Nanophotonics | 绝缘体上碳化硅中的自旋-光子界面：挑战与机遇

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引言
碳化硅（SiC）已成为利用单光子进行量子信息传输的有前途平台。这种材料具有长自旋相干性量子比特、优异的电子和光学特性以及CMOS兼容性。本文将探讨绝缘体上SiC（SiCOI）中自旋-光子界面（SPIs）的关键组成部分，并讨论该领域的挑战和机遇[1]。

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SiC中的色心
! b* G$ }2 k: r9 @) q! u; h6 L色心是SiC晶体结构中可作为单光子发射器和自旋量子比特宿主的缺陷。研究人员已经研究了SiC中几种类型的色心，每种都具有独特的特性：

1. 硅空位（V?Si）
负电荷硅空位是SiC中研究最多的色心之一。可以通过使用各种辐照技术从SiC晶格中移除一个硅原子来创建。V?Si中心具有3/2的自旋，并表现出近红外光子发射。
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* J7 }3 R, g3 P% e* V: j2 D: o2. 双空位（VSiV0C）
中性双空位由一个缺失的硅原子与相邻的缺失碳原子组成。在晶格中有四种不同的构型，导致1078 nm至1132 nm之间的不同零声子线（ZPLs）。
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, w& @! y6 f: s' \2 o/ C3. 氮空位（NCV?Si）
氮空位中心是通过在硅空位附近植入氮原子形成的。发射波长范围为1180 nm至1240 nm的光子，自旋为1。

. U3 N( J7 @4 y  [% [! E  z6 g4. 钒和铒缺陷
钒（V4+）和铒（Er3+）缺陷研究较少，但具有有趣的特性。V4+在1300 nm左右的电信波段发射，而Er3+在1540 nm发射。
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* R) c0 b3 l' q8 ]% x3 ?0 {图1：SiC中色心制造、缺陷晶格和自旋读出技术的示意图。

制造方法
用于在SiC中创建色心的各种技术包括：

离子注入：这种方法可以控制色心的深度和横向位置。

电子辐照：对材料损伤较小，适合创建本征缺陷。

激光写入：提供精确的深度控制，可能对材料造成较小损伤。

聚焦离子束（FIB）：允许高精度地在近表面创建色心。

; I6 z" G1 _% k9 y) MSiCOI平台
绝缘体上SiC平台为集成量子光电子技术提供了几个优势：

低损耗波导

高品质因数光学腔

CMOS兼容性

可扩展性
[/ol]

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图2：SiCOI形成的三种主要方法。
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集成光电子组件
4 L" W7 b2 }5 J5 M" A1 F: e在SiCOI平台上已经展示了几种光电子组件：
! r  R& F) p6 g0 K, O& O1. 定向耦合器：更复杂器件（如马赫-曾德干涉仪和环形谐振器）的基本构建模块。

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图3：4H-SiCOI上定向耦合器的模拟模式剖面和光场分布。
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2. 波导：实现芯片上光信号的高效传输。

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图4：在4H-SiCOI上制造的高限制SiC波导的显微图。
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3. 环形谐振器：用于各种应用，包括非线性光学和量子光生成。

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  ^/ [( N0 Y9 i  k/ o7 k( j图5：在3C-SiCOI（左）和a-SiCOI（右）平台上制造的环形谐振器的扫描电子显微镜图像。
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4. 光子晶体腔：提供超高品质因数，增强光物质相互作用。

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8 n0 b; s1 N9 e- F/ d$ w/ N% c" b+ G图6：在4H-SiCOI上制造的超高Q光子晶体纳米腔结构。
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0 e5 \) t; l4 Z8 ~5 e, V. @! E挑战和机遇
% {* u# X: h2 x1. 光谱稳定性
在量子应用中使用色心的主要挑战之一是光谱扩散，可能会使发射线变宽并降低相干性。硅空位（V?Si）在与光电子器件耦合时仍能保持窄光谱线宽，显示出巨大的潜力。

6 e0 D) }& q& W% |2. 自旋相干性
提高自旋相干时间对量子信息处理非常重要。动态解耦和同位素纯化等技术可以帮助延长相干时间。

6 P% \+ K; [+ h9 x6 r3. 不可分辨光子生成
% z1 X* {/ J; D生成不可分辨光子对量子干涉和纠缠非常重要。最近从SiC中的硅空位展示的不可分辨光子发射为未来应用带来了希望。
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4. 与光电子线路集成
% X% i! k# h: b: E7 p  V# r在保持量子特性的同时将色心耦合到光电子结构是一项重大挑战。最近在制造嵌入色心的SiCOI波导和腔的进展显示出克服这一障碍的希望。
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( _5 i; x: d1 h& ^6 @& t; `图7为非线性光学过程设计的4H-SiCOI（左）和3C-SiCOI（右）上环形谐振器的扫描电子显微镜图像。

5. 芯片上量子操作
在芯片上展示多量子比特控制和光子介导的纠缠仍然是一个挑战。然而，在创建高质量光电子结构和改善色心特性方面的进展使这个目标越来越接近。

* @3 g# t3 C- k8 E, M6. 非线性光学
# l3 f( V) Z" V; J4 m1 ^( v* @% eSiC的强光学非线性使各种非线性光学过程成为可能，如频率转换和梳状谱生成，这些对量子信息处理非常有用。
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* U, [2 D0 P1 D! q8 @, _图8：为光学参量振荡和宽带梳状谱生成设计的4H-SiCOI上环形谐振器的扫描电子显微镜图像。

7. 电光控制
电气控制色心和光电子器件的能力对可扩展量子技术非常重要。最近在SiCOI中展示的集成波克尔斯调制器显示出实现这种控制的希望。
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& q) k$ `* s& A0 L% m8 w: r图9：在3C-SiCOI平台上制造的集成波克尔斯调制器概览。

未来展望
SiCOI中的自旋-光子界面领域正在迅速发展，未来有几个可期待的前景：

芯片上单光子探测器：将超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）直接集成到SiCOI芯片上可以显著提高系统效率，实现完全集成的量子光电子线路。

多量子比特网络：利用SiC色心的长距离量子通信能力，研究人员旨在在单个芯片上展示多量子比特网络。

量子存储器：利用SiC中与电子自旋耦合的核自旋可能导致长寿命量子存储器的开发，用于量子信息存储和处理。

非线性量子光学：利用SiC的强光学非线性可能实现新颖量子光状态的生成，增强量子信息处理能力。
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图10：用于光子对生成的4H-SiCOI上环形谐振器的扫描电子显微镜图像。

$ v& P3 e2 T+ M/ {% W; F9 W结论
; ]$ |* @) Q$ o* w绝缘体上碳化硅为实现具有量子通信、传感和信息处理应用的自旋-光子界面提供了有前途的平台。长寿命自旋量子比特、高效单光子发射和先进光电子集成能力的结合使SiCOI成为未来量子技术的有吸引力的候选者。随着研究人员继续克服光谱稳定性、自旋相干性和芯片上集成方面的挑战，可以期待基于SiCOI平台的集成量子光电子技术领域取得重大进展。

参考文献
7 ~  s8 h7 U# S- w8 A; p- c: ~[1] J. Bader, H. Arianfard, A. Peruzzo, and S. Castelletto, "Analysis, recent challenges and capabilities of spin-photon interfaces in Silicon carbide-on-insulator," npj Nanophotonics, vol. 1, no. 29, pp. 1-14, 2024, doi: 10.1038/s44310-024-00031-8.
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