单NV-色心三维光学集成结构的激光直写加工技术

作为新的信息载体，以量子系统承载并传递信息的量子信息领域已成为当今的研究热点。金刚石中具有单原子特性的丰富色心在室温下能够稳定发射单光子，为当前技术所青睐。但金刚石硬度高，结构加工难度大。目前通常采用离子轰击或高能激光烧灼进行金刚石结构的加工，但这些技术往往会在材料中引入损伤与再沉积等缺陷，在高性能半导体光学器件加工的应用中受到限制。

另外，人们常通过光学微腔耦合来调控这类单发射极量子系统的单光子发射特性。然而，由于金刚石的高折射率特性，色心辐射的大多数光子都在金刚石表面被反射回材料体内而无法得到充分利用。同时，由于金刚石的高硬度、高折射率及弱导电性，加工光学器件耦合引导光传输变得很有难度。人们尝试了多种途径来解决这一问题。其中一种常用手段是通过微操纵技术将含有单个色心的纳晶金刚石准确放置于光子晶体结构中或者光纤的端口。该方案在一些场合下非常有效地提高了单光子的收集利用效率，然而其操作比较复杂、可扩展性差，同时在量子耦合等更丰富的量子物理实验方面受到很大限制。另外有很多工作直接对单晶金刚石块材进行微纳加工，通过提高体金刚石单光子源色心发光的收集效率并引导光传播来优化金刚石色心单光子源。其中的典型工作包括电子束曝光与反应离子刻蚀结合加工纳米柱，以及引入损伤后结合化学腐蚀及聚焦离子束刻蚀加工波导结构或光学微腔结构等。曝光与反应离子刻蚀结合能够实现批量加工，但结构的可设计性满足不了应用的要求。此外，光学微腔结构在单晶金刚石上加工起来很有难度，对金刚石单光子源色心单光子发射与收集的增强效果也不够理想。

鉴此，最近，德国柏林洪堡大学物理系纳米光学实验室的Schell等，通过双光子激光加工技术，获得了包括圆盘型谐振器结构以及自支撑弧形波导的三维光量子单片集成结构。文中采用的三维激光直写技术的加工示意图如图1a所示。对于负性胶，曝光部分通过显影被留下，如图1b所示。过程包括将含有NV-色心的纳米金刚石颗粒分散在丙烯酸盐聚合物光刻胶中。然后通过激光直写设备制备第一个光学部件，即直径为20微米，厚度为1.2微米，支柱直径为10微米的圆盘谐振器，如图2a中右侧图所示。这种谐振器结构支持回音壁传播模式，在波长为770纳米时，光传播限域在圆盘结构的边沿附近，其品质因子高达104。然后采用激光扫描共聚焦荧光显微镜找到纳米金刚石单光子源色心位置，获得荧光光谱并利用Hanbury Brown and Twiss (HBT)干涉仪进行二阶相关函数的单光子特性测定。确定圆盘型谐振器中具有优质的金刚石NV-色心单光子源后，在其附近加工宽为１．８微米，长４０微米的弧形波导结构，如图２左侧图所示。整个加工过程包括光刻胶的滴定以及激光曝光与显影三个步骤。耦合与单光子特性实验测试结果如图３ｂ－ｇ，证明这种结构具有极好的耦合性质。这些实验结果为单光子发射体单波导间的耦合传输提供了极为有效的加工方法与思路。相关成果发表在近期《科学报道》杂志上【Scientific Reports 3, 1577 (2014)】

图1：激光直写三维光学结构示意图与所加工结构的SEM照片

图2：三维激光直写制备的包括有圆盘型谐振器单光子源与弧形波导的三维光量子单片集成结构及其耦合与单光子特性