Использование фотонной запрещенной зоны в треугольных структурах карбида кремния для эффективного квантового нанофотонного оборудования

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4112 (2023) Цитировать эту статью

Доступы 1914 г.

2 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Карбид кремния входит в число ведущих платформ квантовых информационных материалов благодаря длинной спиновой когерентности и свойствам однофотонного излучения дефектов его центров окраски. Применение карбида кремния в квантовых сетях, вычислениях и зондировании основано на эффективном сборе излучения центра окраски в единой оптической моде. Недавние разработки аппаратного обеспечения на этой платформе были сосредоточены на процессах углового травления, которые сохраняют свойства эмиттера и создают устройства треугольной формы. Однако мало что известно о распространении света в этой геометрии. Мы исследуем образование фотонной запрещенной зоны в структурах с треугольным поперечным сечением, которое можно использовать в качестве руководящего принципа при разработке эффективного квантового нанофотонного оборудования в карбиде кремния. Кроме того, мы предлагаем приложения в трех областях: фильтр TE-pass, фильтр TM-pass и фотонно-кристаллическое зеркало с высокой отражающей способностью, которые можно использовать для эффективного сбора и выбора режима распространения светового излучения.

Центры окраски — это дефекты в монокристаллических материалах с широкой запрещенной зоной, которые могут излучать одиночные фотоны и фотоны, запутанные по спину, которые действуют как квантовые носители информации. Карбид кремния (SiC) является одной из наиболее известных платформ квантового оборудования, поскольку он содержит набор оптически адресуемых центров окраски1 с длительным временем спиновой когерентности2,3,4,5, превосходной яркостью6, ядерными спинами7,8 и телекоммуникационным излучением длины волны1,9. , которые являются подходящими свойствами для квантовой обработки информации. Вдобавок ко всему, SiC обладает большой запрещенной зоной, высокой теплопроводностью, сильной нелинейностью второго порядка, механической стабильностью и развитым промышленным присутствием10, 11, что делает его надежной платформой для различных приложений. В последнее время фотоника в треугольной геометрии оказалась в центре внимания для повышения эффективности таких процессов с твердотельным квантовым эмиттером5, 9, 12, 13. Волновод треугольного сечения получается в результате объемного процесса нанопроизводства, называемого методом углового травления, который успешно применяется реализовано как в алмазе12, 14, так и в SiC5, 13. Предыдущие процессы изготовления были затруднены различными несовершенствами, которые ухудшали оптические свойства центров окраски или ограничивали надежность нанофотонных устройств9. С другой стороны, треугольная геометрия предлагает имплантацию эмиттера в объемные подложки (отдельно стоящие волноводы), что обеспечивает высококачественные центры окраски с лучшей связью и может проложить путь для эффективного квантово-фотонного оборудования.

Развитие квантовых информационных технологий во многом зависит от реализации надежных квантовых сетей9, 15, 16 и генерации произвольных состояний полностью фотонных кластеров17,18,19, которые в платформах центров окраски ограничены низкой эффективностью сбора фотонов. Центры окраски могут иметь как поперечное электрическое (TE), так и поперечное магнитное (TM) оптическое дипольное излучение с телесным углом, охватывающим 4\(\pi\). Следовательно, важно понимать дисперсионные соотношения TE/TM в геометрии треугольного волновода, чтобы контролировать и направлять квантовый свет, излучаемый из центра окраски за счет формирования ФЗЗ, для более высокой эффективности сбора.

Образование фотонных запрещенных зон (PBG) в фотонных кристаллах (PhC) изучалось в последние три десятилетия после открытия, сделанного Яблоновичем и Джоном20, 21. Хотя распространение волн в периодических структурах изучалось почти столетие22, PhCs привлекли внимание благодаря своей надежной возможности удержания света, масштабируемости и малой занимаемой площади23, 24. Сочетание различных рассеивателей с уникальной геометрией решетки10, 11, 25,26,27,28,29,30,31,32,33 привело к более широкие PBG за счет уменьшения симметрии структуры и нашли применение в поляризационных светоделителях34, 35, оптических логических вентилях36, 37, зеркалах38, 39, датчиках40, 41, лазерах42, 43, солнечных элементах44, 45 и других. Тем не менее, большинство этих исследований было проведено с пластинчатой, прямоугольной или цилиндрической геометрией. С другой стороны, ФК треугольного сечения в основном изучались для создания активных фотонных устройств13, 46, 47, тогда как дисперсионные соотношения и формирование ФЗЗ еще предстоит подробно обсудить. Мы исследуем эти свойства, чтобы улучшить фотонную интеграцию в квантовых устройствах на основе центров цвета SiC.