Bright and pure single-photon source in a silicon chip by nanoscale positioning of a color center in a microcavity

Resumen Técnico: Fuente de fotones únicos brillante y pura en un chip de silicio mediante el posicionamiento a nanoescala de un centro de color en una microcavidad

Planteamiento del problema
La fotónica cuántica de silicio busca procesar estados fotónicos cuánticos en un chip, una capacidad esencial para las tecnologías cuánticas escalables. Sin embargo, el campo está actualmente limitado por la dificultad de generar determinísticamente estados de fotones entrelazados arbitrariamente grandes en un chip de silicio. Aunque existen fuentes integradas basadas en la dispersión de cuatro ondas espontánea, estas sufren un compromiso inherente entre la eficiencia y la emisión de múltiples fotones. Los enfoques alternativos que utilizan fuentes externas acopladas por fibra o la integración híbrida de emisores cuánticos se ven obstaculizados por las pérdidas de acoplamiento. Para superar estas limitaciones, existe una necesidad crítica de fuentes de fotones únicos bajo demanda e indistinguibles integradas directamente en chips de fotónica de silicio. Los centros de color en el infrarrojo cercano dentro del silicio ofrecen una solución prometedora para eludir las pérdidas de acoplamiento, pero su implementación práctica requiere un posicionamiento preciso dentro de cavidades fotónicas para aprovechar el efecto Purcell para la emisión determinística. Los existentes fuentes de fotones únicos (SPS) basadas en silicio con dopantes T, G, G* y erbio enfrentan obstáculos significativos, incluyendo tasas de emisión lentas, baja eficiencia cuántica o procesos de fabricación no selectivos que introducen defectos parásitos.

Metodología
Los autores presentan una estrategia para fabricar una fuente de fotones únicos posicionando determinísticamente un único "centro W" (un defecto puntual específico en el silicio) dentro de una cavidad de rejilla de Bragg circular (CBG) de silicio sobre aislante (SOI). La metodología consiste en un proceso de tres pasos:

1. Posicionamiento a nanoescala mediante implantación de iones: En lugar de localizar emisores preexistentes y luego fabricar cavidades alrededor de ellos (un método limitado por la resolución óptica), los autores crean los emisores en ubicaciones predefinidas. Se deposita una máscara de polimetilmetacrilato (PMMA) de 480 nm de espesor con nanoagujeros de 150 nm de diámetro sobre una oblea de SOI. Se implantan iones de Si+ a través de estos nanoagujeros a 70 keV. El posterior recocido térmico a 200 °C durante 30 minutos activa los centros W, que consisten en tres átomos de silicio intersticiales.
2. Fabricación de la cavidad: Las cavidades de rejilla de Bragg circular, resonantes con la línea de cero fonones (ZPL) del centro W a 1217 nm, se fabrican mediante litografía de haz de electrones y grabado de iones reactivos. Crucialmente, estas cavidades están centradas en las coordenadas nominales de los nanoagujeros, asegurando que el emisor se coloque dentro de la región de alto campo de la cavidad sin necesidad de un mapeo óptico previo.
3. Caracterización: Las propiedades ópticas se analizan mediante espectroscopia de fotoluminiscencia (PL) y mediciones de correlación de fotones bajo excitación de onda continua (CW) y pulsada a 10 K. El montaje utiliza un objetivo de alta apertura numérica (0.65) y detectores de fotón único de nanofilamento superconductor (SNSPD).

Contribuciones clave y resultados
El estudio demuestra una fuente de fotones únicos brillante, pura y linealmente polarizada con los siguientes resultados específicos:

• Alta tasa de conteo de fotones: Bajo excitación de CW por encima del gap, la fuente alcanza una tasa de saturación de conteo de 1.29 ± 0.01 Mcps (millones de cuentas por segundo). Esto es aproximadamente 400 veces mayor que la tasa promedio para centros W individuales en SOI planar, atribuido al aumento de Purcell y a la alta eficiencia de recolección.
• Alta pureza y antibunching: La fuente exhibe un antibunching de fotones limpio. A potencias de saturación ($P = 9.2 P_{sat}$), la función de correlación de segundo orden medida es de $g^{(2)}(0) = 0.06 \pm 0.02$. Bajo una potencia menor ($P = 2.8 P_{sat}$), este valor mejora a $g^{(2)}(0) = 0.03 \pm 0.01$. Estos valores indican una densidad muy baja de defectos fluorescentes parásitos y una emisión de fotones únicos de alta pureza.
• Mejora de la línea de cero fonones (ZPL): El espectro de PL revela que la ZPL representa el 98.6 ± 1.4% de la intensidad de emisión total, una mejora significativa respecto al ~39% observado en SOI sin patrones. Esto confirma que la cavidad mejora selectivamente la emisión de cero fonones.
• Aumento de Purcell: La vida media del estado excitado del centro W se reduce de un valor de volumen de ~34 ns a 7 ± 1 ns en la cavidad. Esta aceleración corresponde a un factor de Purcell $F > 7.2$, confirmando el acoplamiento efectivo del emisor al modo de la cavidad.
• Emisión disparada: Bajo excitación de láser pulsado débil (tasa de repetición de 5 MHz), la fuente demuestra una emisión de fotón único disparada con una pureza de 93 ± 2% ($g^{(2)}(0) \approx 0.07$).
• Precisión de posicionamiento: Las simulaciones numéricas y los datos experimentales confirman que el método de posicionamiento a nanoescala coloca el centro W dentro de 100 nm del centro de la cavidad, donde el aumento de Purcell es máximo.

Significancia y afirmaciones
Los autores afirman que estos resultados representan un "paso importante" hacia fuentes bajo demanda de fotones únicos indistinguibles en el infrarrojo cercano dentro de chips de fotónica de silicio. El trabajo valida al centro W como un candidato prometedor para SPS determinísticos debido a su alta eficiencia cuántica y su emisión relativamente rápida. Además, confirma que las cavidades CBG son atractivas para construir SPS en chips de SOI cuando se combinan con una estrategia de posicionamiento a nanoescala que elude las limitaciones de resolución óptica en la localización de emisores.

El artículo señala que, aunque la fuente actual es brillante y pura, su eficiencia para generar pulsos de fotones únicos está actualmente limitada por el parpadeo (el emisor es ópticamente activo solo ~17% del tiempo) y la recombinación no radiativa. Los autores sugieren que las mejoras futuras podrían lograrse reemplazando la actual cavidad CBG por una cavidad de cristal fotónico acoplada a una guía de onda (por ejemplo, un nanobeam) para aumentar el factor de Purcell y la eficiencia de recolección, así como implementando esquemas de bombeo resonante para mitigar los efectos de repompeo observados a altas potencias de pulso. La estrategia se presenta como compatible con la integración escalable de múltiples fuentes de fotones únicos conectadas al mismo circuito fotónico.