三角炭化ケイ素構造のフォトニックバンドギャップを利用して効率的な量子ナノフォトニックハードウェアを実現

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4112 (2023) この記事を引用

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炭化ケイ素は、その長いスピンコヒーレンスと色中心欠陥の単一光子放出特性により、主要な量子情報材料プラットフォームの 1 つです。 量子ネットワーキング、コンピューティング、センシングにおける炭化ケイ素の応用は、色中心発光を単一の光学モードに効率的に収集することに依存しています。 このプラットフォームにおける最近のハードウェア開発は、エミッタ特性を維持し、三角形のデバイスを製造するアングル エッチング プロセスに焦点を当てています。 ただし、この幾何学的形状における光の伝播についてはほとんど知られていません。 私たちは、炭化ケイ素で効率的な量子ナノフォトニックハードウェアを開発する際の指針として使用できる、三角形の断面を持つ構造におけるフォトニックバンドギャップの形成を調査します。 さらに、TE パス フィルター、TM パス フィルター、高反射フォトニック結晶ミラーの 3 つの分野でのアプリケーションを提案します。これらは、発光の効率的な収集と伝播モードの選択に利用できます。

カラーセンターは、量子情報担体として機能する単一光子およびスピンもつれ光子を放出するワイドバンドギャップ単結晶材料の欠陥です。 炭化ケイ素 (SiC) は、長いスピン コヒーレンス時間 2、3、4、5、優れた輝度 6、核スピン 7、8、通信波長放射 1、9 を備えた光学的にアドレス指定可能な色中心 1 の集合をホストしているため、最も注目すべき量子ハードウェア プラットフォームの 1 つです。 、量子情報処理に適した特性です。 それに加えて、SiC は大きなバンドギャップ、高い熱伝導率、強力な 2 次非線形性、機械的安定性、成熟した産業上の存在感 10、11 を備えており、さまざまなアプリケーションにとって信頼できるプラットフォームとなっています。 最近、このような固体量子エミッタプロセスの効率を高めるために、三角形幾何学構造のフォトニクスが注目されています 5, 9, 12, 13。 三角形断面の導波路は、成功したアングルエッチング法と呼ばれるバルクナノ製造プロセスから得られます。以前の製造プロセスは、カラーセンターの光学特性を劣化させたり、ナノフォトニクスデバイスの堅牢性を制限したりするさまざまな欠陥によって課題が解決されました9。 一方、三角形の幾何学形状では、バルク基板 (自立型導波路) へのエミッターの注入が可能となり、より良好な結合を備えた高品質のカラーセンターが保証され、効率的な量子フォトニックハードウェアへの道を開くことができます。

量子情報技術の進歩は、堅牢な量子ネットワーク 9、15、16 の実現と、カラーセンター プラットフォームでは低いフォトン収集効率によって制限される任意の全フォトニック クラスター状態 17、18、19 の生成に大きく依存します。 カラーセンターは、4\(\pi\) をカバーする立体角を持つ横電気 (TE) および横磁気 (TM) の両方の光学双極子のような発光を持つことができます。 したがって、より高い集光効率を得るために PBG 形成によって色中心から放出される量子光を制御および操作するためには、三角導波路幾何学における TE/TM の分散関係を理解することが重要です。

フォトニック結晶 (PhC) におけるフォトニックバンドギャップ (PBG) の形成は、Yablonovitch と John による発見以来、過去 30 年間にわたって研究されてきました20,21。周期構造における波の伝播はほぼ 1 世紀にわたる研究でしたが、PhC はは、その堅牢な光閉じ込め機能、拡張性、設置面積の小ささにより注目を集めています 23, 24。 ユニークな格子形状を備えたさまざまな散乱体の組み合わせ 10, 11, 25,26,27,28,29,30,31,32,33 により、構造の対称性を減らすことで PBG の幅を広げ、偏光ビームスプリッター 34、35、光論理ゲート 36、37、ミラー 38、39、センサー 40、41、レーザー 42、43、太陽電池 44、45 などへの応用が見出されています。 それにもかかわらず、これらの研究のほとんどは、スラブ、長方形、または円筒形状のいずれかについて行われています。 一方、三角形断面の PhC は、アクティブフォトニックデバイスを構築するために主に研究されてきました 13、46、47 が、分散関係と PBG の形成についてはまだ詳細に議論されていません。 私たちは、SiC カラーセンターベースの量子デバイスにおけるフォトニック統合を進めるために、これらの特性を調査します。