Источник одиночных фотонов на основе двумерного полупроводника с излучением в нанофотонный волновод

Полезная модель относится к области квантовой оптики, в частности к источникам квантового излучения, и может быть использована для генерации одиночных фотонов в компактных системах квантовой коммуникации, например системах квантового распределения ключей.
Из уровня техники известны источники одиночных фотонов на основе полупроводниковых гетероструктур, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии (патент RU 188882 U1, МПК H01S 5/10, дата приоритета 13.03.2019, дата публикации 25.04.2019). Генерация одиночных фотонов достигается за счет радиационной рекомбинации в одиночных нуль-мерных квантовых точках пониженной поверхностной плотности, формируемых методом контролируемой термической активации. Для селекции одиночных источников и повышения эффективности их излучения в дальнее поле используется интеграция в трех-мерные микрорезонаторы конической формы. Недостатками данного решения являются сложность процесса изготовления, плохо контролируемые оптические свойства отдельных точек вследствие их относительно высокой плотности, а также трудность интеграции с оптическим чипом.
Известна модель источника одиночных фотонов, излучающего непосредственно в оптический волновод (патент № WO2006/135789 A2, МПК не классифицирован, дата приоритета 10.06.2006, дата публикации 21.12.2006). Источник представляет собой полупроводниковую нанопроволоку, помещеннную в полость, которая вытравлена в материале подложки. Форма полости предусматривает углубления для последующего соединения с волноводом. Недостатком данной модели является сложность позиционирования квантового излучателя относительно волновода. Также, данная модель не позволяет заводить излучение непосредственно в оптический чип.
Известно устройство для излучения одиночных фотонов на основе локальной деформации двумерного материала (патент № WO 2018/015738 A1, МПК H01L 33/06, дата приоритета 18.07.2016, дата публикации 25.01.2018). Устройство представляет собой низкоразмерную (нуль- или одно-мерную) структуру, состоящую из слоя двумерного материала, помещенного на остроконечный выступ, сформированный на поверхности твердой подложки. В качестве двумерного материала могут использоваться однослойный или многослойный графен, гексагональный нитрид бора, а также дихалькогениды переходных металлов. В таких материалах достаточно легко создаются градиенты локальной деформации, которые могут приводить к формированию квантовых точек или проводов и, соответственно, излучению одиночных фотонов. Однако, существенным недостатком данной технической реализации является отсутствие точного контроля пространственного профиля и магнитуды локальной деформации двумерного материала и, как следствие, отсутствие контроля над оптическими свойствами формируемых источников одиночных фотонов.
2
2
2
Наиболее близким техническим решением является модель источника одиночных фотонов, описанная в работе М.R. Rosenberger et al., ACS Nano, 2019, 13(1), 904-912 и выбранная в качестве прототипа для предлагаемой полезной модели. Модель представляет собой локально деформированный монослой дихалькогенида переходного металла WSe2, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы и перенесенный на слой полимера ПММА толщиной 100-400 нм. Источник одиночных фотонов расположен в области локальной пластической деформации полимерного слоя, которая создается зондом атомно-силового микроскопа, приведенным в контакт с поверхностью WSe. При этом за счет адгезии между полимером и WSe возникает упругая локальная деформация монослоя WSe, с пространственным профилем в виде углубления с поперечными размерами 200-500 нм и глубиной 50-300 нм. Основным недостатком данного решения является то, что генерация одиночных фотонов происходит в свободное пространство, что делает такие источники неэффективными при дальнейшей обработке сигналов на оптическом чипе.
Решается задача эффективной интеграции источников одиночных фотонов на основе двумерных полупроводников с оптическими чипами для использования излучаемых фотонов в компактных системах обработки квантовой информации.
2
2
2
Сущность предлагаемой модели заключается в том, что источник одиночных фотонов на основе двумерного полупроводника с излучением в нанофотонный волновод состоит из монослоя WSe на подложке из полимера ПММА толщиной 100-400 нм с локально деформированной областью в виде углубления с поперечными размерами 200-500 нм и глубиной 50-300 нм, при этом используют монослой WSe с низкой плотностью дефектов, и непосредственно под слоем полимера ПММА находится диэлектрический нанофотонный волновод с высоким показателем преломления, расположенный таким образом, чтобы наиболее глубокая точка локально деформированного участка монослоя WSe находилась строго над центром волновода на высоте не более 20 нм, а под волноводом расположен слой диэлектрика с низким показателем преломления толщиной не менее 1 мкм на подложке из кремния.
Технический результат достигается за счет точного позиционирования источника одиночных фотонов по трем пространственным координатам относительно нанофотонного волновода, что приводит к эффективному излучению одиночных фотонов в оптическую моду волновода.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется рисунками.
На фиг. 1 представлено схематичное изображение предлагаемой модели источника одиночных фотонов на основе двумерного полупроводника, вид сбоку: 1 - подложка из кремния, 2 - слой диэлектрика с низким показателем преломления, 3 - диэлектрический нанофотонный волновод с высоким показателем преломления, 4 - слой полимера ПММА, 5
2
2
2
2
2
2
- монослой дихалькогенида переходного металла WSe, 6 - локально деформированная область монослоя WSe. Модель представляет собой слоистую структуру, состоящую из твердой подложки из кремния 1, на которую нанесен слой диэлектрика 2 с низким показателем преломления (n<1.5) толщиной не менее 1 мкм. На слое диэлектрика располагается нанофотонный волновод 3, изготовленный из диэлектрика с высоким показателем преломления (n>2.0). Поверх волновода 3 нанесен слой полимера ПММА 4 толщиной 100-400 нм, на поверхности которого находится монослой 5 дихалькогенида переходного металла WSe, полученный методом эксфолиации из объемного кристалла. Монослой WSe 5 расположен таким образом, чтобы частично перекрывать нанофотонный волновод 3 в плоскости структуры. Область 6 монослоя WSe 5, находящаяся непосредственно над центром волновода 3, деформирована в форме углубления с поперечными размерами 200-500 нм таким образом, чтобы наиболее удаленная от недеформированной поверхности WSe точка монослоя находилась на расстоянии не более 20 нм от поверхности нанофотонного волновода 3.
2
2
На фиг. 2 представлено схематичное изображение предлагаемой модели источника одиночных фотонов на основе двумерного полупроводника, вид сверху: 1 - подложка из кремния, 2 - слой диэлектрика с низким показателем преломления, 3 - диэлектрический нанофотонный волновод с высоким показателем преломления, 4 - слой полимера ПММА, 5 - монослой дихалькогенида переходного металла WSe, 6 - локально деформированная область монослоя WSe.
2
2
2
2
2
2
2
На фиг. 3 показаны этапы изготовления и работы модели: (а) - изначальная слоистая структура подложка/волновод/полимер/монослой, (б) - нано-индентирование модифицированным зондом атомно-силового микроскопа, (в) - возбуждение полученного источника одиночных фотонов монохроматическим лазерным пучком и излучение одиночных фотонов в волновод. В основе работы модели лежит формирование источника одиночных фотонов вследствие возникновения градиентов локальных напряжений в кристаллической решетке монослоя WSe 5 при локальной деформации. За счет взаимодействия экситонов, локализованных в области деформации, с оптической модой нанофотонного волновода 3 значительная часть одиночных фотонов излучается в волновод 3. На этапе (а) изготавливается слоистая структура, которая представляет собой твердую подложку из кремния 1 с нанесенным на нее слоем диэлектрика 2 с низким показателем преломления, на которой размещен диэлектрический нанофотонный волновод 3 с высоким показателем преломления. Волновод покрыт полимерным слоем 4 из ПММА толщиной 100-400 нм, необходимым для фиксации монослоя WSe 5 при его деформации на следующих этапах создания структуры. На поверхности полимера находится монослой WSe 5 с латеральными размерами 10-100 мкм и низкой плотностью дефектов, полученный методом механической эксфолиации из объемного кристалла WSe и расположенный таким образом по отношению к волноводу 3, чтобы соблюдалось их частичное пространственное перекрытие в плоскости структуры. На этапе (б), модифицированный зонд АСМ 7 в полуконтактном режиме работы атомно-силового микроскопа позиционируется над центральной осью нанофотонного волновода 3. Затем зонд 7 переводится в контактный режим работы и контролируемо сдвигается вниз, вызывая сначала упругую, а впоследствии пластическую, деформацию полимера 4. При пластической деформации полимера 4, монослой 5 локально двигается по направлению к волноводу 3, достигая необходимой глубины над поверхностью волноводной структуры. Далее зонд 7 отводится вверх, по направлению от структуры, при этом монослой WSe 5 остается в контакте с пластически деформированным полимером 4 и не релаксирует. В полученной таким образом локально деформированной области 6 формируется источник одиночных фотонов. На этапе (в), локально деформированная область 6 облучается сфокусированным монохроматическим лазерным пучком, что приводит к возбуждению экситонов, локализованных в деформированной области 6 монослоя WSe и их дальнейшей излучательной рекомбинации. Одиночные фотоны генерируются в локально деформированной области 6 монослоя WSe 5 при нерезонансном облучении непрерывным или импульсным лазером с длиной волны в пределах 400-700 нм или резонансном облучении на длине волны источника. Излучение одиночных фотонов, как правило, происходит при температурах ниже 50-60 К. Вследствие оптимизированного перекрытия локализованного экситона с оптической модой волновода 3 и их взаимодействием в ближнем поле, значительная часть одиночных фотонов излучается в волновод 3 и может быть в дальнейшем использована для обработки квантовой информации на чипе.
2
На фиг. 4 представлено изображение модифицированного АСМ зонда в сканирующем электронном микроскопе, используемого для локальной деформации монослоев WSe и создания источников одиночных фотонов. Поскольку применение для этих целей стандартных острых АСМ зондов ведет к разрыву монослоя до того момента, как удается создать локально деформированную область необходимой глубины, используются модифицированные зонды. Острие зонда стачивается с помощью фокусированного ионного пучка таким образом, чтобы латеральные размеры получившейся площадки находились в пределах 100-700 нм. Форма оригинального зонда схематично обозначена на фиг. 4 пунктирными линиями.
2
2
На фиг. 5 представлен пример реализации предлагаемой модели источников одиночных фотонов, а именно структура, состоящая из кремниевой подложки 1, покрытой слоем оксида SiO 2, с расположенным на ней нанопроводом из фосфида галлия (GaP) в качестве волновода 3, покрытым тонким слоем (400 нм) полимера ПММА 4 и монослоя WSe 5, расположенного поверх полимера 4 над волноводной структурой. На фиг. 5 (а) показано АСМ изображение образца до индентирования, а на фиг. 5 (б) - изображение образца в оптическом микроскопе после индентирования, где область локальной деформации 6 расположена над центром волновода 3.
2
На фиг. 6 (а) представлено АСМ изображение деформированной области 6 монослоя WSe 5 в высоком разрешении, а на фиг. 6 (б) -соответствующий профиль деформации вдоль поперечной координаты.
2
На фиг. 7 представлены результаты измерений оптических свойств изготовленного образца: фиг. 7 (а) спектр фотолюминесценции свободного экситона в монослое WSe 5, фиг. 7 (б) спектр фотолюминесценции источника одиночных фотонов, фиг. 7 (в) зависимости интенсивности фотолюминесценции экситона и источника одиночных фотонов от мощности лазерной накачки, фиг. 7 (г) затухание фотолюминесценции во времени для свободного экситона и источника одиночных фотонов.
На фиг. 8 представлен график измеренной корреляционной функции второго порядка от временной задержки между сигналами на детекторах в интерферометре Хэнбери Брауна Твисса для изготовленного источника одиночных фотонов, показывающий однофотонный характер излучения.
Пример реализации полезной модели.
2
2
2
2
2
2
Для создания источников одиночных фотонов в монослое WSe 5 были изготовлены образцы нано-индентированных структур монослой WSe/полимер/волновод/подложка. В качестве волноводов 3 использовались нанопровода из фосфида галлия (GaP) диаметром 200-300 нм и длиной 10-20 мкм, которые осаждались на подложку из кремния 1 со слоем оксида 2 толщиной 1 мкм. Слой полимера ПММА 4 толщиной 400 нм наносился на подложку с нанопроводами GaP методом центрифугирования в течение 60 секунд со скоростью вращения 3500 об./мин. Для удаления остатков растворителя подложка с полимером отжигалась в течение 5 минут при температуре 140°С. Толщина получившейся пленки ПММА проверялась с помощью атомно-силовой микроскопии. Монослой WSe получали из объемного кристалла методом механической эксфолиации, позволяющим изготавливать монослои большого латерального размера (более 50 мкм) с малым количеством дефектов. Для переноса монослоя WSe на образец была использована трансфер система с тремя поступательными и двумя вращательными степенями свободы. Монослой WSe 5 был перенесен на слой ПММА 4 и расположен над волноводной структурой 3, частично перекрывая ее в плоскости образца. Для деформации были использованы кремниевые АСМ зонды 7, модифицированные с помощью фокусированного ионного пучка до латерального размера 500 нм. Модификация зонда, таким образом, дает возможность работать с ним как в режиме сканирования, позволяя позиционировать зонд 7 в заданной точке образца, так и в режиме индентирования, позволяя локально деформировать монослой WSe 5. Индентирование производилось в контактном режиме работы АСМ. Для продавливания монослоя 5 на глубину 170 нм, основание кантилевера зонда 7 смещалось на 2500 нм перпендикулярно плоскости образца. Форма получившегося углубления повторяет форму зонда АСМ 7, как показано на фиг. 6 (а), где представлено АСМ изображение деформированной области. На фиг. 6 (б) представлен срез профиля получившейся деформации в самом глубоком месте. Оптические свойства изготовленных источников одиночных фотонов измерялись при температуре 10-50 К в гелиевом криостате. Образец возбуждался гелий-неоновым лазером с длиной волны 633 нм, а излучение собиралось микро-объективом с увеличением 50х и числовой апертурой NA=0.65 из торца нанопровода. Спектры фотолюминесценции регистрировались спектрометром с дифракционной решеткой 600 штрихов/мм и ПЗС матрицей с охлаждением жидким азотом. Лазерное излучение блокировалось спектральным фильтром.
2
5
6
На фиг. 7 показаны результаты оптической характеризации источника одиночных фотонов, в сравнении с оптическими свойствами нейтрального экситона. Нейтральный экситон в монослое WSe 5 излучает сигнал фотолюминесценции со спектральным пиком на частоте примерно 1.75 эВ, как показано на фиг. 7 (а). Пики фотолюминесценции источников одиночных фотонов, получаемых в локально деформированной области 6, сдвинуты в область низких энергий относительно экситонного пика. На фиг. 7 (б) представлен пример пика излучения источника одиночных фотонов, с энергией фотона 1.563 эВ и полушириной линии излучения 1.79 нм (3.5 мэВ). Для пика фотолюминесценции источника наблюдается характерное насыщение при увеличении мощности лазерной накачки, как показано на соответствующих зависимостях интенсивности фотолюминесценции от мощности на фиг. 6 (в). На фиг. 6 (г) представлены кривые затухания сигнала фотолюминесценции для нейтрального экситона и источника одиночных фотонов. В сравнении со временем жизни нейтральных экситонов, которое составляет менее 50 пс, времена жизни источников одиночных фотонов, излучающих в волновод, варьируются в диапазоне 5-20 не. Яркость излучения при детектировании из торца волновода 3 составляет примерно 10 отсчетов в секунду, что с поправкой на низкую эффективность вывода излучения из волновода в свободное пространство транслируется в скорость излучения фотонов в волновод порядка 5⋅10 отсчетов в секунду.
(2)
(2)
(2)
Однофотонный характер фотолюминесценции изготовленного образца проверялся путем измерения корреляционных функций второго порядка G(t), где t - время между детектированием фотонов на двух детекторах в интерферометре Хэнбери Брауна Твисса. На фиг. 8 представлен график корреляционной функции второго порядка G(t), полученной для источника одиночных фотонов, излучающего в нанопровод из GaP. Значение корреляционной функции второго порядка для нулевой задержки G(0) составило 0.18, что значительно меньше, чем соответствующая величина для двухфотонного излучения 0.5, и подтверждает высокую степень однофотонности излучения.
Таким образом, показано, что конструкция предлагаемой модели позволяет достичь излучения одиночных фотонов в высокоиндексный диэлектрический нанофотонный волновод, что в свою очередь дает возможность интегрировать источник одиночных фотонов на основе двумерного полупроводника с компактными оптическими чипами. При этом, эффективность излучения в волновод хорошо контролируется за счет точного позиционирования источника одиночных фотонов относительно волновода в процессе изготовления модели. Дополнительно, модель характеризуется простотой изготовления, так как основана на локальной деформации двумерного полупроводника и не требует сложных процедур роста традиционных полупроводниковых структур.