Квантовая фотоника — ключевая технология для вычислений, связи и сенсорики нового поколения. Сердцем таких систем являются источники одиночных фотонов. Двумерный материал — гексагональный нитрид бора hBN — отличная платформа для построения таких источников, так как дефекты в структуре hBN стабильно излучают одиночные фотоны даже при комнатной температуре.
Однако до сих пор интеграция источников в фотонные чипы остаётся сложной задачей: дефекты в hBN создаются в произвольных местах заготовок, и чип приходится подстраивать под них, что ограничивает масштабируемость. В данной работе предложен обратный, детерминированный подход: сначала создается стандартный SiN-волновод, а затем с высочайшей точностью в нужном месте на него «записывается» однофотонный источник с помощью фемтосекундного лазера.
Метод детерминированной интеграции
Исследователи использовали готовые SiN-волноводы, совместимые с кремниевыми фотонными чипами. Методом сухого переноса на центр волновода помещали тонкие кристаллы hBN (HQ Graphene). Следующий ключевой шаг в новом процессе — это создание дефектов с субмикронной точностью. Для этого применяется фемтосекундный лазер Spirit от Spectra Physics с длиной волны 520 нм, фокусируемый через высокоапертурную линзу. Энергия импульса тщательно контролируется вблизи порога абляции материала, чтобы минимизировать зону повреждения и избежать создания множественных излучающих центров в одной области. После лазерной обработки образец отжигают при 900°C для активации оптических свойств дефектов.
Рисунок 1. Формирование одиночных излучателей на фотонном чипе.
Характеристики созданного источника одиночных фотонов
Конфокальная микроскопия подтвердила успех метода, выявив четыре четкие светящиеся точки точно в запланированных местах их формирования. Среди них особенно выделяется излучающий центр S3, продемонстрировавший превосходные и качественные характеристики. Его спектр излучения был узким и содержал ярко выраженные пики на 537 нм и 582 нм, характерные для одиночных дефектов в hBN. Спектр образца регистрировался с помощью спектрометра YIXIST YSM-8103-04-01. Кроме того, важной особенностью S3 стала сильная зависимость интенсивности его свечения от поляризации возбуждающего света, что полностью согласуется с моделью дипольного излучателя. Наряду с этим, излучатель S3 показал высокую практическую пригодность, продемонстрировав значительную яркость со скоростью счета до 2.26 миллионов отсчетов в секунду в режиме насыщения и выдающуюся временную стабильность без каких-либо признаков мерцания или выгорания. Однофотонность режима излучателя была подтверждена при анализе корреляционной функции второго порядка, полученной с использованием TCSPC-модуля Time Tagger Ultra от Swabian Instruments и лавинных фотодетекторов Micro Photon Devices PDM FC.
Рисунок 2. Интеграция одиночных излучателей в оптический волновод.
Достигнут и другой важный результат работы — успешное возбуждение излучателя S3 не напрямую, а через сам SiN-волновод. При накачке 488 нм был зарегистрирован сильный сигнал фотолюминесценции в месте нахождения дефекта. При этом измерения функции корреляции подтвердили, что однофотонные характеристики излучателя сохраняются и при таком косвенном возбуждении. Это доказывает полную совместимость предложенной технологии со стандартными платформами интегральной фотоники.
Заключение
Работа демонстрирует мощный и масштабируемый метод послойной сборки квантовых фотонных устройств. Был предложен новый подход к точному синтезу интегральных источников одиночных фотонов в нужном месте заранее изготовленного стандартного SiN-волновода. Это важный шаг на пути к созданию сложных квантовых схем с множеством источников на одном чипе.
Компания INSCIENCE занимается поставками оборудования для исследований в области квантовых технологий и является официальным дистрибьютором продукции YIXIST.