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Gegenwärtig wird AlN zur Herstellung von Resonanzhohlräumen mit hohem Q-Wert und verlustarmen Wellenleitern verwendet. Es wurde auch berichtet, dass es sich um eine Einzelphotonenquelle handelt, die bei Raumtemperatur in AlN-Kristallen betrieben werden kann. Als Lichtquelle in quantenintegrierten optischen Schaltkreisen gibt es jedoch immer noch Herausforderungen: Erstens sind die optischen Eigenschaften der Einzelphotonenquelle in AlN schlecht und weisen eine hohe Hintergrundfluoreszenz auf, wobei Null-Phononenlinien einen geringen Anteil am gesamten Spektralbereich ausmachen Emission (Debye-Faktor ist sehr niedrig, nur 3 %), und die Emissionslinienbreite ist auch relativ groß. Um eine Kopplung mit Resonanzhohlräumen und optischen Wellenleitern zu erreichen, ist es notwendig, die Position einer einzelnen Photonenquelle genau zu steuern. Wie man eine einzelne Photonenquelle mit schmaler Linienbreite, hohem Debye-Faktor und präziser und kontrollierbarer Position in AlN erreichen kann, ist eine dringende Frage bei der Entwicklung optischer Quantenintegrationsplattformen für AlN.
1. Studie über eine leistungsstarke Einzelphotonenquelle, die mit einem Femtosekundenlaser in AlN hergestellt wurde
Kürzlich hat ein Forschungsteam einen Femtosekundenlaser verwendet, um eine Farbzentrumslichtquelle für die Emission einzelner Photonen vorzubereiten. Bei hochwertigen AlN-Einkristallen wird die nichtlineare Wechselwirkung zwischen Femtosekundenlaserpulsen und Materialien genutzt, um eine Bearbeitung über die optische Beugungsgrenze hinaus zu erreichen. Induzieren Sie die Bildung von Quantendefekten am Laserbrennpunkt, erzeugen Sie Farbzentren und führen Sie neue Energieniveaus lumineszierender Farbzentren in die Bandlücke ein.
Abb. 1 Schematische Darstellung und Prüfung der Spektral- und Quantenemissionseigenschaften einer einzelnen Photonenquelle bei der Femtosekundenlaserpräparation von Aluminiumnitrid
Experimente haben gezeigt, dass die Lokalisierung einzelner Photonenquellen auf AlN-Einkristallsubstraten erreicht werden kann und die Verarbeitungsausbeute lumineszierender Farbzentren über 50 % erreichen kann. Interessanterweise hat die durch einen Femtosekundenlaser erzeugte einzelne Photonenquellenlinie eine geringe Breite, ein sehr reines Spektrum und eine sehr geringe Hintergrundfluoreszenz und weist einen einzelnen scharfen Emissionspeak und sehr schwache Phononenseitenbänder auf. Nach der Berechnung kann der Debye-Faktor der einzelnen Photonenquelle über 65 % erreichen. Durch Überwachung der spektralen Änderungen und Einzelphotonenzählung wurde festgestellt, dass die laserpräparierte Einzelphotonenquelle auch bei langfristiger optischer Anregung eine hohe Stabilität beibehält. Darüber hinaus führte das Forschungsteam erste Grundlagenberechnungen zu den Arten der vorbereiteten Farbzentren durch und schlug vor, dass sauerstoffbedingte Defekte die Art der einzelnen Photonenquelle sein könnten, die von diesen Farbzentren emittiert wird.
Abb. 2 Optische Eigenschaften einer einzelnen Photonenquelle, verarbeitet mit einem Femtosekundenlaser
2. Prospecteiner Einzelphotonenquelle in einem AlN-Einkristall
Das Forschungsteam nutzte einen Femtosekundenlaser, um eine leistungsstarke Einzelphotonenquelle (schmale Linienbreite, hoher Debye-Faktor, hohe Stabilität bei Raumtemperatur) auf einem AlN-Einkristallsubstrat zu positionieren und vorzubereiten, mit einer Ausbeute von über 50 %. Die Studie zeigt, dass AlN-Kristalle eine stabile und qualitativ hochwertige Einzelphotonenemission bei Raumtemperatur erreichen können. Dies zeigt das enorme Potenzial der nächsten Generation von Quantenphotonenchips und stellt eine zuverlässige Vorbereitungstechnologie für Einzelphotonenquellen für die Entwicklung integrierter Quantenplattformen dar Aluminiumnitrid.
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