#双光子打印 #量子器件 #氧化铝光波导
摘要
俘获离子为量子信息处理提供了高保真平台，但在大规模相互作用区域网络中传输多个不同波长仍是一个瓶颈。传统的自由空间光传输缺乏可扩展性，而片上光栅耦合器的工作带宽较窄，增加了电路面积和光学接口复杂性。在此，我们展示了一种能够独立寻址单个离子的宽带光子集成电路 。该电路将平面波导透镜与通过晶圆级双光子聚合制造的微镜相结合。该实现可在λ=405–880 nm范围内以5 µm间距寻址三个单个离子，平均强度串扰为-27 dB。我们在此类器件上方俘获了⁴⁰Ca⁺和¹³⁸Ba⁺离子，表征了与钡离子的光学串扰，并演示了钙离子的独立再泵浦。这种单片光子架构将片上模态的宽带寻址引入俘获离子技术。更广泛地说，将增材制造集成到量子器件中有望解锁扩展的设计空间，以实现新型量子架构。
划重点--销售晶圆和加工
划重点--销售晶圆和加工
#光子晶体腔电子束光刻刻蚀加工
468寸PLZTOI薄膜晶圆--180pm/V电光系数高
SOI晶圆：--220nm薄膜/ 3um厚膜-3umSIO2-675um，1万欧双高阻做探测器和量子器件
GEOI晶圆--做探测器和中远红外波导，SMARTCUT工艺
InGaPOI晶圆：2阶和3阶非线性器件--mbe
AlGaAsOI晶圆：非线性器件--mbe
ALNOI晶圆；紫外波导器件和紫外非线性器件
ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺--紫外波导器件
TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，离子束溅射镀膜工艺，吸收小损耗低
SINOI晶圆--超低损耗LPCVD+annealing氮化硅薄膜晶圆，210nm-300nm-400nm-800nm
SICOI晶圆；新型光量子波导平台减薄抛光工艺500nm-700nm-1um
8寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶300600
6寸X切Z切掺镁薄膜铌酸锂晶圆 ，厚膜 3um 5um 和 薄膜 100-600nm
8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产
流片： 6寸 氮化硅 铌酸锂 硅光 超高性价比流片， 1个BLOCK的价格买一整片晶圆
划重点--全国产-超高性价比-6 寸硅光-氮化硅-铌酸锂流片白皮书
我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。
请联系小编免费获取原文
文章名：A broadband, individually addressing two- and three-dimensional photonic integrated circuit for trapped-ion qubit control
作者：Daniel Klawson*,1,4, Yiyang Zhi*,1,4, Bingran You*,2,4, Michael Bareian*,3,4, Elijah Mossman*,3,4 Chun-Yuan Fan1, Arkadev Roy1,4, Ke Sun2,4, Jason Lee2,4, Sung Cheol Yoon2,4, Qiming Wu2,4, Lai Jiang2, Wenjun Ke2, Weiwei Wu2, Sirui Tang1, Zachary Wall3,4, Jiaxiang Wang3,4, Louis Paul Romero1, Sam Vizvary3,4, Steven Diaz3,4, Eric R. Hudson3,4, Wesley C. Campbell3,4, Hartmut Haeffner2,4, and Ming C. Wu1,4* 共同一作
单位：1.Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, Berkeley,California 94720, USA
2.Department of Physics, University of California, Berkeley, Berkeley, California 94720, USA
3.Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, Los Angeles, CA 90095, USA
4.Challenge institute for Quantum Computation, University of California, Berkeley, Berkeley, California 94720, USA
1 引言
俘获离子量子处理器已展示出所有量子计算平台中最高的门保真度和最长的相干时间[1, 2, 3, 4]。然而，超越当前约100个物理量子比特的最先进水平暴露了一个光学工程挑战：对单离子物种的通用控制需要多个不同激光波长，通常跨越近紫外（NUV）到近红外（NIR）范围，用于光致电离、多普勒冷却、再泵浦、搁置、门操作和态读出。这些波长必须以微米级空间精度传输到计算寄存器中的每个量子比特[5, 6]。目前用于离子控制的台式光学组件可能在占地面积、振动敏感性和对准复杂性方面随量子比特数不利扩展[7, 8]。
集成光子学已成为解决这一光学瓶颈的引人注目的解决方案。在这种方法中，激光通过沿离子阱旁边图案化的纳米光子波导路由，并通过片上衍射光栅耦合器发射。单片集成光子离子阱现已与⁴⁰Ca⁺、⁸⁸Sr⁺和¹⁷¹Yb⁺一起得到演示，实现了多波长控制[7]、多离子量子逻辑操作[9]、多区域操作[10,8]、偏振梯度冷却[11]和片上荧光收集[12]。尽管取得了这些进展，当前架构仍依赖光栅耦合器作为最终光束传输元件，引入了重要的光学设计和芯片布局约束。
光栅耦合器的紧密聚焦发射依赖于光的波长尺度、快速变化的空间相位分布。由于光栅发射角、传播常数和孔径相位都依赖于波长，在同时实现高效聚焦和工作带宽之间存在强权衡[13, 14, 15, 16]。例如，逆向设计的双层光栅可将效率提高到95%以上，串扰降至−36 dB以下，但仅限单一波长[17]。因此，向离子传输光束需要多个光栅。在未来使用量子电荷耦合器件（QCCD）架构的大规模量子处理器中[6, 18]，所需光栅数量将与入射路由波导数量成比例。如果每个分段区域包含足够的光栅耦合器以提供该区域内所有量子比特的完全控制，则耦合器占地面积最终限制了该区域可容纳的最大量子比特数。
在本工作中，我们介绍了一种通过晶圆级光刻和增材制造制备的混合导波和自由空间纳米光子架构。我们的集成光学系统能够在表面上方75 µm高度处从λ=405 nm到λ=880 nm传输独立可寻址的光束，覆盖了完全控制Ca⁺或Ba⁺离子所需的所有关键波长[19, 20]。我们在6英寸硅晶圆上制造了二维和三维（2D-3D）光子集成电路（PIC），该工艺将常规波导和3D打印光学器件与表面Paul阱单片集成。然后，我们在制造的PIC上方俘获了⁴⁰Ca⁺和¹³⁸Ba⁺离子。钙离子用于通过片上866 nm光传输演示⁴⁰Ca⁺的独立再泵浦，而钡离子用作光学探针以测量集成光子学的光泄漏。我们的方法将多个波长和多量子比特控制结合到单个光学系统上，为俘获离子量子硬件的可扩展光学控制层铺平了道路。
2 器件架构
我们的2D-3D PIC的渲染图如图1a所示。光子叠层由对称包覆在SiO₂（二氧化硅）中的非晶Al₂O₃（氧化铝）组成，允许从NUV到NIR的宽带光路由。先前的工作已证明该材料平台在375–650 nm范围内传播损耗优于3 dB/cm[21,22]。在片上发射区，导光首先由光刻定义的平面波导透镜调节。离开波导后，光束被通过双光子聚合（2PP）制造的3D双锥非球面微镜（µ-镜）捕获，该微镜将光重定向并聚焦到衬底表面上方约75 µm处的光斑。使用200 nm Al（铝）直接在PIC顶部制造5线表面阱[23]。该金属层具有双重用途：它充当反射镜的反射表面，并将其电连接到表面阱的其余部分，以将离子限制在光束焦点处。
系统的光路从侧面视图如图1b所示。光在电介质叠层内保持导波状态，直到波导透镜的输出端，在那里它以由导模与真空之间折射率对比度定义的数值孔径（NA≈0.3）发散。然后µ-镜将窄的、快速发散的光重定向并聚焦到离子位置。在面内方向（图1c），平面透镜将光学模式从带状波导的亚微米横向尺寸扩展到平板区域约60 µm的孔径，然后通过圆形弯曲端面准直该模式。µ-镜通过聚焦来自平面透镜的准直输出来完成成像系统。每个输入波导映射到离子平面中的一个离散焦点，轴向间距根据波导间距和系统的横向放大率（M_T≈0.5）确定。
制造器件的光学显微图如图1d所示。µ-镜的设计在方法部分讨论，它在中心直流（DC）电极的刻蚀沟槽内与阱表面平齐打印。这减少了3D结构的自由空间散射，并避免了聚合物镜内的射频（RF）功率耗散。中心DC电极包含一个金属切口，清除了电介质平面透镜的光学端面。衬底与打印光学器件之间的对准在所有方向上≤1 µm。镜的电势与中心DC电极相同，以减少µ-镜本身产生的电场畸变[24]。
图1：2D-3D PIC的架构。a，器件的等距渲染图。光子层由非晶Al₂O₃芯层和对称的SiO₂包层组成，图案化在200 nm Al表面电极层下方。在离子相互作用区域，使用光刻定义的光子学和2PP打印光学器件的组合来路由和整形传输到离子位置的光束。b，片上成像系统的侧视图。光束从片上平面透镜孔径出射，并由镀Al反射器聚焦到离子位置。c，片上成像系统的俯视图。平面透镜扩展并准直来自输入带状波导的光学模式。成像系统将每个输入波导映射到不同的焦点。d，完成器件的光学显微图，显示平面透镜、µ-镜和周围的表面阱电极。镜具有与中心DC电极相同的电势。衬底与打印镜之间达到的对准精度在1 µm以内。
3 二维-三维光学器件与离子阱的晶圆级集成
完整器件在6英寸硅晶圆平台上制造。集成光子学层在2PP前工艺中定义（图2a）。工艺制备流程始于5 µm低压化学气相沉积（LPCVD）二氧化硅，随后是120 nm热原子层沉积（ALD）氧化铝，通过深紫外步进光刻机通过SiO₂硬掩模图案化，并使用基于已建立实践的BCl₃/Ar化学刻蚀[21]。然后波导对称包覆5 µm LPCVD二氧化硅。光学端面（用于边缘耦合器和平面透镜）通过非晶硅（a-Si）硬掩模的垂直约9 µm包层刻蚀定义。我们使用低压Ar/CF₄/CHF₃电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）配方产生约89°侧壁，减少出射光束的折射偏转。波导制备后，晶圆被送到2PP代工厂（Printoptix GmbH）进行3D光学器件的打印。所得µ-镜显示出约13 nm RMS的测量表面粗糙度和千分之一的形状偏离设计。晶圆随后返回洁净室进行后处理。
在2PP后工艺流程中（图2b），我们考虑2PP树脂（IP-S）的热、机械和化学兼容性，直接在打印光学器件顶部集成表面电极阱。我们在受控晶圆温度（约25°C）下以旋转、倾斜的晶圆夹几何结构电子束蒸发200 nm铝，以共形涂覆µ-镜；然后Al同时充当镜反射器和表面阱电极。阱电极和平面透镜端面清除在厚i线抗蚀剂（AZ MiR 900）中图案化，标称厚度6.5 µm，端面沟槽中累积厚度15.5 µm，以适应大的晶圆形貌。然后在加热的磷酸/硝酸/乙酸溶液中湿法刻蚀金属，抗蚀剂保护镜表面。显示的显微镜图像来自略有不同的设计，其中µ-镜不紧靠刻蚀沟槽；两种设计在后处理方面没有差异。据我们所知，这是在2PP微光学顶部进行高分辨率光刻和刻蚀的首次演示。这一创新直接实现了3D微光学与表面阱电极的单片集成。
4 宽带、微米级聚焦
我们使用压电驱动共焦轮廓仪表征光学发射，以输入波长405 nm至880 nm重成像器件的发射光束（方法部分）。对于每个波长，我们通过以1.25 µm步长垂直平移轮廓仪并在每个高度捕获强度分布来获取三维光束分布。图3a显示了芯片在h=75 µm（设计的俘获离子高度）处的焦平面强度分布，覆盖从405 nm到880 nm的六个测量波长。光束在整个波段保持紧密的“蝴蝶结”形焦点，证明单个光学元件传输了Ca⁺和Ba⁺操作所需的所有冷却、再泵浦、搁置和门波长。
定量地，该器件沿阱轴实现了微米级聚焦，通过光束的半高全宽（FWHM）测量。FWHM从405 nm处的0.67 µm增加到880 nm处的1.46 µm（图3b）。测量值平均比基于图像几何NA≈0.34的预测值高50%，我们将其归因于非均匀照明孔径和系统中的球差。尽管如此，轴向聚焦在超过500 nm带宽内保持其性能。径向FWHM在所有波长下保持在8 µm以下，集中在5 µm附近，与打印µ-镜的地形限制设定的不对称孔径一致。这种不对称性可能是有益的：在线性离子阱中，离子通常沿轴向排列，量子比特间距约5 µm。这种几何要求沿轴向紧密聚焦以降低串扰，而径向方向可容忍更宽的光束。这种更大的径向光束提高了对离子位置不确定性和制造引起的光束指向误差的稳定性。
图2：集成双光子聚合（2PP）光学器件的6英寸晶圆级制造。a，2PP前工艺流程。氧化铝波导芯层通过ALD生长以获得高光学质量。二氧化硅包层在450°C下通过LPCVD生长。光学端面通过ICP-RIE定义，非晶硅作为垂直侧壁的硬掩模。b，2PP后工艺流程。我们在打印结构上直接进行新颖的后处理。它包括蒸发铝用于表面电极和反射器，然后进行接触光刻和铝刻蚀以定义电极间隙和光学端面。显微镜图像上的所有比例尺均为50 µm。最后，器件通过背面隐形切割分离。
图3：宽带、微米级聚焦。a，通过纳米光子器件在h=75 µm处测量的六个波长（405至880 nm）的焦平面俯视图图像。显示的每个波长色图为该波长下的感知颜色，λ=880 nm为伪彩色。b，轴向（菱形）和径向（圆形）FWHM与波长的关系。有效NA在轴向和径向方向不同，实现的光斑尺寸也不同。c，模拟（532 nm和729 nm）和测量（515 nm和730 nm）的轴上和5 µm偏移焦点的焦平面强度。平均强度串扰为-27.6 dB。d，5 µm间距下515 nm和635 nm同时三光斑照明的测量结果。e，405 nm–880 nm范围内测量的光纤到离子损耗，从左到右的条形段显示传播损耗、光学I/O损耗（来自光纤/边缘耦合器接口）、片上弯曲损耗和µ-镜本身插入损耗的贡献。颜色编码与a相同。
为探测与多量子比特控制相关的串扰，我们进行了模拟（使用麦克斯韦方程的全波求解器）并测量了片上成像系统的最近邻光学串扰。在模拟和实验中，我们光学激发单个输入波导，并监测对应相邻波导空间位置处的强度泄漏。图3c显示了两个代表性波长下的模拟和测量焦平面强度：729 nm（Ca⁺的光学量子比特跃迁）和515 nm（可用于在¹³⁸Ba⁺中实现拉曼跃迁量子门）。在两种情况下，我们观察到在5 µm间距下平均强度串扰低于-27 dB。据我们所知，这是首次演示在单片离子阱PIC中使用单个共享光学元件实现两个不同波长的独立寻址。我们当前的架构满足沿阱寻址三个离子的要求，通过515 nm和635 nm激发实验验证（图3d）。视场受未校正彗差限制约8°。通过引入更多光学元件，可以在不牺牲每个发射体带宽增益的情况下校正这些离轴像差。
我们表征了端到端光纤到离子光学损耗，芯片封装与离子俘获实验中使用的完全相同（图3e）。NIR损耗主要由输入耦合和传播主导，从光纤到焦点总计约10 dB。可见波段损耗在515 nm处升至18.5 dB，短波长损耗在450 nm处达到24 dB，在405 nm处达到35 dB。其中，平面透镜/镜元件本身的光学贡献在整个波段约2 dB，通过减去独立测量的传播、弯曲和耦合损耗提取。因此，短波长性能并非架构的限制，而是氧化铝-on-二氧化硅波导平台的限制，可通过已建立的工艺改进显著改善[22]。
5 离子俘获结果
集成PIC使用¹³⁸Ba⁺和⁴⁰Ca⁺离子进行了测试。使用¹³⁸Ba⁺离子表征了长距离光学串扰，其中直接在µ-镜上方俘获仍在积极研究中，而通过集成光学器件直接照射µ-镜上方的⁴⁰Ca⁺离子得到了演示。
使用制造的表面阱和自由空间激光器演示了¹³⁸Ba⁺离子的俘获（图4a）。中性钡原子通过激光烧蚀溅射靶产生，并使用413 nm和531 nm光光致电离（PI）[25]。PI光束与烧蚀脉冲同步触发以减少光致充电，每次加载尝试将阱表面暴露限制在10 ms以下。在讨论部分讨论了保护暴露电介质免受光致充电的策略。离子加载在阱中心并穿梭到不同位置，分别通过自由空间493 nm和650 nm光进行多普勒冷却和再泵浦。测得的径向本征频率重复为2.5和2.9 MHz，对应RF电压幅度 V_rf=140 V，在集成µ-镜附近的离子寿命为一到两小时。
通过将离子从光束中心移开并测量 S_1/2 → P_3/2 跃迁被驱动的速率来表征集成455 nm传输路径的串扰，在此期间使用前段所述的493 nm冷却和650 nm再泵浦光束连续激光冷却离子。跃迁速率通过量子跳跃荧光迹线确定，通过对亮态停留时间分箱并将其分布拟合到二项式过程以提取平均亮时间 ⟨t_bright⟩。相应的散射速率 R_sc = 1/⟨t_bright⟩ 然后使用已知失谐、束腰和输入功率的饱和参数转换为局域455 nm强度。
在测量期间，100 µW的455 nm光（从共振失谐200 MHz）被耦合到波导中并通过µ-镜输出。使用弱自由空间614 nm光束（<1 nW）从 D_5/2 态再泵浦布居。图4b显示了测量的455 nm强度作为离子轴向位置的函数。在距预期峰值中心120 µm处，在考虑493 nm跃迁强饱和下约50%布居保持在 S_1/2 态后，测量强度比预期峰值强度（从离线测量推断，见图3e）低约57 dB。这种消光与精密光栅耦合器光学中表征的弱旁瓣水平相当，其中在离焦点数十微米处分辨出约60 dB的相对强度[26]。
通过在µ-镜上方俘获⁴⁰Ca⁺，使用自由空间375 nm和422 nm光光致电离从电阻加热炉发射的中性钙原子实现（图4d）。离子使用自由空间397 nm多普勒冷却光进行多普勒冷却，同时使用边界元法（BEM）导出的DC电压轴向穿梭向µ-镜。在µ-镜正上方实现了稳定的双离子晶体，寿命约一小时。
图4：离子俘获和串扰结果。a）¹³⁸Ba⁺的相关能级和光学跃迁。插图显示两个俘获的¹³⁸Ba⁺离子在自由空间493 nm和650 nm光照下的荧光图像。b）⁴⁰Ca⁺的相关能级和光学跃迁。插图显示两个俘获的⁴⁰Ca⁺离子直接在镜顶部的荧光图像（使用所有自由空间光束）。c）测量的455 nm光学串扰强度作为介电切口附近离子位置的函数。蓝点显示从Ba⁺的 S_1/2 → P_3/2 跃迁测量激发速率推断的强度，揭示强度随距介电镜距离增加而降低。阴影区域表示介电/切口区域，其边缘在 x=65 µm。离子位置相对于介电切口中心（x=0）绘制。插图显示同一视场中离子和集成光束的相机图像。d）使用集成866 nm光主要传输到5 µm间距Ca⁺离子对中一个离子的单离子选择性再泵浦演示。图显示CCD相机测量的离子荧光强度，两个高斯拟合显示被寻址离子荧光相比其邻居更强。插图显示镜上方两个Ca⁺离子的相机图像。所有比例尺均为5 µm。
集成866 nm光束被证明可选择性地激发双离子晶体中的单个离子，其相距5 µm的邻居显示出较弱的荧光（图4d）。这作为光学表征测量的独立寻址能力的真实离子确认。离子荧光对比度受到离子轴向定位未优化、跃迁饱和以及离子相对于光束径向对准不完美的综合限制。
在表征制造器件时我们遇到两个主要挑战：钡实验中暴露电介质的充电和钙实验中的阱不稳定性。在钡的情况下，来自平面透镜的暴露电介质产生正电压，削弱轴向约束（见补充信息），阻止我们将离子穿梭到集成光束。我们认为413 nm和531 nm激光可能对电介质充电有贡献。在钙的情况下，器件表征期间面外方向的微运动补偿电压在整个芯片上急剧增加。随后，离子无法再加载到阱中以测试其他波长的性能。假设硅衬底的光致电导率变化可能对阱功能丧失有贡献[27]。在讨论部分，我们考虑了通过在阱电极下方引入接地平面来消除硅充电效应的方法。
6 讨论
在本工作中，我们展示了一种混合2D-3D光子架构，支持将激光光片上传输到三个俘获离子量子比特链。我们的系统具有从405 nm到880 nm的宽带操作，并支持以5 µm间距、平均强度串扰优于−27 dB的独立量子比特寻址。
我们观察到介电和半导体充电限制了阱性能，包括较差的运动相干性。为减少介电充电对俘获的影响，可以在平面透镜端面沉积透明导电氧化物如氧化铟锡（ITO）。先前工作已证明使用ITO作为导电层可实现稳定的阱操作[7,10,27]和高保真双量子比特门[9]。此外，可利用2PP平台打印导电屏蔽——在平面透镜顶部3D打印的金属化悬垂结构，保护离子免受暴露介电平面透镜产生的场影响。
为消除硅中光生载流子引起的RF阻抗波动效应，可以在我们的材料叠层中添加接地平面，位于硅处理层正上方[27]或光学活性电介质上方[9]。接地平面将终止RF场线到达硅衬底。它还屏蔽硅中引入的载流子影响离子量子比特[28,29]。通过在任一或两个位置添加接地平面，我们预期将能够长时间操作阱。
除了器件级改进之外，我们预见随着系统中量子比特数量增加，该架构的可扩展性是有利的。由于单个宽带镜取代了许多光栅，并允许在量子比特寄存器中进行独立寻址，在相同光子占地面积下单个区域中可控制的离子数量将增加，减少QCCD机器中每个时钟周期所需的离子传输次数[30,31]。考虑到µ-镜设计具有全金属覆盖，该系统为密集填充的俘获离子处理器提供了一条可信路径，其中光学传输元件数量仅与离子寄存器数量（而非波长）成比例，而不引入过度充电和加热。综上所述，本文呈现的结果将混合2D-3D光子学定位为推动离子阱量子计算机超越约100个量子比特扩展的有前景平台。
7 方法
导波光子学设计
波导模式在Ansys Lumerical有限差分本征模（FDE）中针对三个工作波段计算。在375–866 nm窗口上的单模工作需要特定波段宽度：近紫外（NUV）：0.55 µm，可见光（VIS）：0.8 µm，近红外（NIR）：1.6 µm，共同120 nm Al₂O₃厚度嵌入5 µm SiO₂包层中。包层厚度由最坏情况866 nm波长下进入下层硅和上层铝的模拟吸收损耗设定。在每个波段设计了低损耗欧拉弯曲，使得模拟弯曲损耗低于每90°转弯0.01 dB。
平面透镜几何在Lumerical 3D时域有限差分（FDTD）中以729 nm波长作为优化目标进行优化。鉴于计算资源限制，几何在小平板波导长度（20 µm）下优化，并通过线性缩放优化平面透镜并随光学系统尺寸增加拟合准直角和模场直径来验证。NUV和NIR之间的集成波分复用器（WDM）通过绝热成形非对称定向耦合器对设计，选择耦合器长度和间隙以保持NUV模式优于25 dB抑制，同时以模拟损耗低于0.1 dB传输NIR。
微镜设计
双锥非球面µ-镜在Ansys Zemax中优化。平面透镜输出模式在Zemax中建模为自定义近轴源，具有各向异性发散角（横向1°，纵向18°）和孔径（75 µm×2 µm），与FDTD输出匹配。反射器表面参数化为双锥面，具有独立的x轴和y轴曲率和圆锥常数，加上16项非球面项。优化分两个阶段进行：第一阶段仅变化四个双锥参数以设定发射角和离子高度；第二阶段细化16个非球面系数以最大化调制传递函数，权重向矢状方向（与阱轴向对齐）倾斜，以优先考虑该方向的焦点紧密性。
优化设计被重新导入Lumerical FDTD，并在每个工作波长下使用UC Berkeley Savio超级计算集群进行全波导到焦平面模拟。
制备
器件在UC Berkeley Marvell Nanolab的6英寸硅晶圆上制造。5 µm SiO₂在450°C下通过LPCVD沉积（Tystar Tytan II）。120 nm Al₂O₃在300°C下通过热ALD使用TMA/H₂O前驱体生长（Cambridge Fiji F200）。200 nm SiO₂硬掩模通过LPCVD沉积，通过UV光刻胶叠层（AR3GSF-600 BARC和Dow UV210GS-0.3）使用248 nm KrF步进光刻机（ASML PAS-5500/300B）图案化，并在Ar/CF₃/CHF₄化学（AMAT Centura eMxP+）中刻蚀。图案使用1:2 BCl₃:Ar反应离子刻蚀（AMAT Centura DPS）转移到氧化铝中。
波导包覆5 µm LPCVD SiO₂。光学端面通过沉积1 µm非晶硅（550°C LPCVD，Tytan 3800）定义，使用Dow UV210GS-0.6在ASML步进光刻机上图案化，在HBr/Cl₂中刻蚀硬掩模，并使用调谐的Ar/CF₄/CHF₃刻蚀将图案转移到10 µm SiO₂叠层中。刻蚀终点通过反射测量法设定，在硅衬底上方留出0.5–1.5 µm氧化物以保持阱电极的电隔离。
晶圆被送到Printoptix GmbH进行每晶圆50个微镜的2PP打印，使用Nanoscribe Quantum X和Nanoscribe IP-S树脂，对准氧化铝刻蚀标记。返回后，在受控晶圆温度（全程低于200°C）下通过倾斜旋转电子束蒸发200 nm Al对镜进行金属化。阱电极和平面透镜端面清除用旋涂AZ MIR 900（标称厚度6.5 µm）图案化，使用i线接触光刻（Karl Suss MA6）曝光，然后在50°C的80% H₃PO₄、5% HNO₃、5% CH₃COOH和10% H₂O浴中湿法刻蚀。晶圆通过背面激光隐形切割（Disco Hi-Tec America）分离。
光学表征
光束分布使用定制压电驱动显微镜测量：50×、0.6 NA无限远校正物镜（Mitutoyo plan apochromat）、可见光管透镜（Thorlabs TTL200）和彩色互补金属氧化物半导体（CMOS）相机（EO-1312C）。显微镜安装在压电平台（Newport ESP300）上，步进分辨率1.25 µm。六只光纤尾纤二极管激光器覆盖405、450、515、635、730和880 nm，向输入光纤阵列注入3–30 mW单模功率。焦平面强度的高动态范围图（图3(d)和(e)）通过每个波长五帧的多曝光拼接获得。
UHV封装
光纤阵列单元（FAU）由Optelligent LLC对准并键合到PIC上。FAU和PIC安装在共享硅基座上，用Epo-Tek 353ND键合。对称熔融石英支撑块用UV固化Optocast 3408 VM附着到FAU侧壁，然后用低热膨胀系数热环氧树脂Masterbond EP21TCHT-1增强，在120°C固化。封装经历了四次连续真空烘烤至50、80、100和125°C，耦合损耗可忽略。
UC Berkeley和UCLA的真空室使用6英寸不锈钢八边形，带2.75英寸CF AR涂层视窗和激光焊接Vacom光纤穿通。泵送采用20 L/s离子泵、钛升华泵、非蒸发吸气剂和烘烤后断开的涡轮泵。离子实验期间保持低于1×10⁻¹⁰ Torr的基压。为在俘获离子实验的现实条件下测试器件，我们使用超高真空（UHV）兼容光纤阵列单元（FAU）（Waveguide Technologies和SQS Vláknová optika）封装器件，如图4(a)所示。通过125°C烘烤实现稳定光学耦合并非易事；我们与Optelligent LLC合作开发了对称支撑基座封装（图4(b)），将FAU安装在共享硅基座上与PIC一起，用UV固化环氧树脂键合并由低热膨胀系数（CTE）热环氧树脂增强。光纤穿通——在多个商用部件的比较放气测试后选择——是激光焊接FC/APC法兰（Vacom）；这种组合在UCB和UCLA的两个独立真空室中达到并在室温下保持低于1×10⁻¹⁰ Torr的基压。
8 补充信息
补充注释1：带电电介质的静电场
俘获离子提供了局域静电场原位探针。我们将施加的静电势写为电极基电势的线性叠加：
其中 V_j 是施加到电极 j 的电压，φ_j(r) 是该电极在单位电压下产生的电势，所有其他电极接地。在微运动零点处，离子位置的总DC电场必须为零。因此，施加的补偿场与局域杂散场等值反向：
因此从补偿电压推断的杂散场为：
产生任意势所需的相应电压使用BEM模拟评估。因此，BEM计算的电极矩阵连同实验确定的补偿电压给出离子位置的杂散电场。通过在离子轴向平移时重复该测量，我们重建了介电边界附近杂散电场的空间依赖性。
微运动补偿通过向RF驱动施加接近离子本征频率的小调制并最小化驱动响应来执行[32]。由于过量微运动与离子从RF零点的位移成正比，调制诱导响应提供了残余DC场的灵敏测量。
对于每个轴向位置，调整补偿电压直到沿测量模式的响应最小化。然后使用BEM将这些电压转换为离子位置的电场。
等效地，BEM解提供了施加势关于离子位置的局域多极展开：
线性系数 E_i 确定补偿场，而二次项确定施加DC电压对本征曲率的贡献。特别是 U_2 决定了对轴向曲率的贡献。
图5(a)显示了离子向介电边界穿梭时测量的轴向杂散场。阴影区域表示切口的介电侧。测量的杂散场对应于介电上的正电荷，在距介电边界几十微米内产生高达几千V/m的杂散场。这种强空间依赖性与局域带电介电片一致[见图5]。重建杂散场的不确定性很可能由离子位置不确定性主导。我们通过蒙特卡罗模拟将该不确定性通过BEM场响应矩阵传播，并将所得场分布的标准偏差作为误差条。
带电介电还修改了俘获势的曲率。局域表面电荷分布可充当“伪电极”[23]，除了均匀杂散场外还产生高阶静电项。这些项通过离子本征频率测量观察到，实验上使用RF参量激发获取。对于主模式 i，总俘获势的曲率与本征频率的关系为：
其中 m 和 q 是离子质量和电荷，u_i 是沿模式 i 主轴方向的坐标，本征频率来自DC势贡献和RF赝势。等效地，测量的本征频率变化提供了局域曲率变化的直接度量。
图5(b)显示了与场数据相同空间范围内测量的轴向本征频率。轴向频率在介电边界附近变化超过三倍，表明轴向曲率有九倍差异。已证明轴向曲率变化会导致穿梭中的加热[33]。
将暴露介电建模为有效伪电极在介电边界附近产生大的反约束轴向曲率，对应约几MHz的轴向频率偏移。图5中的数据对应介电上0.8 V的值。由于离子正下方该电极与离子位置之间的几何耦合很大，即使适中的介电电荷密度也能产生不可忽略的俘获势修改。模拟进一步表明，补偿由此产生的杂散场所需的电极电压在介电附近可能超过典型工作限制，使得在暴露区域上方或附近传输离子时难以维持稳定俘获势。
这些测量表明介电充电使杂散场的全局补偿变得困难。在一个轴向位置的补偿可能在别处留下残余场和曲率误差，大的局域杂散场还可旋转阱的主轴，降低多普勒冷却效率。对于与表面电极离子阱集成的可扩展反射光子学，这些效应代表了重大的技术挑战。因此，实用架构需要主动电荷控制和暴露介电材料的静电屏蔽。
补充注释2：光学串扰
在集成QCCD处理器中，寻址到一个区域的操作光束不得驱动相邻区域中的跃迁。对于俘获离子相关频率的光子，即使弱旁瓣也可能导致光学泵浦、荧光背景或旁观离子的相干旋转。
使用测量的455 nm串扰，我们估计位于介电切口附近离子的散射限制相干时间。光学信号使用Thorlabs CS895MU相机记录，每帧曝光时间15 ms。455 nm测量可表征集成光子学输出杂散光的空间衰减：强度在离子接近光学输出区域时迅速上升，在远程旁观范围内保持较低。为估计残余493 nm光对旁观离子的影响，我们假设相同的相对串扰分布适用于493 nm，并按493 nm强度重新缩放测量分布。对于从¹³⁸Ba⁺ S_1/2 → P_1/2 冷却跃迁失谐 Δ/2π = 10 MHz的493 nm光，基于以下公式，位于距介电切口约120 µm处的离子推断相干时间约为100 µs：
其中 Γ 是 P_1/2 激发态的自然线宽，s(d) 是定义为实时强度除以离子距离 d 处饱和强度的饱和参数，T_coh(d) 是相干时间，T_sc(d) 是散射速率。虽然这展示了集成发射的抑制，但在门操作期间保持旁观离子的相干性需要额外的抑制。
图5：来自带电介电的轴向静电扰动。a，介电区域附近的荧光图像。b，测量的轴向杂散场 Ez 与BEM模拟的比较。c，从本征频率测量使用 ∂²_zΦ = m(2πf_z)²/q 提取的轴向势曲率 ∂²_zΦ。蓝点是实验数据，线宽推导的不确定性；金色曲线是将带电介电表面建模为等电压电极的模拟。阴影区域标记介电。
