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

Sintesi Tecnica: Sorgente di fotoni singoli luminosa e pura in un chip di silicio tramite il posizionamento su scala nanometrica di un centro di colore in una microcavità

Problema
La fotonica quantistica del silicio mira a elaborare stati fotonici quantistici su chip, una capacità essenziale per le tecnologie quantistiche scalabili. Tuttavia, il campo è attualmente limitato dalla difficoltà di generare deterministicamente stati di fotoni intrecciati arbitrariamente grandi su un chip di silicio. Sebbene esistano sorgenti integrate basate sulla diffusione spontanea di quattro onde, esse soffrono di un intrinseco compromesso tra efficienza e emissione di multi-fotoni. Approcci alternativi che utilizzano sorgenti esterne accoppiate tramite fibra o l'integrazione ibrida di emettitori quantistici sono ostacolati dalle perdite di accoppiamento. Per superare queste limitazioni, esiste una critica necessità di sorgenti on-demand di fotoni singoli indistinguibili integrate direttamente in chip di fotonica del silicio. I centri di colore nel vicino infrarosso nel silicio offrono una soluzione promettente per aggirare le perdite di accoppiamento, ma la loro implementazione pratica richiede l'inserimento preciso all'interno di cavità fotoniche per sfruttare l'effetto Purcell per l'emissione deterministica. Le attuali sorgenti di fotoni singoli (SPS) basate su silicio basate su difetti T, G, G* ed erbium affrontano ostacoli significativi, tra cui tassi di emissione lenti, scarsa efficienza quantistica o processi di fabbricazione non selettivi che introducono difetti parassiti.

Metodologia
Gli autori presentano una strategia per fabbricare una sorgente di fotoni singoli posizionando deterministicamente un singolo "centro W" (un particolare difetto puntiforme nel silicio) all'interno di una cavità a reticolo di Bragg circolare (CBG) in silicio su isolante (SOI). La metodologia prevede un processo in tre fasi:

1. Posizionamento su scala nanometrica tramite impianto ionico: Invece di localizzare gli emettitori preesistenti e poi fabbricare le cavità attorno ad essi (un metodo limitato dalla risoluzione ottica), gli autori creano gli emettitori in posizioni predefinite. Una maschera in polimetilmetacrilato (PMMA) spessa 480 nm con nanofori di 150 nm di diametro viene depositata su un wafer SOI. Ioni Si+ vengono impiantati attraverso questi nanofori a 70 keV. Il successivo annealing termico a 200°C per 30 minuti attiva i centri W, che consistono in tre atomi di silicio interstiziali.
2. Fabbricazione della cavità: Le cavità a reticolo di Bragg circolare, risonanti con la linea a zero fonone (ZPL) del centro W a 1217 nm, sono fabbricate tramite litografia elettronica e incisione ionica reattiva. Fondamentalmente, queste cavità sono centrate sulle coordinate nominali dei nanofori, garantendo che l'emettitore sia posizionato all'interno della regione ad alto campo della cavità senza una previa mappatura ottica.
3. Caratterizzazione: Le proprietà ottiche sono analizzate tramite spettroscopia di fotoluminescenza (PL) e misurazioni di correlazione di fotoni sotto eccitazione a onda continua (CW) e impulsata a 10 K. L'apparato utilizza un obiettivo ad alta apertura numerica (0.65) e rivelatori di fotoni singoli a nanofili superconduttori (SNSPD).

Contributi chiave e risultati
Lo studio dimostra una sorgente di fotoni singoli luminosa, pura e linearmente polarizzata con i seguenti risultati specifici:

• Elevato tasso di conteggio dei fotoni: Sotto eccitazione CW sopra il gap, la sorgente raggiunge un tasso di saturazione di 1.29 ± 0.01 Mcps (milioni di conteggi al secondo). Questo è circa 400 volte superiore al tasso medio per i singoli centri W in SOI planare, grazie all'incremento di Purcell e all'elevata efficienza di raccolta.
• Alta purezza e antibunching: La sorgente esibisce un pulito antibunching di fotoni. Alla potenza di saturazione ($P = 9.2 P_{sat}$), la funzione di correlazione del secondo ordine è misurata a $g^{(2)}(0) = 0.06 \pm 0.02$. Sotto una potenza inferiore ($P = 2.8 P_{sat}$), questo migliora a $g^{(2)}(0) = 0.03 \pm 0.01$. Questi valori indicano una densità molto bassa di difetti fluorescenti parassiti e un'emissione di fotoni singoli ad alta purezza.
• Incremento della linea a zero fonone (ZPL): Lo spettro PL rivela che la ZPL costituisce il 98.6 ± 1.4% dell'intensità di emissione totale, un miglioramento significativo rispetto al ~39% osservato in SOI non strutturato. Ciò conferma che la cavità potenzia selettivamente l'emissione dello zero fonone.
• Incremento di Purcell: Il tempo di vita dello stato eccitato del centro W è ridotto da un valore bulk di ~34 ns a 7 ± 1 ns nella cavità. Questa accelerazione corrisponde a un fattore di Purcell $F > 7.2$, confermando l'efficace accoppiamento dell'emettitore al modo della cavità.
• Emissione triggerata: Sotto debole eccitazione laser impulsata (frequenza di ripetizione di 5 MHz), la sorgente dimostra un'emissione di fotoni singoli triggerata con una purezza del 93 ± 2% ($g^{(2)}(0) \approx 0.07$).
• Accuratezza del posizionamento: Simulazioni numeriche e dati sperimentali confermano che il metodo di posizionamento su scala nanometrica colloca il centro W entro 100 nm dal centro della cavità, dove l'incremento di Purcell è massimo.

Significatività e rivendicazioni
Gli autori affermano che questi risultati rappresentano un "passo importante" verso sorgenti on-demand di fotoni singoli indistinguibili nel vicino infrarosso all'interno di chip di fotonica del silicio. Il lavoro valida il centro W come un candidato promettente per SPS deterministiche grazie alla sua alta efficienza quantistica e al suo tempo di emissione relativamente veloce. Inoltre, conferma che le cavità CBG sono attraenti per costruire SPS su chip SOI quando combinate con una strategia di posizionamento su scala nanometrica che bypassa i limiti della risoluzione ottica nella localizzazione dell'emettitore.

L'articolo nota che, sebbene l'attuale sorgente sia luminosa e pura, la sua efficienza nella generazione di impulsi di fotoni singoli è attualmente limitata dal blinking (l'emettitore è otticamente attivo solo circa il 17% del tempo) e dalla ricombinazione non radiativa. Gli autori suggeriscono che i miglioramenti futuri potrebbero essere ottenuti sostituendo l'attuale cavità CBG con una cavità a cristallo fotonico accoppiata a guida d'onda (ad esempio, un nanobeam) per aumentare il fattore di Purcell e l'efficienza di raccolta, e implementando schemi di pompaggio risonante per mitigare gli effetti di repumping osservati ad alte potenze impulsate. La strategia è presentata come compatibile con l'integrazione scalabile di molteplici sorgenti di fotoni singoli collegate allo stesso circuito fotonico.