面向量子光子学的色心兼容自支撑金刚石定向耦合器

《ACS Photonics》：Color-Center-Compatible Freestanding Diamond Directional Couplers for Quantum Photonics

　　

自支撑全金刚石色心光子学是构建基于自旋的量子缺陷光学集成系统的一种极具前景的平台。在该几何结构下，研究人员实现了量子网络互连的一个关键构件：用作片上分束器的定向耦合器。研究人员采用本征模求解与有限差分时域（FDTD）仿真设计了具有三角形截面的定向耦合器，并以可见光波段近50:50分光为目标。器件由体单晶金刚石经倾斜氧反应离子束刻蚀（RIBE）及干法释放后硬掩模去除工艺直接制备。在λ0≈637 nm的室温测量中得到平均耦合比Cmeas=46(16)%。最后，研究人员将锡空位（SnV–）中心集成入纳米光子结构，在未进行制备后退火的条件下观察到近寿命极限的光学线宽与相干光学拉比振荡，证明该平台是通向集成金刚石量子光子的可行路径。

研究背景方面，金刚石凭借5.5 eV宽禁带与对光学可寻址点缺陷的化学稳定宿主特性，成为固态量子光子学主导平台。氮空位（NV^–）中心之外，四族空位中心如硅空位（SiV^–）、锗空位（GeV^–）及锡空位（SnV^–）中心因窄光学跃迁与反演对称结构对电场噪声不敏感，适合集成入纳米光子结构以实现远程量子节点。可扩展金刚石量子架构需要完整光子工具箱，其中50:50分束器是远程纠缠分发核心元件。现有混合集成引入界面与热失配问题，薄膜金刚石面临高质量单晶膜可扩展性限制，而从体单晶金刚石直接制备自支撑结构可保留宿主质量且维持热接触，但需可靠释放工艺。倾斜刻蚀所得三角形截面使设计天然三维化，此前逆设计多用于准各向同性刻蚀结构，本文在此空白下开展研究。

主要关键技术方法方面，研究人员采用电子束光刻（EBL）在体单晶金刚石上定义图形，依次以1 nm铬与80 nm钛作硬掩模，经表面法向O₂反应离子束刻蚀（RIBE）与45°倾斜旋转O₂ RIBE实现各向异性下切释放；释放后以SF₆、Ar、O₂电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）干法去掩模以避免毛细力损伤。光学设计上用本征模求解器提取对称/反对称TE超模有效折射率差，按耦合模理论估耦合长度，再以FDTD验证三维布局；样品队列来自电子级金刚石经60 keV、2×10¹⁰ ions/cm²的¹²⁰Sn离子注入并1500 °C退火2 h形成SnV^–中心。

研究结果部分，Fabrication and Design小节表明，干法全流程可释放亚微米间距自支撑三角波导，倾斜角实测α_uc^meas=42(2)°，设计取波导宽w_wg^des=300 nm、耦合长L_C^des=20 μm，在637 nm与620 nm分别对应设计间隙280 nm与250 nm。Optical Characterization小节中，室温λ₀≈637 nm下对设计间隙200 nm的5个器件测得平均耦合比C^meas=46(16)%，证实近平衡分光；损耗模型给出残骸损耗L_residual=3.7(3) dB、每支撑L_support=0.6(1) dB、双TIR耦合器合计L_TIRC=12.9(3) dB。SnV^– Centers in Nanophotonics小节中，低温PLE谱累积线宽Γ_c=37.6(2) MHz、单次扫描均值Γ_i=28.1(3) MHz，2 ns高斯脉冲测寿命T₁=6.4(5) ns即寿命极限线宽Γ_ll=25(2) MHz，与Γ_i吻合；20 ns方波激发见拉比周期T_Rabi=1.2(2) ns，无制备后退火即保留体样相干性。

讨论与结论翻译部分，本研究证明亚微米间距自支撑金刚石波导可全干法释出并保留定向耦合功能与SnV^–相干性，λ≈637 nm平均耦合比46(16)%，干法去掩模缓解毛细塌陷；当前主要限制为器件间倏逝耦合起伏，需改进支撑设计与倾斜刻蚀控制，SiV^–的738 nm零声子线可放宽设计约束。片上分束器是未来金刚石量子光子电路关键构件，微机电可调谐耦合器与电极调谐、双端g⁽²⁾(τ)与Hong–Ou–Mandel干涉乃直接下一步。损耗主要降 herald 概率而不必然损及条件保真度，非50:50分光则降双光子干涉可见度从而影响纠缠保真度，除非补偿。该研究确立干法体源自支撑金刚石光子学为四族色心集成量子光子之可行路线。