질화규소 마이크로 튜닝

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15074(2022) 이 기사 인용

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단일 광자 방출기(SPE)와 공진 광자 구조의 통합은 양자 통신, 컴퓨팅 및 감지를 위한 작고 효율적인 단일 광자 소스를 실현하기 위한 유망한 접근 방식입니다. SPE와 광자 공동 사이의 효율적인 상호 작용을 위해서는 공동의 공명이 SPE의 방출선과 일치해야 합니다. 여기에서는 클래딩 층의 증착을 제어하여 질화규소(Si3N4) 마이크로링 캐비티를 조정하는 새로운 방법을 보여줍니다. 수치 시뮬레이션을 바탕으로 우리는 이산화규소(SiO2) 나노층을 Si3N4 능선 구조에 50nm 간격으로 증착합니다. 우리는 공동의 품질 인자(Q 인자)를 저하시키지 않고 3.5 nm의 자유 스펙트럼 범위(FSR)를 초과하는 공동 공진의 조정을 보여줍니다. 그런 다음 캐비티의 미세 조정을 위해 국부적인 레이저 가열로 이 방법을 보완합니다. 마지막으로, 우리는 클래딩 증착이 캐비티에 배치된 나노입자의 위치와 스펙트럼 특성을 변경하지 않는다는 것을 확인했습니다. 이는 우리의 방법이 SPE를 광자 구조와 통합하는 데 유용할 수 있음을 시사합니다.

통합 양자 광자 장치는 미래의 양자 네트워크, 양자 컴퓨터 및 센서1,2,3,4,5,6,7,8에 중요한 요소입니다. 이러한 장치의 필수 요소 중 하나는 높은 Q 인자 공동에 결합된 단일 광자 방출기(SPE)입니다. SPE가 여기되면 단일 광자가 캐비티 모드에서 방출된 다음 조작 및 감지를 위해 광학 네트워크로 라우팅됩니다9,10,11,12. 이러한 인터페이스에는 SPE의 방출 선과 공동의 공명 선이 거의 완벽하게 일치해야 합니다. SPE 방출선과 공동의 공진의 본질적인 불확실성을 고려할 때 이를 일치시키려면 SPE 및/또는 공동의 활성 조정이 필요합니다. 예를 들어 전기장을 적용하여 SPE의 방출 파장을 조정하는 것이 가능하지만 광자 공동의 공명 선을 조정하는 것이 더 실용적입니다.

미세 공동을 조정하는 방법에는 열 및 전기 광학 조정, 기계적 응력 적용, 표면 기능화 또는 클래딩 재료 패턴화를 통한 제작 후 트리밍이 포함됩니다. 24,25,26,27. 이러한 방법의 대부분은 실시간 제어를 통해 캐비티 공진을 정확하게 조정할 수 있습니다. 하지만 기술적인 어려움에서 자유롭지는 않습니다. 예를 들어, 열 및 전기 튜닝에는 칩에 전달되는 상당한 양의 전력이 필요하며, 특히 FSR(완전 자유 스펙트럼 범위)에 걸친 광대역 튜닝이 필요한 경우에는 더욱 그렇습니다. 더욱이 이 경우 전기 접점은 캐비티 옆에 위치해야 하며, 이는 제조 공정을 복잡하게 하고 캐비티 성능을 저하시킬 수 있습니다18. 광변색성 필름의 증착 또는 레이저 주소 지정이 가능한 고분자 전해질을 이용한 기능화를 기반으로 하는 방법은 적용되는 재료의 두께에 크게 좌우되며 이는 제어하기 어렵습니다. 이러한 방법은 표면 변형으로 인해 공동의 광학적 특성을 저하시킬 수도 있습니다. 클래딩 재료의 제작 후 트리밍에는 전자빔 리소그래피를 사용한 정밀한 패터닝이 필요하며 클래딩 자체는 통합 SPE와의 효율적인 결합을 방지합니다. 스트레스 기반 접근 방식은 전체 FSR21,22에 걸쳐 조정하기 위해 정교한 제작과 대규모 장치 크기가 필요합니다.

실리콘 질화물(Si3N4 또는 SiN)은 CMOS 호환성, 넓은 투명도 범위 및 상대적으로 높은 굴절률(n ~ 2)28,29,30,31로 인해 많은 장치 프로토타입에 선택되는 재료로 두드러집니다. 그러나 Si3N4의 열 광학 계수는 실리콘32보다 약 10배 낮기 때문에 위에서 설명한 열 기반 튜닝 전략을 구현하기가 어렵습니다. 게다가 많은 SPE를 최적으로 작동하는 데 필요한 극저온에서는 Si3N4 열광학 계수가 더욱 작아집니다.