Accordatura del micro nitruro di silicio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15074 (2022) Citare questo articolo

901 accessi

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

L'integrazione di emettitori a fotone singolo (SPE) con strutture fotoniche risonanti è un approccio promettente per realizzare sorgenti a fotone singolo compatte ed efficienti per comunicazioni, calcolo e rilevamento quantistici. Un'interazione efficiente tra l'SPE e la cavità fotonica richiede che la risonanza della cavità corrisponda alla linea di emissione dell'SPE. Qui mostriamo un nuovo metodo per ottimizzare le cavità dei microanelli di nitruro di silicio (Si3N4) tramite deposizione controllata degli strati di rivestimento. Guidati da simulazioni numeriche, depositiamo nanostrati di biossido di silicio (SiO2) su strutture di cresta Si3N4 in passi di 50 nm. Mostriamo la sintonizzazione della risonanza della cavità che supera un intervallo spettrale libero (FSR) di 3,5 nm senza degradazione del fattore di qualità (fattore Q) della cavità. Successivamente integriamo questo metodo con il riscaldamento laser localizzato per la messa a punto della cavità. Infine, verifichiamo che la deposizione del rivestimento non alteri la posizione e le proprietà spettrali delle nanoparticelle poste sulla cavità, il che suggerisce che il nostro metodo può essere utile per integrare SPE con strutture fotoniche.

I dispositivi fotonici quantistici integrati sono elementi critici per le future reti quantistiche, computer quantistici e sensori1,2,3,4,5,6,7,8. Uno degli elementi essenziali di un tale dispositivo è un emettitore a fotone singolo (SPE), accoppiato a una cavità con fattore Q elevato. All'eccitazione dell'SPE, il singolo fotone viene emesso in modalità cavità e quindi instradato verso una rete ottica per la manipolazione e il rilevamento9,10,11,12. Una tale interfaccia richiede un adattamento quasi perfetto della linea di emissione dell'SPE con la linea di risonanza della cavità. Data l'incertezza intrinseca nella linea di emissione dello SPE e nelle risonanze della cavità, il loro adattamento richiede una sintonizzazione attiva dello SPE e/o della cavità. Mentre è possibile sintonizzare le lunghezze d'onda di emissione dell'SPE, ad esempio applicando campi elettrici13,14,15, è probabilmente più pratico sintonizzare la linea di risonanza della cavità fotonica.

I metodi di regolazione delle microcavità includono la regolazione termica ed elettro-ottica, l'applicazione di stress meccanico e la rifinitura post-fabbricazione con funzionalizzazione della superficie o modellatura del materiale di rivestimento16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26,27. La maggior parte di questi metodi consentono una regolazione accurata delle risonanze della cavità con controllo in tempo reale. Tuttavia, non sono esenti da sfide tecniche. Ad esempio, la sintonizzazione termica ed elettrica richiede che una quantità significativa di energia elettrica venga fornita al chip, soprattutto quando è richiesta la sintonizzazione a banda larga su un intero intervallo spettrale libero (FSR)18,19,20,23,24,25,26. Inoltre, in questo caso, i contatti elettrici dovrebbero essere posizionati vicino alle cavità, il che complica il processo di fabbricazione e potrebbe degradare le prestazioni della cavità18. I metodi basati sulla deposizione di un film fotocromatico o sulla funzionalizzazione con un polielettrolita indirizzabile tramite laser dipendono fortemente dallo spessore del materiale applicato, che è difficile da controllare. Questi metodi possono anche degradare le proprietà ottiche delle cavità a causa della modificazione della superficie16,17. Il taglio post-fabbricazione di un materiale di rivestimento richiede un modello preciso con litografia a fascio di elettroni e il rivestimento stesso impedisce un accoppiamento efficiente con SPE integrati27. Gli approcci basati sullo stress richiedono una fabbricazione sofisticata e dispositivi di grandi dimensioni per adattarsi all’intera FSR21,22.

Il nitruro di silicio (Si3N4 o SiN) si distingue come materiale preferito per molti prototipi di dispositivi grazie alla compatibilità CMOS, all'ampio intervallo di trasparenza e all'indice di rifrazione relativamente elevato (n ~ 2)28,29,30,31. Tuttavia, il coefficiente termo-ottico del Si3N4 è inferiore di circa un ordine di grandezza rispetto a quello del silicio32, il che rende difficile implementare le strategie di ottimizzazione basate sulla termica descritte sopra. Inoltre, alle temperature criogeniche necessarie per far funzionare in modo ottimale molti SPE, il coefficiente termo-ottico Si3N4 diventa ancora più piccolo.