Afinación de nitruro de silicio micro

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15074 (2022) Citar este artículo

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La integración de emisores de un solo fotón (SPEs) con estructuras fotónicas resonantes es un enfoque prometedor para la realización de fuentes de un solo fotón compactas y eficientes para comunicaciones cuánticas, computación y detección. La interacción eficiente entre el SPE y la cavidad fotónica requiere que la resonancia de la cavidad coincida con la línea de emisión del SPE. Aquí demostramos un nuevo método para ajustar las cavidades de microanillos de nitruro de silicio (Si3N4) mediante la deposición controlada de las capas de revestimiento. Guiados por simulaciones numéricas, depositamos nanocapas de dióxido de silicio (SiO2) en estructuras de crestas de Si3N4 en pasos de 50 nm. Mostramos la sintonización de la resonancia de la cavidad que supera un rango espectral libre (FSR) de 3,5 nm sin degradación del factor de calidad (factor Q) de la cavidad. Luego complementamos este método con calentamiento láser localizado para el ajuste fino de la cavidad. Finalmente, verificamos que la deposición del revestimiento no altera la posición y las propiedades espectrales de las nanopartículas colocadas en la cavidad, lo que sugiere que nuestro método puede ser útil para integrar SPE con estructuras fotónicas.

Los dispositivos fotónicos cuánticos integrados son elementos críticos para futuras redes cuánticas, computadoras cuánticas y sensores1,2,3,4,5,6,7,8. Uno de los elementos esenciales de un dispositivo de este tipo es un emisor de fotón único (SPE), que está acoplado a una cavidad de alto factor Q. Tras la excitación del SPE, el fotón único se emite en el modo de cavidad y luego se enruta a una red óptica para su manipulación y detección9,10,11,12. Tal interfaz requiere una coincidencia casi perfecta de la línea de emisión del SPE con la línea de resonancia de la cavidad. Dada la incertidumbre intrínseca en la línea de emisión del SPE y las resonancias de la cavidad, su adaptación requiere una sintonización activa del SPE y/o de la cavidad. Aunque es posible ajustar las longitudes de onda de emisión del SPE, por ejemplo, mediante la aplicación de campos eléctricos13,14,15, podría decirse que es más práctico ajustar la línea de resonancia de la cavidad fotónica.

Los métodos de sintonización de microcavidades incluyen la sintonización térmica y electroóptica, la aplicación de tensión mecánica y el recorte posterior a la fabricación con funcionalización de la superficie o estampado del material de revestimiento16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26,27. La mayoría de estos métodos permiten un ajuste preciso de las resonancias de la cavidad con control en tiempo real. Sin embargo, no están libres de desafíos técnicos. Por ejemplo, la sintonización térmica y eléctrica requiere que se suministre una cantidad significativa de energía eléctrica al chip, especialmente cuando se requiere una sintonización de banda ancha en un rango espectral libre (FSR) completo18,19,20,23,24,25,26. Además, en este caso, los contactos eléctricos deben colocarse junto a las cavidades, lo que complica el proceso de fabricación y puede degradar el rendimiento de la cavidad18. Los métodos basados ​​en la deposición de una película fotocrómica o la funcionalización con un polielectrolito direccionable por láser dependen en gran medida del espesor del material aplicado, que es difícil de controlar. Estos métodos también pueden degradar las propiedades ópticas de las cavidades debido a la modificación de la superficie16,17. El recorte posterior a la fabricación de un material de revestimiento requiere un patrón preciso con litografía por haz de electrones, y el propio revestimiento evita el acoplamiento eficiente a los SPE integrados27. Los enfoques basados ​​en estrés requieren una fabricación sofisticada y un tamaño de dispositivo grande para sintonizar todo el FSR21,22.

El nitruro de silicio (Si3N4 o SiN) se destaca como material de elección para muchos prototipos de dispositivos debido a su compatibilidad con CMOS, su amplio rango de transparencia y su índice de refracción relativamente alto (n ~ 2)28,29,30,31. Sin embargo, el coeficiente termoóptico de Si3N4 es aproximadamente un orden de magnitud más bajo que el de silicon32, lo que dificulta la implementación de las estrategias de ajuste térmicas descritas anteriormente. Además, a las temperaturas criogénicas requeridas para operar de manera óptima muchos SPE, el coeficiente termoóptico de Si3N4 se vuelve aún más pequeño.

En este trabajo, proponemos y realizamos un método para la sintonización de banda ancha de las cavidades de Si3N4. Se basa en depositar un revestimiento de dióxido de silicio (SiO2) de espesor controlado sobre cavidades de Si3N4 con pasos de decenas de nanómetros. Mostramos que dentro del rango de espesores de la capa de revestimiento de 200 a 500 nm, podemos ajustar la posición de resonancia dentro de una FSR de 3,5 nm. Aunque este método solo puede afinar la resonancia en pasos relativamente gruesos, se puede complementar con otros métodos de afinación fina. Sin embargo, este método nos permite acercar primero las resonancias de la cavidad y la longitud de onda de emisión SPE a una aproximación aproximada, antes de ajustar con otro enfoque. Con este fin, demostramos el ajuste fino de la cavidad aplicando calor láser después de depositar el revestimiento de SiO2. También mostramos que la deposición de SiO2 no cambia la posición y las propiedades espectrales de los SPE (un nanocristal de diamante en nuestro caso) que se colocaron anteriormente en la cavidad del anillo.

Consideramos una guía de ondas de cresta con el revestimiento inferior y superior de SiO2 y aire, respectivamente. La figura 1a muestra la sección transversal de la guía de ondas de cresta. El núcleo de Si3N4 tiene un índice de refracción de 2,087 (valor medido a 737 nm) con un ancho w y una altura h = 250 nm. En este trabajo consideramos dos anchos nominales de diseño, w = 330 y 480 nm. Los parámetros geométricos de las guías de ondas están diseñados para soportar la propagación monomodo para las polarizaciones de luz TM y TE con bajas pérdidas.

Distribución del revestimiento de SiO2 alrededor de la guía de ondas de Si3N4. (a) Esquema de una guía de ondas de cresta con revestimiento inferior y superior de aire y SiO2, respectivamente. (b) Esquema para consideración teórica con una capa adicional de SiO2 depositada. (c) Una guía de ondas de canal, con el revestimiento superior e inferior de SiO2. (d) Sección transversal TEM de una guía de ondas de Si3N4 de aw = 480 nm después de depositar un revestimiento de SiO2 de = 500 nm de espesor. (e) Dimensiones medidas de la guía de ondas Si3N4 aw = 480 nm.

Suponemos que la deposición de SiO2 forma una capa con espesor t sobre la capa de revestimiento inferior y la capa central, paralela al eje x. Esto se muestra esquemáticamente en la Fig. 1b. La línea normal de la capa adicional es paralela al eje y. En realidad, habrá una capa delgada de SiO2 (con la línea normal a lo largo del eje x) que rodea los bordes verticales del núcleo. Sin embargo, es difícil obtener un valor determinista para el espesor de dicha capa. Por lo tanto, se ha descuidado en el modelo teórico. La guía de onda de cresta (antes de la deposición) representa t = 0, y otro extremo t = ∞ representa una guía de onda de canal (Fig. 1c). El ejemplo de la distribución real de SiO2 sobre la guía de ondas de Si3N4 se muestra en la Fig. 1d,e (consulte la sección "Fabricación del dispositivo").

Las propiedades ópticas de la guía de ondas en función de t se obtienen resolviendo la ecuación de Maxwell bidimensional independiente del tiempo33. En la Fig. 2, mostramos el perfil del modo óptico de las guías de ondas (w = 480 nm) para t = 0 (cresta), t = 150 nm y t = ∞, para polarizaciones TE y TM. Para la polarización TE, los componentes Ex y Hy son dominantes. Por otro lado, para la polarización TM, Ey y Hx son dominantes. El contraste en el índice de refracción entre el revestimiento superior (aire) y el núcleo es mayor que el contraste entre el revestimiento inferior (SiO2) y el núcleo de la guía de ondas de cresta. Por lo tanto, la simetría vertical se rompe en el patrón de modo óptico. Además, el grado de penetración modal es mayor en el revestimiento inferior que en el superior. A medida que aumenta t, se modifica el revestimiento superior y se reduce el contraste efectivo en el índice de refracción. En consecuencia, la asimetría disminuye y el grado de penetración modal en la región superior del revestimiento aumenta. En el caso extremo de t = ∞ (guía de ondas de canal), se restablece la simetría.

Resultados de la simulación para los gráficos de contorno del modo óptico (campo H) para la guía de ondas con h = 250 nm, w = 480 nm. El color rojo (azul) representa los máximos (mínimos).

El índice de refracción efectivo está relacionado con el índice de refracción del grupo \({n}_{g}(t)\) mediante la siguiente ecuación,

donde \(F(t)=d{n}_{\text{eff}}(t)/d\lambda\).

Si se construye una cavidad de microanillo usando una guía de ondas de índice de refracción efectivo \({n}_{\text{eff}}\left(\lambda ,t\right)\), entonces la frecuencia de resonancia se puede obtener a partir de la condición de resonancia \(m{\lambda }_{res}={n}_{\text{eff}}\left(\lambda ,t\right)L\), donde \(L=2\pi R\) es el longitud de ida y vuelta, y m es un entero positivo34. Usando esta condición, es sencillo expresar \({\lambda }_{res}(t)\) usando la ecuación. (1) como

La Figura 3a,b muestra \({\lambda }_{res}\left(t\right)\) calculada para los valores de m que más se acercan a los datos experimentales (consulte la sección experimental a continuación). De estas figuras podemos ver que los cambios en \({\lambda }_{res}\left(t\right)\) son grandes y pequeños para t pequeño y grande, respectivamente. Por lo tanto, una curva logística daría una estimación mejor y más representativa de la evolución de \({\lambda }_{res}\left(t\right)\). El ajuste a una curva logística se puede hacer fácilmente usando una red neuronal de una sola capa con una función de transferencia sigmoidea y entrenándola con puntos de datos generados por Eq. (2). El modelo de red neuronal se emplea para una mejor generalización y para evitar el sobreajuste35. Con este formalismo, para el rango de t considerado aquí, encontramos que \({\lambda }_{res}\left(t\right)\) puede aproximarse bien mediante la relación

donde B y a son coeficientes constantes positivos. Los valores ajustados de B y a se tabulan en la Tabla 1. Para t grande, \({\lambda }_{res}\left(t\right)={\lambda }_{\infty }\); para t pequeña, usando la expansión de Taylor tenemos \({\lambda }_{res}\left(t\right)={\lambda }_{\infty }-\frac{B}{2}+\frac{aB {4}t+\puntos\). Claramente, la longitud de onda de resonancia de la cavidad varía linealmente para t pequeño y finalmente se satura a medida que t aumenta. Este comportamiento asintótico es cierto para cualquier orden de modo m.

Longitudes de onda de resonancia estimadas teóricamente de la cavidad del anillo (radio R = 8 µm) para anchos de guía de ondas (a) w = 330 y (b) w = 480 nm, respectivamente. Los círculos se obtienen de la Ec. (2), mientras que las líneas continuas son ajustes dados por la ecuación. (3).

Fabricamos dispositivos de microcavidades de Si3N4 que consisten en cavidades anulares (radio R = 8 µm) acopladas a guías de ondas de bus recto con la misma altura h = 250 nm y ancho w = 330 nm o 480 nm. El espacio entre el bus y el anillo es de 160 nm, que está cerca del espacio crítico de la cavidad del anillo que maximiza el acoplamiento bus-cavidad. Para el acoplamiento eficiente de la luz de una fibra óptica con lente, cada guía de onda tiene acopladores de borde cónico (ancho mínimo de 150 nm) para la transformación eficiente del modo TEM00 de la fibra con lente a los modos de propagación de la guía de onda Si3N4.

La fabricación comenzó en una fundición comercial de CMOS con un estándar de 8 pulgadas. oblea de silicio. Se formaron una capa de SiO2 de 3,1 µm de espesor y una de Si3N4 de 250 nm de espesor utilizando el método de oxidación térmica y deposición química de vapor a baja presión (LPCVD). Antes de la deposición de la capa de Si3N4, se utilizó un pulido químico-mecánico (CMP) para reducir el espesor del SiO2 a 3 µm. A continuación, se utilizaron litografía ultravioleta profunda (DUV) KrF de 248 nm y grabado con plasma acoplado inductivamente (ICP) para definir las guías de ondas de Si3N4 y los resonadores de anillo. A esto le siguió la deposición del revestimiento superior de SiO2 de 3,4 µm de espesor a través de la deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD). Para exponer los resonadores de anillo de Si3N4 al aire, se abrió una ventana en la capa de revestimiento superior de SiO2 mediante litografía y una combinación de grabado seco (3,1 μm) y grabado húmedo (0,3 μm). El acoplador de borde para el acoplamiento ligero con fibra se fabricó mediante el grabado profundo del revestimiento y el sustrato de Si para realizar una zanja.

Las capas de revestimiento de SiO2 se depositaron en pasos de 50 ± 5 nm mediante ICP-CVD Oxford PlasmaPro System 100 en atmósfera de SiH4 y N2O a una presión de 4 mTorr, una temperatura de 150 °C y una potencia ICP de 1000 W. Para garantizar la precisión del espesor de las capas de revestimiento, cada deposición estuvo precedida por mediciones de calibración, donde el SiO2 se depositó en un objetivo en blanco y se estudió con un elipsómetro (JA Woollam V-VASE). Después de cada deposición, medimos las longitudes de onda de resonancia de la cavidad en nuestra configuración experimental. La precisión de la deposición de SiO2, su distribución alrededor de la guía de ondas y la cavidad se estudiaron mediante imágenes de microscopio electrónico de transmisión (TEM) de sección transversal (Fig. 1d, e).

Los nanodiamantes de alta presión y alta temperatura (HPHT) que contenían centros de vacancia de silicio (SiV)36 se suspendieron en isopropanol (0,1 en peso), se sometieron a ultrasonidos durante 30 minutos y luego se depositaron aleatoriamente en el dispositivo mediante recubrimiento por rotación a 2000 rpm durante 5 minutos. Bajo imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM), encontramos que aproximadamente el 30% de las cavidades de Si3N4 tenían nanodiamantes depositados directamente encima de ellos.

Realizamos mediciones en longitudes de onda de alrededor de 737 nm probando el chip con luz láser. Se acopló a la guía de ondas mediante una fibra con lente (Oz Optics), y la luz transmitida se recogió con una lente de objetivo de 50x (Olympus) en un borde opuesto del chip, consulte la Fig. 4. Primero usamos femtosegundo de banda ancha atenuada ( 80 fs) pulsos de láser (Mai Tai, SpectraPhysics) como entrada, acoplaba la señal transmitida a una fibra monomodo y la enviaba a un analizador de espectro óptico (OSA, Yokogawa AQ6370) con una resolución espectral de 37 pm en el visible rango. Con su ancho espectral de más de 10 nm, los pulsos fs cubrieron varias resonancias y permitieron una estimación rápida de la posición de resonancia. A continuación, la medición precisa de las resonancias se realiza mediante un láser de diodo sintonizable de onda continua (CW) de banda estrecha (ancho de línea < 1 MHz) (Sacher). Hacemos un barrido de la longitud de onda del láser en la vecindad de la resonancia y medimos la intensidad de la luz que pasa a través de la cavidad utilizando un medidor de potencia óptica (Thorlabs) colocado después de la lente del objetivo. La longitud de onda del láser sintonizable se midió con un medidor de longitud de onda (HighFinesse, Modelo WS-7) con una precisión de 60 MHz y una resolución de 2 MHz. Esto nos permitió medir el factor de calidad y los cambios finos de la resonancia. Los dispositivos se colocaron en un soporte metálico que sirvió como un disipador de calor efectivo. El rango de fluctuación de la temperatura ambiente estuvo dentro de los 0,5 °C en el transcurso de las mediciones, dentro del cual no observamos ningún cambio de líneas resonantes. Los datos experimentales se adquirieron y se procesaron posteriormente en la PC utilizando un software escrito por ellos mismos en Python.

Bosquejo de la configuración experimental: la luz del láser fs de banda ancha o del láser CW sintonizable se acopla a la fibra con lente. La fibra con lente inyecta la luz en el dispositivo de microcavidad Si3N4. A la salida del dispositivo se recoge la luz transmitida y se colima con un objetivo de 50 × (Objetivo 1). Luego, la luz se envía al fotodetector (para láser CW sintonizable) o al analizador de espectro óptico (OSA) a través de una fibra monomodo (para láser fs). El láser de bomba de 532 nm se enfoca en el dispositivo de microcavidades con un objetivo de 100 × (Objetivo 2) para mediciones confocales y de calentamiento.

Se utilizó un microscopio confocal de barrido integrado en la configuración de prueba para medir el cambio de resonancia fino bajo el calentamiento del láser, así como los espectros de los centros SiV en los nanodiamantes antes y después de la deposición de SiO2. El láser de bomba de 532 nm se escaneó utilizando un espejo de dirección rápida (Newport FSM-300) y se proyectó con un sistema de lentes 4f a un objetivo de 100x (NA = 0,9, Nikon), que enfocó el haz en el chip. Se midió que el tamaño del punto enfocado era de 500 nm con una cuchilla montada en una platina piezoeléctrica (Thorlabs NanoMax Max311). La emisión fue recolectada por el mismo objetivo de 100x y acoplada a una fibra monomodo (SMF). La señal de SMF se envió a un fotodetector de avalancha (PerkinElmer SPCM-AQRH-14FC) para obtener el mapa de escaneo confocal o a un espectrómetro equipado con una cámara EMCCD (Princeton Instruments, 1200 Grooves/mm).

Para aplicar el experimento de calentamiento por láser, se usó el mapa de escaneo confocal para dirigir el láser enfocado de 532 nm hacia la cavidad. El láser CW sintonizable se barrió para medir el cambio de la resonancia de la cavidad. La posición del punto del haz se optimizó moviéndolo a través de la cavidad del anillo en pasos de 400 nm para obtener el mayor cambio de línea resonante.

Para las mediciones de los espectros de SiV, se utilizó el mapa de barrido confocal para localizar nanodiamantes que contenían SiV en las cavidades. Utilizando una potencia de bomba de 532 nm de 0,4 mW, la fotoluminiscencia de SiV se recolectó a través del microscopio confocal y se envió al espectrómetro, donde la señal recolectada se digitalizó automáticamente mediante el software incluido (LightField).

Para capas muy delgadas depositadas en la cavidad, no podemos caracterizar con precisión el cambio de resonancia, ya que es mayor que uno \(FSR={\lambda }^{2}/(2\pi {n}_{\text{eff} }R)\). El factor Q medido es del orden de 104, que confirmamos que no se ve afectado por la deposición de las capas de revestimiento, consulte la Fig. S1 complementaria. A partir de un espesor finito de la capa de SiO2 (200 nm en nuestro caso), el cambio de resonancia se mantiene dentro de una FSR y podemos rastrearlo dentro del mismo orden (m en la ecuación 2). La figura 5 muestra los desplazamientos medidos experimentalmente de las longitudes de onda de resonancia y sus ajustes teóricos en función de t. Las curvas teóricas se obtienen promediando las derivadas numéricas de los ajustes numéricos respectivos de los dos modos en la Fig. 3a,b (consulte la Tabla 1 para conocer los parámetros de los ajustes). Obtenemos un acuerdo generalmente bueno entre las predicciones teóricas y las medidas experimentales; las discrepancias observadas se deben a incertidumbres en las propiedades del material, así como a algunas limitaciones del modelo teórico. Por ejemplo, no incluye una capa delgada de SiO2 depositada alrededor de los bordes verticales del núcleo (con la normal de la capa paralela al eje x, consulte la Fig. 1). Por lo tanto, se puede obtener una buena concordancia numérica considerando la cantidad de afinación después de cada incremento en el espesor.

Resultados experimentales para ajustar la longitud de onda de resonancia en función del espesor adicional de la capa de SiO2. Los puntos experimentales se trazan como cruces verdes, mientras que las líneas continuas representan curvas teóricas. Los colores rojo y azul representan las polarizaciones TM y TE, respectivamente.

Se puede obtener un cambio de resonancia de hasta 1,5 nm cuando se aumenta el grosor de 250 a 300 nm (w = 330 nm, polarización TE), mientras que cada capa adicional de SiO2 conduce a un cambio de resonancia decreciente (ver Fig. 5 ). Los dispositivos con un ancho más pequeño (w = 330 nm) experimentan un cambio mayor ya que tienen modos ópticos con confinamientos más débiles y, por lo tanto, son más susceptibles a las modificaciones de su entorno de índice de refracción.

Mientras que la sintonización con revestimiento de SiO2 puede cambiar fuertemente la resonancia de la cavidad, la sintonización no es muy precisa, es decir, es difícil hacer coincidir exactamente la longitud de onda medida con el valor previsto teóricamente deseado. Sugerimos que nuestro método podría ser complementario a otros métodos para el ajuste fino: depositar el revestimiento de SiO2 acerca la resonancia a la longitud de onda deseada, y luego se puede lograr un ajuste preciso mediante otros métodos. Este enfoque de dos pasos puede ser útil cuando el ajuste requiere un consumo de energía y/o disipación de calor significativos. Un escenario particular es cuando las cavidades con nanopartículas que contienen SPE se utilizan a temperaturas criogénicas. El calor producido por el chip puede degradar las propiedades de los SPE, por ejemplo, provocando la deriva o el ensanchamiento de la línea de emisión.

Demostramos este enfoque de ajuste de dos pasos depositando primero un revestimiento de 300 nm y luego calentando la cavidad con el láser de bomba de 532 nm en la configuración de microscopía confocal. Al ajustar la potencia del láser, podemos sintonizar con precisión la línea de frecuencia resonante de la cavidad dentro del rango de 12 pm, vea la Fig. 6. Suponemos que puede ocurrir cierta imprecisión en las mediciones debido a la inestabilidad del láser sintonizable utilizado para medir perfiles de línea de resonancia, que tiene un rango de sintonización sin saltos de modo limitado. Verificamos que los cambios de resonancia se pueden atribuir al calentamiento del láser al bloquear el haz de calentamiento del láser, lo que resultó inmediatamente en el regreso de la línea resonante a la posición inicial. Observamos que los cambios se deben a la absorción del láser de calentamiento por el revestimiento de SiO2, ya que no observamos ningún cambio con las cavidades de Si3N4 expuestas, es decir, antes del revestimiento de SiO2. Observamos que, aunque tanto el SiO2 como el Si3N4 tienen aproximadamente el mismo coeficiente termoóptico, el SiO2 tiene una conductividad térmica en un orden de magnitud menor, lo que suponemos ayudaría a localizar el calor en la vecindad de la cavidad37. Para verificar aún más que el calentamiento inducido por láser está localizado, alejamos el punto láser 2 µm de la cavidad. Observamos que la línea de resonancia de la cavidad vuelve a la posición inicial (sin calentamiento por láser). Por lo tanto, demostramos que la cavidad se puede ajustar utilizando la combinación de deposición de revestimiento y calentamiento por láser localizado.

Ajuste experimental de la longitud de onda de resonancia para la cavidad del anillo de Si3N4 revestida con 300 nm de SiO2 mediante calentamiento local con láser de 532 nm. ( a ) Perfiles espectrales de las resonancias de la cavidad para diferentes potencias de láser; (b) la dependencia del cambio reversible de la longitud de onda de resonancia central en las potencias de bombeo aplicadas del láser de calentamiento de 532 nm. La línea de puntos roja es un ajuste que indica la dependencia lineal del índice de refracción (sintonización) con la temperatura.

Notamos que no podemos determinar directamente la eficiencia de calentamiento; utilizando una suposición simplificada de que toda la potencia del láser se transforma en calor sin pérdidas, obtenemos una tasa de ajuste fino de ~ 0,36 nm/W, es decir, ~ 0,1 FSR por W. Aunque esto es un orden de magnitud menor que para las cavidades con calentadores integrados26,32, es suficiente para el ajuste fino de la cavidad y se puede lograr sin la complejidad de fabricación adicional de los calentadores integrados. Sin embargo, en la práctica, el SiO2 es casi transparente a una longitud de onda de 532 nm. Para aumentar la eficiencia de calentamiento y, por lo tanto, la tasa de sintonización, podríamos usar láseres UV con una longitud de onda inferior a 350 nm, donde la absorción de SiO2 es mucho más fuerte.

La integración de nanopartículas que albergan SPE con plataformas fotónicas es uno de los principales objetivos para la realización exitosa de la fotónica cuántica. Demostramos que depositar un revestimiento de SiO2 de 500 nm no afecta significativamente el posicionamiento de los nanodiamantes depositados mediante el recubrimiento por rotación en la parte superior de las cavidades del anillo. Al comparar las imágenes del microscopio electrónico de barrido (SEM) tomadas antes y después del revestimiento, encontramos que la posición de los nanodiamantes no cambia dentro de la resolución del SEM, consulte la Fig. 7a,b. También verificamos que la emisión de SiV de los nanodiamantes no sufre cambios significativos en el brillo o las propiedades espectrales, Fig. 7c, d. Esto demuestra que nuestro método de sintonización es adecuado para cavidades fotónicas con nanopartículas integradas.

Nanodiamantes antes y después de la deposición de SiO2 de 500 nm de espesor. Posición de los nanodiamantes colocados encima de la cavidad del anillo de Si3N4 estudiada bajo SEM antes (a) y después (b) de la deposición por spin-coating. Propiedades espectrales de dos nanodiamantes diferentes (c y d) antes (negro) y después (rojo) de la deposición de SiO2 obtenida en las mediciones con configuración de microscopio confocal.

Demostramos una técnica para el ajuste de banda ancha de las cavidades de microanillos Si3N4. El método se basa en la deposición de nanocapas de SiO2 en las cavidades, combinadas con calentamiento láser localizado. Los resultados experimentales muestran un buen acuerdo con las predicciones teóricas.

La capacidad de ajustar la resonancia de la cavidad sin una disipación de calor significativa puede ser importante para las aplicaciones fotónicas cuánticas que funcionan a temperaturas criogénicas. A diferencia de la aplicación de películas fotocromáticas o polielectrolíticas, no observamos la degradación del factor Q. Además, verificamos que las nanopartículas colocadas en la cavidad no son desplazadas por la deposición del revestimiento y que sus propiedades espectrales no cambian.

Nuestra técnica puede ser útil para cavidades de alto factor Purcell de volumen pequeño con FSR grande, donde se puede requerir un ajuste de la cavidad de hasta varios nanómetros. Esta será una valiosa adición al conjunto de herramientas para desarrollar dispositivos fotónicos cuánticos integrados.

Los datos pueden obtenerse de los autores previa solicitud razonable.

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Biblioteca de materiales COMSOL.

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Agradecemos a Valery A. Davydov del Instituto LF Vereshchagin de Física de Alta Presión RAS y Viatcheslav N. Agafonov de la Universidad F. Rabelais por los nanodiamantes proporcionados.

Reconocemos el apoyo financiero de la Agencia para la Ciencia, la Tecnología y la Investigación, Singapur (# 21709) y la Fundación Nacional de Investigación, Singapur (Subvención No. NRF-CRP14-2014-04).

Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales, Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación (A*STAR), 2 Fusionopolis Way, #08-03 Innovis, Singapur, 138634, Singapur

Dmitry A. Kalashnikov, Nelson Lim, Victor Leong y Leonid A. Krivitsky

Instituto de Computación de Alto Rendimiento, Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación (A*STAR), Fusionopolis, 1 Fusionopolis Way, #16-16 Connexis, Singapur, 138632, Singapur

Gandhi Alagappan & Ching Eng Png

Instituto de Microelectrónica, Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación (A*STAR), 2 Fusionopolis Way, #08-02 Innovis, Singapur, 138634, Singapur

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DAK, GA y LAK concibieron conjuntamente la idea del experimento. GA y CEP diseñaron los dispositivos ópticos. TH y NL fabricaron las muestras. DAK y VL construyeron la configuración de caracterización del chip y realizaron mediciones ópticas. GA y DAK analizaron los datos experimentales. DAK escribió el primer borrador del manuscrito con las contribuciones de todos los coautores. DAK, GA y LAK coordinaron el proyecto.

Correspondencia a Dmitry A. Kalashnikov.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Kalashnikov, DA, Alagappan, G., Hu, T. et al. Ajuste de microcavidades de nitruro de silicio mediante deposición controlada de nanocapas. Informe científico 12, 15074 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19255-9

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Recibido: 28 junio 2022

Aceptado: 26 de agosto de 2022

Publicado: 05 septiembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19255-9

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