Utilisation de la bande interdite photonique dans des structures triangulaires en carbure de silicium pour un matériel nanophotonique quantique efficace

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4112 (2023) Citer cet article

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Le carbure de silicium fait partie des principales plates-formes de matériaux d'information quantique en raison de la cohérence de spin à long terme et des propriétés d'émission de photons uniques de ses défauts de centre de couleur. Les applications du carbure de silicium dans les réseaux quantiques, l'informatique et la détection reposent sur la collecte efficace de l'émission du centre de couleur dans un mode optique unique. Le développement matériel récent de cette plate-forme s'est concentré sur les processus de gravure d'angle qui préservent les propriétés de l'émetteur et produisent des dispositifs de forme triangulaire. Cependant, on sait peu de choses sur la propagation de la lumière dans cette géométrie. Nous explorons la formation d'une bande interdite photonique dans des structures à section transversale triangulaire, qui peut être utilisée comme principe directeur dans le développement d'un matériel nanophotonique quantique efficace dans le carbure de silicium. En outre, nous proposons des applications dans trois domaines : le filtre passe-TE, le filtre passe-TM et le miroir à cristal photonique hautement réfléchissant, qui peuvent être utilisés pour une collecte efficace et une sélection du mode de propagation de l'émission lumineuse.

Les centres de couleur sont des défauts dans les matériaux monocristallins à large bande interdite qui peuvent émettre des photons uniques et des photons intriqués en spin qui agissent comme supports d'informations quantiques. Le carbure de silicium (SiC) est l'une des plates-formes matérielles quantiques les plus remarquables car elle héberge un ensemble de centres de couleurs adressables optiquement1 avec de longs temps de cohérence de spin2,3,4,5, une excellente luminosité6, des spins nucléaires7, 8 et des émissions de longueurs d'onde de télécommunication1, 9. , qui sont des propriétés appropriées pour le traitement de l'information quantique. De plus, le SiC possède une large bande interdite, une conductivité thermique élevée, une forte non-linéarité du second ordre, une stabilité mécanique et une présence industrielle mature10, 11, ce qui en fait une plate-forme fiable pour une variété d'applications. Récemment, la photonique en géométrie triangulaire a fait l'objet d'une attention particulière pour accroître l'efficacité de tels processus d'émetteurs quantiques à l'état solide5, 9, 12, 13. Le guide d'ondes à section transversale triangulaire résulte d'un processus de nanofabrication en masse appelé méthode de gravure angulaire qui a été couronné de succès. mis en œuvre à la fois dans le diamant12, 14 et dans le SiC5, 13. Les processus de fabrication précédents étaient remis en question par diverses imperfections qui détérioraient les propriétés optiques des centres de couleur ou limitaient la robustesse des dispositifs nanophotoniques9. D’autre part, la géométrie triangulaire permet l’implantation d’émetteurs dans des substrats massifs (guides d’ondes autonomes), ce qui garantit des centres de couleurs de haute qualité avec un meilleur couplage et peut ouvrir la voie à un matériel photonique quantique efficace.

Les progrès de la technologie de l’information quantique dépendent grandement de la réalisation de réseaux quantiques robustes9, 15, 16 et de la génération d’états arbitraires de clusters entièrement photoniques17,18,19 qui, dans les plates-formes de centre de couleur, sont limités par la faible efficacité de collecte de photons. Les centres de couleur peuvent avoir à la fois des émissions optiques de type dipolaire électrique transversale (TE) et magnétique transversale (TM) avec un angle solide couvrant 4\(\pi\). Par conséquent, il est important de comprendre les relations de dispersion TE/TM, dans la géométrie du guide d’onde triangulaire, en vue de contrôler et de diriger la lumière quantique émise par le centre de couleur par la formation de PBG pour une efficacité de collecte plus élevée.

La formation de bandes interdites photoniques (PBG) dans les cristaux photoniques (PhC) a été explorée au cours des trois dernières décennies après la découverte faite par Yablonovitch et John20, 21. Bien que la propagation des ondes dans les structures périodiques ait fait l'objet d'une étude qui a duré près d'un siècle22, les PhC ont attiré l'attention en raison de leur robuste capacité de confinement de la lumière, de leur évolutivité et de leur faible encombrement23, 24. La combinaison de différents diffuseurs avec des géométries de réseau uniques10, 11, 25,26,27,28,29,30,31,32,33 a conduit à des PBG plus larges en réduisant la symétrie de la structure et ont trouvé des applications dans les séparateurs de faisceaux de polarisation34, 35, les portes logiques optiques36, 37, les miroirs38, 39, les capteurs40, 41, les lasers42, 43, les cellules solaires44, 45, et plus encore. Néanmoins, la plupart de ces études ont été menées sur une géométrie de dalle, rectangulaire ou cylindrique. D'autre part, les PhC à section transversale triangulaire ont principalement été étudiées pour la construction de dispositifs photoniques actifs , alors que les relations de dispersion et les formations de PBG doivent encore être discutées en détail. Nous explorons ces propriétés pour faire progresser l’intégration photonique dans les dispositifs quantiques basés sur un centre de couleur SiC.