효율적인 양자 나노포토닉 하드웨어를 위한 삼각형 탄화규소 구조의 포토닉 밴드갭 활용

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4112(2023) 이 기사 인용

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실리콘 카바이드는 긴 스핀 일관성과 색상 중심 결함의 단일 광자 방출 특성으로 인해 최고의 양자 정보 재료 플랫폼 중 하나입니다. 양자 네트워킹, 컴퓨팅 및 감지에 탄화규소를 적용하려면 색상 중심 방출을 단일 광학 모드로 효율적으로 수집해야 합니다. 이 플랫폼의 최근 하드웨어 개발은 ​​이미터 특성을 보존하고 삼각형 모양의 장치를 생산하는 앵글 에칭 프로세스에 중점을 두었습니다. 그러나 이 기하학적 구조의 빛 전파에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 우리는 실리콘 카바이드에서 효율적인 양자 나노포토닉 하드웨어를 개발하는 데 지침 원리로 사용될 수 있는 삼각형 단면을 가진 구조에서 포토닉 밴드 갭의 형성을 탐구합니다. 또한, 우리는 빛 방출의 효율적인 수집 및 전파 모드 선택에 활용할 수 있는 TE 통과 필터, TM 통과 필터 및 반사율이 높은 광결정 거울의 세 가지 영역에 대한 응용을 제안합니다.

컬러 센터는 양자 정보 전달체 역할을 하는 단일 광자와 스핀 얽힌 광자를 방출할 수 있는 넓은 밴드 갭 단결정 재료의 결함입니다. 실리콘 카바이드(SiC)는 긴 스핀 일관성 시간2,3,4,5, 우수한 밝기6, 핵 스핀7, 8 및 통신 파장 방출1, 9을 통해 광학적으로 주소 지정이 가능한 색상 센터1 컬렉션을 호스팅하므로 가장 주목할만한 양자 하드웨어 플랫폼 중 하나입니다. 이는 양자 정보 처리에 적합한 특성입니다. 게다가 SiC는 큰 밴드갭, 높은 열 전도성, 강력한 2차 비선형성, 기계적 안정성 및 성숙한 산업적 입지를 갖추고 있어 다양한 애플리케이션을 위한 신뢰할 수 있는 플랫폼입니다. 최근 이러한 고체 양자 방출기 공정의 효율성을 높이기 위해 삼각형 기하학의 포토닉스가 주목을 받고 있습니다. 삼각형 단면 도파관은 앵글 에칭 방법이라고 불리는 벌크 나노제조 공정의 결과입니다. 다이아몬드12, 14 및 SiC5, 13 모두에서 구현되었습니다. 이전 제조 공정은 색상 중심의 광학적 특성을 저하시키거나 나노포토닉 장치9의 견고성을 제한하는 다양한 결함으로 인해 어려움을 겪었습니다. 반면에 삼각형 기하학은 벌크 기판(자립형 도파관)에 이미터 주입을 제공하여 더 나은 결합으로 고품질 색상 중심을 보장하고 효율적인 양자 광자 하드웨어를 위한 길을 열 수 있습니다.

양자 정보 기술의 발전은 강력한 양자 네트워크의 실현과 컬러 센터 플랫폼에서 낮은 광자 수집 효율로 인해 제한되는 임의의 모든 광자 클러스터 상태의 생성에 크게 좌우됩니다. 색상 중심은 입체각이 4\(\pi\)인 횡전기(TE) 및 횡자기(TM) 광학 쌍극자 방출을 모두 가질 수 있습니다. 따라서 더 높은 수집 효율을 위해 PBG 형성에 의해 색 중심에서 방출되는 양자 광을 제어하고 조종한다는 관점에서 삼각형 도파관 기하학에서 TE/TM 분산 관계를 이해하는 것이 중요합니다.

광결정(PhC)에서 광자 밴드 갭(PBG)의 형성은 Yablonovitch와 John20, 21이 발견한 후 지난 30년 동안 탐구되었습니다. 주기 구조에서의 파동 전파는 거의 100년에 걸친 연구였지만22, PhC 강력한 광 제한 기능, 확장성 및 작은 설치 공간으로 인해 주목을 받았습니다23, 24. 다양한 산란체와 고유한 격자 형상10, 11, 25,26,27,28,29,30,31,32,33의 조합으로 인해 구조 대칭을 줄여 더 넓은 PBG를 만들고 편광 빔 분할기34, 35, 광학 논리 게이트36, 37, 거울38, 39, 센서40, 41, 레이저42, 43, 태양 전지44, 45 등에서 응용 분야를 찾았습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 연구의 대부분은 슬래브, 직사각형 또는 원통형 형상에 대해 수행되었습니다. 반면, 삼각형 단면 PhC는 능동 광소자를 구성하기 위해 주로 연구되었지만 분산 관계 및 PBG 형성은 아직 자세히 논의되지 않았습니다. 우리는 SiC 컬러 센터 기반 양자 장치의 광자 통합을 발전시키기 위해 이러한 특성을 탐구합니다.