《基於單晶金剛石光波導的量子集成光子器件研究》是依託中山大學，由張彥峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於單晶金剛石光波導的量子集成光子器件研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張彥峰
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
近年來，金剛石氮空位(NV)中心在量子信息學的套用備受關注。金剛石NV中心可以作為室溫單光子源，其電子自旋可以被雷射初始化和讀取、在微波激勵下翻轉、還可和鄰近原子的核自旋耦合，實現量子信息的產生、操縱和存儲。因此，金剛石成為固態量子信息學研究的理想材料體系之一。金剛石NV中心自旋之間的長程相互作用可以經由光子為媒介來實現，在金剛石襯底上製備的集成光波導器件可以用來引導光子。由於金剛石的化學惰性，在單晶金剛石中製備光波導器件極具挑戰性。儘管金剛石條形光波導和微環諧振腔等光子結構的製備已經取得了一定進展，但量子集成光路的功能元器件(例如方向耦合器)研究還很少，還不能在金剛石集成光路中進行量子光學實驗。本項目計畫在單晶金剛石上設計並製作基於光波導的集成光子器件（方向耦合器），演示雙光子干涉等量子光學實驗以驗證金剛石量子集成光子器件的功能性。金剛石方向耦合器尚未見報導，這是本項目最大的創新點。
結題摘要
金剛石在與單光子源和自旋電子學相關的量子信息技術以及諸如拉曼雷射器的經典套用中都非常有前景的材料。這些套用都可能需要基於金剛石波導結構來限制和實現光子路由，而量子信息套用格外依賴高的單光子收集效率，微透鏡是增大單光子收集效率的有效方法。因此，單晶金剛石波導和微透鏡是本項目的兩大主要研究內容。 我們使用準各向同性電漿蝕刻技術完成單晶金剛石波導和定向耦合器的製備。項目中將矽硬掩模轉移到金剛石的表面以減少小樣品光刻膠塗覆的製造困難。聚焦離子束方法用來刻蝕金剛石波導的兩端上的輸入/輸出鏡片。項目使用中心為632 nm的He-Ne雷射器來測試波導，可以看到沿著波導有清晰的輸入/輸出光斑和散射光，這是本項目研究過程中取得的重要結果之一，關鍵數據在正文的圖1.11，1.12和1.15中展示。這是可擴展的金剛石集成光子學的重要步驟。 單晶矽微透鏡和具有0.6, 2.47和3.2微米的各種直徑的二氧化矽微球分散在金剛石表面上作為微透鏡的刻蝕硬掩模。使用電漿刻蝕將這些三維的形狀轉移到金剛石薄片上。近半球形透鏡輪廓通過調整刻蝕參數（包括氣體混合比，壓力和電漿功率）來實現。我們使用了SEM和表面輪廓儀來驗證微透鏡的近半球形輪廓。這是本項目研究過程中取得的重要結果之一，關鍵數據在正文的圖2.3, 2.11和2.12中展示。該方法對於製造直徑和高度可調的金剛石微透鏡陣列非常有用。 我們在國際上首次利用三維硬掩膜實現電漿刻蝕近似半球的單晶金剛石微透鏡陣列。使用準各項同性刻蝕方法製備了單晶金剛石光波導，達到了國際領先水平，屬於國內首創。
