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摘要:硅氮化物(SiN)集成光子学是一种具有高度潜力的光子量子信息处理平台。然而,高效生成单光子仍然是一个重大挑战。外延生长的InAs/GaAs量子点(QDs)嵌入波长尺度的纳米腔中,作为单光子源(SPSs)提供了一种有前景的解决方案,但其与SiN的集成尚未得到验证。在本研究中,我们采用光子晶体(PhC)纳米梁腔来实现基于SiN波导的量子点单光子源。我们发现,周期调制的PhC纳米梁腔的二阶模态在动量空间中接近波导模式,并可能为高效耦合量子点单光子源中的光子到波导提供了一种途径。我们分别制造了SiN电路和量子点单光子源,并通过转印技术将单光子源集成到波导上。实验中,我们观察到腔体引起的Purcell增强效应,并确认了单光子成功耦合到波导中。
为了实现明亮且相干的量子点单光子源(QD SPS),将量子点耦合到能够紧密束缚光的光子纳米结构中是至关重要的。发射体与束缚光场之间的耦合会增强发射体的自发辐射速率,称为Purcell增强效应。这不仅能增强发射体的亮度,而且对于要求高重复率的应用至关重要。寿命的缩短有助于减轻去相位过程的影响,从而提高发射光子的不可区分性[23]。此外,纳米结构能够将发射光高效收集到其光学模式中(β),因为它能抑制向其他通道的发射。量子点的Purcell增强效应已在慢光波导[24]、柱形腔[25]和光子晶体(PhC)纳米腔[26]中得到验证。InAs/GaAs量子点嵌入纳米腔中,Purcell增强效应的发射耦合到硅波导中的研究也已被展示[27]。然而,目前尚无报告使用波长尺度纳米腔在SiN上实现量子点单光子源。
在本研究中,我们展示了一种基于纳米腔的InAs/GaAs量子点单光子源,在SiN波导上通过转印技术实现高效Purcell增强的混合集成。我们采用光子晶体(PhC)纳米梁腔来增强量子点的Purcell效应。通过将光子收集到腔模中,光子随后通过辐射耦合到波导中。我们使用了周期调制的PhC纳米梁腔的二阶模,该模态在动量空间中接近波导模态,能够实现相位匹配。实验中,我们观察到量子点的发射光耦合到SiN波导中(通过代工工艺制造),最大Purcell增强因子为4,总体耦合效率为53.1%。在小的调谐偏差下,单光子发射也得到了确认。
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设备结构
图1. (a) GaAs PhC纳米梁单光子源(SPS)在SiN波导上的示意图,嵌入在SiO2中。插图显示了SPS和波导的横截面。(b) 周期调制纳米梁腔体的示意图。图中展示了单位周期a的孔距与间距数之间的关系,对于一个抛物线调制的纳米梁,孔距从腔体中心开始增加,并最终饱和到a。
设备结构的示意图如图1(a)所示。量子点单光子源被放置在SiN波导上方,波导被SiO2包覆。该单光子源是一个基于GaAs的光子晶体(PhC)纳米梁腔,嵌入了InAs/GaAs量子点。量子点发射到波导的总耦合效率可以通过βη来表达。β描述了将量子点发射收集到腔模中的效率,η则表示从腔模到波导的辐射耦合效率。当纳米梁和波导的折射率相似时,可以优化纳米梁的调制,以适应纳米梁的固有品质因数,并通过调整波导的宽度来获得良好的相位匹配(腔模和波导模在动量空间中的重叠)[28,29]。然而,当波导的折射率远低于纳米梁时,良好的相位匹配变得难以实现,导致耦合到波导的速率较低。
GaAs纳米梁、SiN波导和SiO2包覆层的折射率分别为nGaAs = 3.40、nSiN = 2.02和nSiO2 = 1.45。SiN波导的宽度和厚度分别为500 nm和350 nm,在目标波长970 nm时为单模工作。气孔的半径、纳米梁的宽度和纳米梁的厚度分别选为r = 0.260a、w = 1.135a和t = 0.500a,其中a是气孔的周期。图1(b)展示了纳米梁腔体的示意图。腔体通过调节纳米梁中心气孔之间的距离来形成。这些距离按抛物线形增加,分别为a0 = 0.84a,a1 = 0.844a,a2 = 0.858a,a3 = 0.88a,a4 = 0.911a,a5 = 0.951a,并在值a处饱和[30],以利用介质腔模来最大化电场与量子点的重叠。
为了考虑从腔体到波导的辐射耦合的相位匹配,我们研究了腔体模式及其在动量空间中的分布,尤其是放置在SiO2上的PhC纳米梁。我们使用三维有限元法(FEM)进行计算。图2(a)和图2(b)分别展示了1阶模式和2阶模式(a = 260 nm)主电场分量(TE模式)的场型图,并附有相应的动量空间分布。白色虚线表示在970 nm波长时沿x方向传播的波导模式的波数。k空间中的分布是通过场型图的二维傅里叶变换计算得到的,并根据|F(Ey)|/√︂∫∫ dxdy |F(Ey)|²进行归一化。
图2. (a, b) (a) 第一阶模式和 (b) 第二阶模式的主电场分量及其归一化傅里叶变换图,纳米梁腔体位于SiO2上,插图显示了其横截面。白色虚线表示波导模式在970 nm时的波数。(c) 归一化傅里叶变换的线图,展示了 (a) 和 (b) 中kx的函数关系,在ky = 0时。垂直虚线表示波导模式的波数。(d) 纳米梁腔体第一阶模式(实心蓝色)和第二阶模式(实心红色)的共振频率图,作为kx的函数,单位为µm⁻¹,在最大幅度(kmax)处。对应的带边波数(π/a)用空心点和相同颜色的线表示。箭头表示kmax和kBE之间的差异。虚线表示波导模式的色散关系。
图2(c)从图2(a)和图2(b)的k空间分布中提取,ky = 0时的数据。可以看出,2阶模式的峰值位于较低的kx处,相较于1阶模式的峰值,这是由于反对称电场分布和在气孔间距较大的区域中电场分布所导致的分裂。接下来,我们考虑共振频率。图2(d)中,1阶模式(蓝色填充)和2阶模式(红色填充)的共振频率以kx的函数形式(在最大幅度kmax处)以及以π/a的函数形式进行了绘制。
第二阶模式提供了一种相位匹配的方法。特别是,我们已经最大化了单模SiN波导的宽度和厚度,以实现最大的波数。在导模的有效折射率较大的情况下,通常使用第一阶模式。由于腔体的固有损耗较低,理论上的耦合效率可以接近于1。然而,主动III-V族纳米梁腔体的固有损耗通常受限于制造工艺。据我们了解,质量因子通常低于几万[28,32,33],这会降低耦合效率。假设两种模式的质量因子都受限于制造工艺,那么耦合效率主要由腔体到波导的耦合速率决定,而耦合速率又取决于相位匹配。通过增加气孔填充因子并减少纳米梁的宽度或厚度,可以减少腔体模式的有效折射率和kmax,但蚀刻侧壁靠近量子点可能会导致去相干并降低量子点的发射[34]。这还可能导致制造和集成中的困难,如在转印过程中出现的机械脆弱性。因此,具有本征较低kmax的第二阶模式为高效耦合提供了替代方式,并具有更灵活的制造条件。值得注意的是,第三阶模式可以提供更低的kmax,但腔体的固有损耗也会更高。
图3. (a) PhC纳米梁第二阶模式的主电场分量图,该纳米梁耦合到SiN波导,嵌入在SiO2中,插图显示了其横截面。(b) 腔体-波导耦合效率(η)、发射器-腔体耦合效率(β)、总耦合效率(ηβ)和质量因子(Q,右轴)与包层厚度的函数关系图。
我们研究了从纳米梁的第二阶模式到波导的耦合。周期选择为a = 260 nm(w = 295 nm,t = 130 nm),其第二阶共振频率为968.2 nm,质量因子(Q)为48,000,模式体积(V)为0.60(λ/n)³。将纳米梁放置在波导上方,可以如图3(a)所示,通过辐射耦合将腔体模式耦合到波导中。图3(b)展示了在不同包覆层厚度下,耦合到波导后的质量因子(右轴)、腔体-波导耦合效率(η)、发射源-腔体耦合效率(β)以及总耦合效率(ηβ)作为包覆层厚度的函数。η通过检测通过波导和所有通道输出的功率比来计算[29]。在较大包覆层厚度下,质量因子呈指数下降,同时η增加。这表明腔体到波导的辐射耦合。β根据Purcell因子计算,公式为β = FP/(FP + 0.77),考虑到PhC中的光子带隙效应对发射的抑制,并假设量子点位于电场的最大值。需要注意的是,我们从腔体外的集体量子点寿命中测得的0.77因子大于(较小的抑制)先前报道的1D PhC纳米梁的0.5值[35]。我们将其归因于由于纳米梁中的晶格调制导致的局部态密度变化,这会导致对真实抑制的低估。尽管质量因子的降低导致β下降,但由于强Purcell增强,β仍保持较高值。总耦合效率ηβ在包覆层厚度从250 nm到350 nm时高于95%。
图4. (a) 空气悬浮纳米梁腔体的光致发光(PL)谱图,如图所示。不同的共振阶数已标记。(b, c) SiN波导上的纳米梁腔体的PL谱图,通过转印集成,如图所示。(b) 在光栅上方收集时,谱图显示了一个宽的腔体峰和来自耦合量子点(QD)的尖锐峰。(c) 在腔体上方收集时,谱图显示了较为平坦的QD发射背景。图中的标尺条长10 µm,圆圈表示泵浦和收集点的位置。
设备制造与光学表征
SPS和波导是分别制造的,之后通过转印工艺集成。GaAs器件层的总厚度为130 nm,包含自组装的InAs量子点(面积密度=5 × 10^9 1/cm²),这些量子点生长在通过分子束外延(MBE)法在AlGaAs牺牲层和GaAs基底上形成的p-i-n结中。我们通过电子束光刻、反应离子刻蚀(RIE)和湿刻工艺制作了空气悬浮的光子晶体(PhC)纳米梁腔体。空气悬浮腔体的图像见图4(a)。SiN波导通过CMOS工艺制造,波导末端使用周期为1250 nm、占空比为40%的光栅耦合器,将波导耦合的QD发射引导到自由空间。通过数值孔径为0.4的物镜收集波导的光,估算收集效率为15%。2 µm厚的SiO2包层层通过化学气相沉积(CVD)方法沉积在SiN上,并通过反应离子刻蚀(RIE)工艺将其薄化至250 nm的厚度[27]。
我们采用转印工艺选择性地拾取SPS并将其释放到波导上。首先,我们准备了一个图案化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物印模。通过激光光刻、BHF刻蚀SiO2硬掩模和KOH刻蚀Si制备了Si模具。在PDMS涂覆到模具上并固化后,我们得到了具有台阶结构的印模[36]。集成工艺通过自制的转印设备完成,设备包含精密运动控制的工作台和光学显微镜。在拾取过程中,PDMS粘附到单个器件上并迅速剥离,打破器件的固定点。然后,SPS与波导对准。将SPS放置在波导上后,缓慢剥离印模,SPS就会留在波导上。图4(b)显示了转印集成后SPS在SiN波导上的图像。转印工艺已被证明具有高成功率和精度。
集成后的器件通过低温微光致发光(µPL)测量进行表征。我们使用带内置加热器的氦气流冷却系统来降温样品并控制温度。通过泵浦激光激发QD。µPL装置使用×20(N.A. = 0.4)或×50(N.A. = 0.7)物镜来成像样品、聚焦泵浦激光并收集信号。PL信号被传输到配备硅CCD相机的光栅分光计中。图4(a)显示了在4 K下空气悬浮纳米梁腔体的PL谱图。样品通过633 nm连续波半导体激光泵浦,平均功率为20 µW,光聚焦在腔体中心,使用×50物镜,信号从同一位置收集。右侧的图像显示了带有标尺条(长度为10 µm)的腔体。激发激光经过光谱过滤,收集点由分光计的狭缝和相机上的感兴趣区域限制,计算得到的收集区域为2 µm × 2 µm。图中标记了最多可识别的3阶共振。图4(b)显示了通过转印集成到SiN波导上的纳米梁腔体的PL谱图(右侧图像所示,39 K下)。泵浦激光聚焦在腔体中心,收集信号则通过光栅和×20物镜进行。可以看到一个约960 nm的宽2阶腔体共振峰,并伴随几个耦合到它的QD峰。腔体和QD的发射耦合进入波导并通过光栅耦合器输出。集成后,由于环境折射率从空气变为SiO2,腔体共振峰发生了红移。在转印集成后,收集在腔体中心上方的信号(图4(c))时,可以观察到没有明显腔体峰的QD发射的相对平坦谱图,表明腔体与波导之间的高效耦合。
图5. (a) SPS随温度变化的光谱。随着温度的升高,来自QD发射的几个尖锐峰值穿过了宽的腔体峰。(b) 在39 K下测量的腔体耦合QD的时间分辨光致发光,标记在(a)中,并与块体发射对比。(c) 在9 K下测量的QD的单光子自相关性(来自(b)中的QD)。
接下来,我们通过时间分辨光致发光(PL)测量表征了发射器-腔体耦合效率 β。我们使用了一个重复频率为 5 MHz、波长为 785 nm 的脉冲激光。样品被激发,平均功率为 3 µW。信号通过光谱仪进行光谱滤波,以隔离单个QD峰值。然后,信号被耦合进光纤,并传送至超导纳米线单光子探测器。系统的整体时间分辨率为 90 ps,受限于激光脉冲持续时间。通过与激发脉冲相关联的检测来测量时间分辨光致发光。我们还对块体样品中的QD集体进行了测量以作对比。图5(a)显示了随温度变化的PL谱图。腔体模式表现为一个宽的发射峰,并随着温度的升高轻微红移(由粗虚线表示),而来自耦合QD的发射峰则表现为较窄的线,且红移更为明显。我们选择了一个在39 K(959.7 nm)时表现出最大Purcell增强的QD进行时间分辨PL测量。图5(b)显示了该测量结果以及QD集体的结果。信号使用一个三能级的QD模型进行拟合,该模型针对非共振激发,并与仪器响应函数卷积[39]。裸QD集体的自发发射速率被提取为 0.867 ns,而腔体耦合QD的自发发射速率被提取为 0.216 ns。这表明所谓的Purcell增强,即QD的衰减速率被腔体增强,计算得到该QD的增强因子为4。发射器-腔体耦合效率(βexp)根据Purcell因子推算为83.9%,进而得出总耦合效率(ηexpβexp)为 53.1%。
最后,我们进行了一次单光子相关性测量,以确认QD的单光子发射。在信号被收集进光纤后,它通过光纤光束分离器被分配到两个单光子探测器,测量到达时间的相关性。样品使用连续波激光激发,功率为 40 µW。图5(c)显示了测得的标准化二阶相关函数 g(2)(t)。数据使用函数 g(2)(t) = 1−(1−g(2)(0))exp(−t/τ) 进行拟合,其中 τ 是时间常数,经过与系统响应函数的卷积后得到。g(2)(t) 在零延迟时间处显示出反聚集现象 g(2)(0) = 0.1,确认了来自QD的单光子发射。非零的 g(2)(0) 是由于腔体背景发射引起的。需要注意的是,当QD与腔体完全共振时,g(2)(0) 的值由于腔体背景的影响进一步恶化。这里,数据是在如图5(a)所示的轻微失谐条件下在9 K下获得的。
总之,我们展示了一个基于InAs/GaAs QD的单光子源(SPS),它被转移印刷集成在SiN波导上。我们利用了一个具有抛物线调制周期的PhC纳米梁腔体的二阶模式,因为它在动量空间中具有较低的k值。SPS和SiN波导分别制造,然后通过转移印刷进行集成。SPS的发射通过波导引导,效率为53.1%,且通过反聚集发射确认了单光子发射。该设计和制造方法可以应用于其他具有高折射率的混合集成光发射设备,从而实现有效耦合到低折射率的光子集成平台。
关于我们:
OMeda成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合)等领域拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务
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来源:OMeda
OMeda(上海奥麦达微)成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(镀膜、光刻、蚀刻、双光子打印、键合,键合)等工艺拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学,激光器,光子集成电路,Micro LED,功率器件等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务。