V，室温下探测效率（PDE）达50.2%，暗计数率（DCR）4.5–25.4 kcount/s。  
3. 直接耦合方案：通过精密六足机器人实现PIC与SPAD的无损对准，横向容差±10 μm，纵向容差70 μm，耦合效率接近100%。

核心成果
- 系统检测效率（SDE）创新高：在561 nm波长下实现41.0%的SDE，为直接耦合与异质集成系统的当前最高值。  
- 鲁棒性与抗干扰验证：光串扰低于-25 dB，且首次量化空气间隙引起的纳米级干涉效应（周期280.5 nm，PDE波动3.2%），提出光学胶键合或抗反射镀膜优化方案。  
- 动态调控能力：集成TOPS的MZI仅需26.0 mW功耗即可实现π相位调谐，支持复杂量子态操控。

应用前景
该技术兼容三维光子电路与二维SPAD阵列的扩展，可支持千通道级量子处理器与高密度探测模块的集成，为星载量子通信、室温全集成量子计算及分布式量子网络提供了关键技术基础。未来通过引入硅通孔（TSV）与三维堆叠工艺，有望进一步推动规模化量子系统的实用化进程。

总结
本研究通过跨平台技术优化，解决了传统量子光学系统的低温依赖与扩展性瓶颈，为高效、紧凑的室温量子光子学实验平台提供了创新范式。相关成果发表于《Light: Science & Applications》（IF=20.3），标志着集成光子器件与单光子探测技术的重大突破。