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摘要
碳化硅中的自旋缺陷是集成量子光子学有前景的候选者，提供长寿命自旋态和适合低损耗光子集成及基于光纤的量子通信的近红外发射。然而，由于SiC相对较高的折射率，从这些缺陷中提取光仍然具有挑战性。超透镜通过直接在材料界面工程化波前来提供一种紧凑的方法来增强光收集。在此，我们设计并制造了由SiC块体材料制成的单片超透镜，同时工作在860 nm和1240 nm，与氮空位和硅空位色心的发射匹配。通过独立工程化两个波长的相位响应，超透镜实现了发射光的收集和偏振操控。我们进一步使用超透镜同时演示了两种缺陷的光学检测磁共振。这些多功能超透镜为可扩展集成SiC光子器件提供了紧凑的光学接口。
关键词： 多功能超透镜；单片集成；SiC色心；自旋
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文章名：Engineering of Dual Wavelength, Polarization Selective Metalenses in Silicon Carbide
作者：Xiaoying Huangᵃ,ᵇ，Ziwei Yang ᶜ，Konosuke Shimazaki ᵃ,ᵇ，Kritsana Saegoᵃ,ᵇ，Otto Cranwell Schaeperᵃ,ᵇ，Evan Williamsᵃ,ᵇ，Dragomir Neshevᶜ，Hark Hoe Tan ᶜ，Igor Aharonovichᵃ,ᵇ，Mehran Kianinia* ᵃ,ᵇ
机构：1 School of Mathematical and Physical Sciences, University of Technology Sydney, Ultimo, New South Wales 2007, Australia
2 ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, University of Technology Sydney, Ultimo, New South Wales 2007, Australia
3 Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, Department of Electronic Materials Engineering, Research School of Physics, The Australian National University, Canberra, ACT 2600, Australia
引言
碳化硅由于其宽带隙、成熟的半导体制造平台和丰富的光学活性缺陷家族，已成为量子技术的领先固态平台之一[1-3]。特别是SiC中的硅空位和氮空位缺陷，在近红外和红外光谱区域发射，作为有前景的量子光源引起了广泛关注[4,5]。这些缺陷表现出长的自旋相干时间，并实现了光学自旋初始化、相干操控和读出，使其成为量子通信、量子传感和量子信息处理的有吸引力的候选者[5-7]。加上其优异的光学、热学和机械性能[8,9]，SiC为可扩展集成量子光子学提供了一个通用平台。
然而，要充分发挥这些色心的潜力，需要能够提取和操控发射光子的高效光学接口[10]。由于SiC的高折射率导致强全内反射，限制了发射光子提取到自由空间中，这仍然是一个主要挑战[11,12]。为了应对这一挑战，已经探索了各种光子结构，包括纳米柱[13]、固体浸没透镜[14]、光学腔[15]和波导集成架构[16]来增强收集效率。然而，开发能够在源处同时收集、整形和操控光子的集成光学接口仍然是朝着实用SiC基量子光子器件迈出的关键一步[17,18]。
为此，基于亚波长纳米结构阵列的超表面为紧凑和多功能光学接口提供了一条有前景的途径[18,19]。通过工程化单个纳米元件的相位、幅度和偏振响应，超透镜可以在单个平面器件内集成多种光学功能，包括聚焦、光束整形、偏振控制和解复用[20-22]。最近的演示已将超透镜与金刚石色心结合，而单片SiC超透镜已确立了将超光学元件直接集成到SiC平台上的可行性[23,24]。虽然碳化硅中集成缺陷与单片超透镜的演示仍然难以实现[25,26]，现有的超表面器件专门针对在单一波长工作的单色心进行了优化[27,28]。由于SiC中Vsi和NV中心的发射体跨越800 nm至1300 nm的宽光谱范围，实现多功能超表面将改善对准复杂性和系统集成挑战。因此，能够同时寻址光谱不同色心的集成光学接口是非常需要的。
在本工作中，我们设计并制造了一种单片SiC超透镜，同时工作在860 nm和1240 nm，具有偏振相关光学功能。我们通过注入SiC色心（包括V_Si和NV自旋缺陷）并有效收集它们通过制造超透镜的发射来演示器件的性能。通过在单个超表面内集成波长选择性相位控制，我们的方法为多个SiC色心实现了紧凑和多功能的光学接口，为可扩展量子光子器件提供了一条途径。
讨论
图1. 单片集成双波长SiC超透镜的设计。 (a) 集成在块体SiC衬底顶表面上的单片超透镜的透视图。设计用于收集来自底部的缺陷系综发射，并实现波长依赖的正交V和H偏振光分别在860 nm和1240 nm。(b) 器件的侧视图。它由两个相邻的200×200 µm部分组成，分别设计用于860 nm（左）和1240 nm（右）。超透镜高度为1.6 µm，焦距为495 µm，用于收集位于SiC衬底相对侧的缺陷系综的荧光，对应收集半角为21.8°。(c) 沿4H-SiC的[1120]晶体学方向的硅空位和氮空位缺陷缺陷系综晶体结构的图示。
SiC中单片集成双波长偏振依赖超透镜的示意图设计如图1(a)所示。该设计旨在同时操控块体SiC衬底中缺陷系综的发射，为多通道光收集提供紧凑的光学接口。绿光对应于860 nm处正交垂直和水平偏振通道，而紫光对应于1240 nm处正交V和H偏振通道。图1(b)显示了单片超透镜的侧视图。该器件由两个相邻的200×200 µm超透镜组成，分别设计用于860 nm和1240 nm，针对SiC中V_Si和NV的发射。两个高度为1.6 µm的超透镜制造在495 µm厚块体SiC衬底的顶表面，设计用于收集位于衬底相对侧的色心发射的荧光。所得收集半角为21.8°，对应数值孔径 NA = n × sin(θ) = 2.6 × sin(21.8°) = 0.97，其中 n 是SiC的折射率。图1(c)显示了沿[1120]晶体学方向观察的4H-SiC中V_Si和NV中心的晶体结构。两种缺陷都拥有光学可寻址的电子自旋态，表现出长相干时间，使其对量子传感和量子信息技术具有吸引力[29,30]。这些色心的光学发射波长取决于其晶体学构型和晶格位点。在本工作中，我们考虑860 nm和1240 nm处的零声子线发射，分别对应于V_Si V1中心和NV构型。
图2. 超透镜模拟。 (a) 用于设计超透镜的超原子参数，其中 a 和 b 表示纳米柱的宽度和长度，H 表示高度。晶格周期 P 根据860 nm或1240 nm的工作波长选择。(b) 860 nm处H偏振（上）和V偏振（下）的计算相位分布。(c) 1240 nm处H偏振（上）和V偏振（下）的计算相位分布。
为了实现两个正交偏振通道的独立控制，超透镜被设计为对V和H偏振分量施加不同的相位分布，从而在焦平面沿Y轴将它们导向相反方向。组成超原子的光学响应使用严格耦合波分析计算，采用方形晶格和沿X和Y方向的周期边界条件。采用矩形立方体SiC超原子，因为它们的两个横向尺寸 a 和 b 提供了对V和H偏振场积累的相位的独立控制，如图2(a)所示。通过变化这些尺寸，可以在保持高透射的同时为两种偏振分量获得几乎完整的0到2π相位覆盖。
超原子和衬底由相同的SiC材料组成，在860 nm处折射率为 (n_x = n_y = n_z = 2.645)，在1240 nm处为 (n_x = n_y = n_z = 2.619)。采用不同的晶格周期以适应两个工作波长，860 nm的P = 335 nm，1240 nm的P = 500 nm，而两种波长的超原子高度固定为1.6 µm以简化制造。在a和b的完整参数扫描后，在每个波长选择了八个超原子几何结构，将所需的相位响应离散为八个级别。所选几何结构在860 nm处提供超过87%的高透射效率，在1240 nm处超过86%（计算结果见支持信息图S1）。然后将目标相位分布映射到所选超原子库上，以构建两个偏振操控超透镜，具有±40 µm的分离。H（顶部）和V（底部）偏振通道在860和1240 nm处所需的相位分布分别如图2(b)和2(c)所示，设计用于将发射收集与偏振依赖光束偏转相结合。在全尺寸制造之前，为了验证所得光学功能，使用离散几何结构对缩小尺寸的超透镜进行了时域有限差分模拟。支持信息图S2中显示的模拟场分布和焦平面强度分布显示了两个正交偏振通道之间的清晰空间分离，确认了在两个工作波长下的预期偏振选择性响应。
图3. 超透镜制造。 (a) 制造的单片超透镜的光学显微镜图像，左侧为860 nm设计，右侧为1240 nm设计。(b) 超透镜边缘区域的SEM图像。(c) 1240 nm部分顶部区域的SEM图像。(d) (c)中央区域的放大SEM图像。
设计的超透镜使用自上而下纳米制造工艺制造，其中超表面图案由电子束光刻定义，并通过剥离和干法刻蚀转移到SiC衬底上（详细制造程序见图S3）。制造的单片超透镜的光学显微镜图像如图3(a)所示，左侧为860 nm设计，右侧为1240 nm设计。该器件在整个区域表现出优异的均匀性，没有可见的制造缺陷，表明大规模器件的成功制造。制造超透镜的质量在涂覆5 nm铬作为导电层后进一步用扫描电子显微镜检查。图3(b)显示了超透镜边缘区域的45°倾斜SEM图像，显示高度约1.6 µm的纳米柱。高度均匀的纳米柱阵列具有光滑的侧壁和近乎垂直的轮廓，确认了刻蚀质量。图3(c)显示了超透镜1240 nm部分的代表性顶视SEM图像，放大视图如图3(d)所示。大面积上良好定义且均匀排列的纳米结构进一步确认了高制造保真度和良好的结构均匀性。（单片超透镜的更多SEM图像见图S4）
图4. 超透镜偏振选择性和效率的表征。 (a) 装置示意图。(b) 840 nm激光照明下860 nm设计焦平面的CCD图像，其中上光斑代表H偏振，下光斑代表V偏振。(c) (b)中两个焦斑的偏振分辨强度。散点拟合显示H（橙色）和V（紫色）两种偏振态的数据。(d) 室温下通过物镜（橙色）和超透镜（紫色）从SiC中V_Si收集的PL谱。
为了表征超透镜的偏振选择性功能，使用840 nm和1300 nm的准直激光束照射超透镜。所得焦点使用InGaAs电荷耦合器件相机在透射中记录。860 nm设计的测量装置如图4(a)所示。1240 nm设计的类似测量见支持信息图S5。如图4(b)所示，超透镜产生两个空间分离的焦点，对应于设计的H偏振（上光斑）和V偏振（下光斑）通道。V和H偏振光的空间分离约为80 µm，与我们的模拟一致。然后通过在相机前固定线性偏振器后放置旋转四分之一波片来表征每个波长的偏振选择性。图4(c)显示了(a)中840 nm照明焦点的相应偏振测量结果。这里的橙色数据点对应于H偏振，而紫色数据点是V偏振测量。实验数据通过截断傅里叶级数拟合。对于两种波长，V或H偏振的可见度均>0.88，确认了选择性耦合到正交线偏振态。
在验证了超透镜的偏振选择性操作后，我们接下来使用离子注入在SiC晶圆的另一侧工程化色心。以1×10¹³ ions/cm²的注量将氮离子注入SiC衬底，以引入氮掺杂剂并产生空位。随后，样品被退火以促进V_Si的扩散和稳定。然后使用由物镜（NA = 0.9）聚焦在超透镜焦点上的780 nm激光激发V_Si。然后通过物镜或超透镜收集V_Si的发射，以比较制造超透镜的效率（图4a）。如图4(d)所示，在两种情况下都记录了宽带发射，而最大强度约为物镜的一半。从该测量中，超透镜对V或H偏振的透射效率约为50%。超透镜相对较低的收集效率主要归因于SiC的高折射率，这导致显著的菲涅耳反射，并由于全内反射限制了在SiC-空气界面的光提取。必须注意，通过物镜臂的收集没有偏振选择性，因此V和H偏振光都被收集。
图5：通过单片集成超透镜从SiC缺陷读取自旋态。 (a) 在10 K下，通过超透镜860 nm设计在780 nm激光激发下收集的PL谱。861 nm和917 nm处的橙色标记分别表示V1和V2硅空位缺陷的ZPL。(b) 在10 K下，通过超透镜1240 nm设计在980 nm激光激发下收集的PL谱。1175.6、1179.4、1222.6和1242.3 nm处的橙色标记分别表示kh、hh、kk、hk氮空位缺陷的ZPL。(c) 通过超透镜收集的V1的室温ODMR谱。在约70 MHz处观察到共振，对比度约0.1%。(d) 通过超透镜收集的NV中心的室温ODMR谱。在约1.35 GHz处观察到对应于NV缺陷的共振，对比度约2.5%。阴影区域表示对测量ODMR谱的洛伦兹拟合。
我们通过在10K下进行PL光谱进一步验证超透镜的功能，其中V_Si和NV的发射谱更好地分辨。图5(a)显示了由设计用于860 nm的超透镜收集的V_Si的PL谱。约861 nm和917 nm处的两个尖锐零声子线分别归因于4H-SiC中V_Si的V1和V2构型，如橙色标记所强调。图5(b)显示了在980 nm激发下由1240 nm设计从NV中心收集的PL谱。在该测量中，在1175.6、1179.4、1222.6和1242.3 nm附近清楚地观察到四种类型的NV中心，分别与kh、hh、kk和hk构型相关，用橙色标记突出显示。
这些光谱特征确认了注入SiC衬底中V_Si和NV系综的成功形成。它们的发射可以如前所述被偏振选择性超透镜有效收集。这也通过V_Si和NV的光学检测磁共振测量得到确认。样品从背面通过物镜激发，发射通过超透镜收集。图5(c)和(d)分别显示了在零磁场下通过超透镜860 nm和1240 nm设计收集的V_Si和NV中心的ODMR谱。数据通过三个连续数据点的移动平均平滑以过滤SNSPD振动引起的光子计数波动。对于V_Si中心，通过超透镜测量的共振频率和对比度分别为71.8±0.6 MHz（72.4±0.4 MHz）和0.09±0.01%。对于NV中心，通过超透镜测量的共振频率和对比度分别为1.348±0.001 GHz和2.5±0.1%。共振频率和对比度与先前研究报告的值兼容[31]，表明收集的PL来自V_Si和NV中心。1.375 GHz处的凹陷对应于离子注入和退火过程中引入的双空位的共振频率[5]。我们还注意到这些结果与物镜收集相当，如补充材料图S6所示。
结论
总之，我们在SiC衬底上设计并展示了用于多功能量子态工程的单片集成超透镜。设计的结构直接在块体SiC中以高均匀性和保真度制造。超透镜在860和1240 nm处工作，实现了两个波长的光收集和偏振操控。来自硅空位和氮空位缺陷系综的光致发光通过超透镜成功收集。此外，ODMR测量通过同一器件展示了光学自旋态读出。这些结果在单个SiC平台上建立了一个结合多波长操作、偏振控制和自旋读出的紧凑光学接口。本工作为集成量子光子学、量子传感和量子网络的多功能SiC器件提供了一条途径。
