Тюнинг микро нитрида кремния

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 15074 (2022) Цитировать эту статью

901 Доступ

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Интеграция однофотонных эмиттеров (SPE) с резонансными фотонными структурами является многообещающим подходом для реализации компактных и эффективных однофотонных источников для квантовой связи, вычислений и зондирования. Эффективное взаимодействие между СПС и фотонным резонатором требует, чтобы резонанс резонатора соответствовал линии излучения СПС. Здесь мы демонстрируем новый метод настройки полостей микрокольц нитрида кремния (Si3N4) путем контролируемого осаждения слоев оболочки. Руководствуясь численным моделированием, мы наносим нанослои диоксида кремния (SiO2) на гребневые структуры Si3N4 с шагом 50 нм. Показана настройка резонанса резонатора, превышающего свободный спектральный диапазон (FSR) 3,5 нм, без ухудшения добротности (добротности) резонатора. Затем мы дополняем этот метод локализованным лазерным нагревом для точной настройки резонатора. Наконец, мы проверяем, что осаждение оболочки не меняет положение и спектральные свойства наночастиц, помещенных в полость, что позволяет предположить, что наш метод может быть полезен для интеграции SPE с фотонными структурами.

Интегрированные квантово-фотонные устройства являются важнейшими элементами будущих квантовых сетей, квантовых компьютеров и датчиков1,2,3,4,5,6,7,8. Одним из важнейших элементов такого устройства является однофотонный эмиттер (ОФЭ), соединенный с резонатором с высокой добротностью. При возбуждении SPE одиночный фотон испускается в режиме резонатора, а затем направляется в оптическую сеть для манипулирования и обнаружения9,10,11,12. Такой интерфейс требует практически идеального согласования линии излучения СФЭ с резонансной линией резонатора. Учитывая внутреннюю неопределенность эмиссионной линии SPE и резонансов резонатора, их согласование требует активной настройки SPE и/или резонатора. Хотя настройка длин волн излучения СПС возможна, например, путем приложения электрических полей13,14,15, возможно, более практично настроить резонансную линию фотонного резонатора.

Методы настройки микрополостей включают термическую и электрооптическую настройку, приложение механического напряжения и послепроизводственную обрезку с функционализацией поверхности или структурированием материала оболочки16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26,27. Большинство этих методов позволяют точно настраивать резонансы полости с контролем в реальном времени. Однако они не лишены технических проблем. Например, тепловая и электрическая настройка требует подачи значительного количества электроэнергии в чип, особенно когда требуется широкополосная настройка во всем свободном спектральном диапазоне (FSR)18,19,20,23,24,25,26. Кроме того, в этом случае электрические контакты должны располагаться рядом с полостями, что усложняет процесс изготовления и может ухудшить характеристики резонатора18. Методы, основанные на нанесении фотохромной пленки или функционализации полиэлектролитом, адресуемым лазером, сильно зависят от толщины наносимого материала, которую трудно контролировать. Эти методы также могут ухудшить оптические свойства полостей из-за модификации поверхности16,17. Обрезка материала оболочки после изготовления требует точного формирования рисунка с помощью электронно-лучевой литографии, а сама оболочка препятствует эффективному соединению со встроенными SPE27. Подходы, основанные на стрессе, требуют сложного изготовления и большого размера устройства для настройки на полный FSR21,22.

Нитрид кремния (Si3N4 или SiN) выделяется в качестве материала для многих прототипов устройств благодаря своей совместимости с КМОП, широкому диапазону прозрачности и относительно высокому показателю преломления (n ~ 2)28,29,30,31. Однако термооптический коэффициент Si3N4 примерно на порядок ниже, чем у кремния32, что затрудняет реализацию стратегий термической настройки, описанных выше. Более того, при криогенных температурах, необходимых для оптимальной работы многих ТПЭ, термооптический коэффициент Si3N4 становится еще меньше.