Afinação do micro de nitreto de silício

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15074 (2022) Citar este artigo

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A integração de emissores de fóton único (SPEs) com estruturas fotônicas ressonantes é uma abordagem promissora para a realização de fontes de fóton único compactas e eficientes para comunicações quânticas, computação e detecção. A interação eficiente entre o SPE e a cavidade fotônica requer que a ressonância da cavidade corresponda à linha de emissão do SPE. Aqui, demonstramos um novo método para ajustar cavidades de microanel de nitreto de silício (Si3N4) por meio da deposição controlada das camadas de revestimento. Guiados por simulações numéricas, depositamos nanocamadas de dióxido de silício (SiO2) em estruturas de crista de Si3N4 em etapas de 50 nm. Mostramos o ajuste da ressonância da cavidade excedendo uma faixa espectral livre (FSR) de 3,5 nm sem degradação do fator de qualidade (fator Q) da cavidade. Em seguida, complementamos esse método com aquecimento a laser localizado para ajuste fino da cavidade. Por fim, verificamos que a deposição do cladding não altera a posição e as propriedades espectrais das nanopartículas colocadas na cavidade, o que sugere que nosso método pode ser útil para integrar SPEs com estruturas fotônicas.

Dispositivos fotônicos quânticos integrados são elementos críticos para futuras redes quânticas, computadores quânticos e sensores1,2,3,4,5,6,7,8. Um dos elementos essenciais de tal dispositivo é um emissor de fóton único (SPE), que é acoplado a uma cavidade de alto fator Q. Após a excitação do SPE, o único fóton é emitido no modo de cavidade e, em seguida, encaminhado para uma rede óptica para manipulação e detecção9,10,11,12. Tal interface requer uma correspondência quase perfeita da linha de emissão do SPE com a linha de ressonância da cavidade. Dada a incerteza intrínseca na linha de emissão do SPE e nas ressonâncias da cavidade, sua correspondência requer um ajuste ativo do SPE e/ou da cavidade. Embora seja possível ajustar os comprimentos de onda de emissão do SPE, por exemplo, aplicando campos elétricos13,14,15, é sem dúvida mais prático ajustar a linha de ressonância da cavidade fotônica.

Os métodos de ajuste de microcavidades incluem ajuste térmico e eletro-óptico, aplicação de estresse mecânico e corte pós-fabricação com funcionalização da superfície ou padrão do material de revestimento16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26,27. A maioria desses métodos permite o ajuste preciso das ressonâncias da cavidade com controle em tempo real. No entanto, eles não estão livres de desafios técnicos. Por exemplo, o ajuste térmico e elétrico exige que uma quantidade significativa de energia elétrica seja fornecida ao chip, especialmente quando é necessário o ajuste de banda larga em uma faixa espectral livre (FSR)18,19,20,23,24,25,26. Além disso, neste caso, os contatos elétricos devem ser posicionados próximos às cavidades, o que dificulta o processo de confecção e pode prejudicar o desempenho da cavidade18. Métodos baseados na deposição de um filme fotocrômico ou na funcionalização com um polieletrólito endereçável a laser dependem fortemente da espessura do material aplicado, que é de difícil controle. Esses métodos também podem degradar as propriedades ópticas das cavidades devido à modificação da superfície16,17. O corte pós-fabricação de um material de revestimento requer padronização precisa com litografia de feixe de elétrons, e o próprio revestimento impede o acoplamento eficiente a SPEs integrados27. Abordagens baseadas em estresse requerem fabricação sofisticada e um grande tamanho de dispositivo para sintonizar todo o FSR21,22.

O nitreto de silício (Si3N4, ou SiN) se destaca como material de escolha para muitos protótipos de dispositivos devido à sua compatibilidade com CMOS, ampla faixa de transparência e índice de refração relativamente alto (n ~ 2)28,29,30,31. No entanto, o coeficiente termo-óptico do Si3N4 é aproximadamente uma ordem de grandeza menor do que o do silício32, o que dificulta a implementação das estratégias de ajuste baseadas em térmicas descritas acima. Além disso, em temperaturas criogênicas necessárias para operar de forma otimizada muitos SPEs, o coeficiente termo-óptico Si3N4 torna-se ainda menor.