飞秒激光写入SiC固体浸没透镜内单量子发射器研究 *
1. 摘要
碳化硅（SiC）中的光学活性硅空位（VSi）中心充当量子比特，通过光子连接自旋。这种能力允许在自旋态内对光子信息进行编码，并促进按需读出，有望应用于量子存储器等领域。然而，电子辐照是在SiC中产生缺陷的一种常见技术，缺乏空间选择性，限制了可扩展性。本工作在光子结构内采用飞秒激光写入来产生单个（VSi）中心，将它们注册到光子结构中，并将光学收集效率提高了4.5倍。对固体浸没透镜（SIL）中28个激光写入缺陷中心进行表征，发现它们相对于光子结构中心的分布较为集中。该方法可扩展用于开发使用SiC中自旋光子界面的集成量子器件。
2. 样品制备
该实验使用来自中芯晶研的4H-SiC外延片进行，衬底和外延层厚度分别为500µm和15µm。将外延片切成5×5mm的样片，并使用灰度硬掩模光刻工艺制造标称半径为5µm的半球形SIL阵列。
随后进行飞秒激光写入。使用再生放大 Ti:Sapphire 激光器，波长为 790 nm，脉冲宽度为 250 fs，重复频率为 1 kHz。通过高数值孔径油浸物镜将激光聚焦到 4H-SiC 样品的选定焦点。
通过调节激光脉冲能量控制缺陷的产生。利用 SIL 的聚焦效应降低所需的激光剂量。
使用自制的共聚焦显微镜在室温下对激光写入的缺陷进行表征。使用 780 nm 激光进行连续波光学激发，通过空间映射 PL 发射来确定缺陷的位置。而后，测量功率饱和和二阶相关函数 g(2)(0) 来确定缺陷的性质。并在低温下测量 PL 光谱，以识别特征零声子线（ZPL）。
在室温下进行 ODMR 测量，以研究缺陷的磁共振特性。在真空下对样品进行 600°C 的退火处理，以改善 VSi 中心的产率。
图1 通过飞秒激光写入在4H-SiC中形成VSi中心的示意图
3. 结论
本研究表明飞秒激光写入技术能够在 SIL 中产生单 VSi 中心，并将其位置精确地控制在 SIL 中心附近，实现了空间选择性的缺陷生成。与平面结构相比，SIL 的聚焦效应降低了生成发射器所需的激光剂量，并提高了光提取效率。该方法有望实现量子发射器在 SiC 中的大规模集成，为量子器件的开发开辟了新的途径。
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