DE102021200533A1

DE102021200533A1 - Optische Schnittstelle und Verfahren zur spektroskopischen Erfassung

Info

Publication number: DE102021200533A1
Application number: DE102021200533.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Totzeck; Oliver Ambacher; Roland Nagy; Nils Trautmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Schnittstelle (1) mit zumindest einem Substrat (2), welches Diamant enthält oder daraus besteht, wobei der Diamant zumindest ein NV-Zentrum (25) enthält, sowie zumindest einer Laserlichtquelle, welche dazu eingerichtet ist, kohärente Strahlung (3) auf das NV-Zentrum (25) zu richten, wobei die kohärente Strahlung (3) aus einer Mehrzahl von Einfallsrichtungen in das Substrat (2) einkoppelbar ist und die optische Schnittstelle weiterhin eine Einrichtung (41, 42, 43, 44) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung zwischen zumindest zwei Einfallsrichtungen enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur spektroskopischen Erfassung des Zustandes eines NV-Zentrums (25).

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Schnittstelle mit zumindest einem Substrat, welches Diamant enthält oder daraus besteht, wobei der Diamant zumindest ein NV-Zentrum enthält, sowie mit zumindest einer Laserlichtquelle, welche dazu eingerichtet ist, kohärente Strahlung auf das NV-Zentrum zu richten. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur spektroskopischen Erfassung des Zustandes eines NV-Zentrums in zumindest einem Substrat, welches Diamant enthält oder daraus besteht, wobei kohärente Strahlung auf das NV-Zentrum gerichtet wird. Solche Vorrichtungen und Verfahren können als physische Hardware zur Realisierung eines Quantencomputers oder auch zur quantitativen und ortsaufgelösten Erfassung von Magnetfeldern dienen.
Aus der EP 3 373 023 A1 ist ein Array von NV-Zentren in einkristallinem Diamant bekannt. Um die einzelnen NV-Zentren ortsaufgelöst auszulesen, befinden sich weiterhin Wellenleiter im Substrat, mit welchen jeweils ein optisches Signal zu genau einem NV-Zentrum gelenkt werden kann. Somit ist die spektroskopische Erfassung des Zustandes eines genau definierten NV-Zentrums durch Selektion des Wellenleiters möglich.
Dieses bekannte Bauteil weist jedoch den Nachteil auf, dass die Wellenleiter einen vergleichsweise großen Bauraum aufweisen. Dicht gepackte Arrays, in welchen der Abstand zwischen benachbarten NV-Zentren beispielsweise weniger als 300 nm oder weniger als etwa 200 nm beträgt, können auf diese Weise nicht realisiert werden.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, die ortsaufgelöste spektroskopische Erfassung des Zustandes einzelner NV-Zentren aus einer Mehrzahl von eng benachbarten NV-Zentren in einem Substrat zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine optische Schnittstelle sowie ein Verfahren zur spektroskopischen Erfassung des Zustandes zumindest eines NV-Zentrums vorgeschlagen. Das zumindest eine NV-Zentrum befindet sich in zumindest einem Substrat, welches Diamant enthält oder daraus besteht. Das Substrat kann einkristallinen Diamant enthalten. Das Substrat kann eine polygonale oder runde oder elliptische Grundform aufweisen. Das Substrat kann eine Diamantschicht enthalten, welche homoepitaktisch oder heteroepitaktisch auf einem Fremdsubstrat aufgewachsen ist, wobei das Fremdsubstrat optional nach Herstellung der Diamantschicht entfernt werden kann. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Diamantschicht mit dem zumindest einen NV-Zentrum auf dem Fremdsubstrat verbleiben. Das Fremdsubstrat kann beispielsweise Silicium enthalten oder daraus bestehen und optional weitere elektronische oder optoelektronische Bauteile enthalten.
Das NV-Zentrum besteht aus einem Stickstoffatom im Kristallgitter des Diamanten und einer benachbarten Leer- oder Fehlstelle. Das zumindest eine NV-Zentrum kann durch Implantation eines Stickstoff-Ions in das Kristallgitter des Diamant erzeugt werden. Sofern dieses NV-Zentrum negativ geladen ist, bilden zwei ungepaarte Elektronen einen Triplett-Zustand. Durch die Spin-Spin-Wechselwirkung umfasst dieser Triplett-Zustand einen Singulett-Zustand mit m_s=0 und einen zweifach entarteten Duplett-Zustand mit m_s=±1. Durch Anlegen eines Magnetfeldes wird die Entartung des Dupletts aufgehoben, so dass die spektroskopischen Erfassung des Zustandes des NV-Zentrums grundsätzlich als Magnetfeldsensor verwendbar ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das NV-Zentrum als Einzelphotonenemitter zur Verwendung in der Quantenkryptographie verwendet werden. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Spin-Triplett des NV-Zentrums dazu verwendet werden, mit zwei der drei genannten Zustände ein Qubit eines Quantencomputers darzustellen. Ordnet man in diesem Fall NV-Zentren nahe beieinander im Substrat an, können diese direkt miteinander wechselwirken, so dass verschränkte Zustände von Qubits möglich werden.
Sowohl die Auslese eines Qubits als auch die quantitative Erfassung eines Magnetfeldes machen es erforderlich, den Zustand zumindest eines NV-Zentrums spektroskopisch zu erfassen. Hierzu wird erfindungsgemäß kohärente Strahlung eines Lasers eingesetzt. Die kohärente Strahlung wird auf das NV-Zentrum gerichtet und die hierdurch angeregte Fluoreszenz wird erfasst, beispielsweise mittels eines Mikroskop-Objektivs mit großer Apertur.
Bei der spektroskopischen Erfassung des Zustandes eines NV-Zentrums aus einer Mehrzahl von NV-Zentren besteht das Problem, dass die Auslese eines einzelnen NV-Zentrums aus einer Mehrzahl von NV-Zentren im Substrat eine hohe räumliche Auflösung erfordert. Die Anforderungen an die räumliche Auflösung steigen mit abnehmendem Abstand der NV-Zentren zueinander. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand benachbarter NV-Zentren weniger als etwa 300 nm betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand weniger als etwa 200 nm betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand weniger als etwa 100 nm betragen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand weniger als etwa 30 nm betragen. Üblicherweise beträgt der Abstand zwischen benachbarten NV-Zentren jedoch mehr als etwa 10 nm. Ein Trockenobjektiv mit einer praktisch erreichbaren numerischen Apertur von etwa 0,95 erreicht jedoch lediglich eine Auflösung von etwa 340 nm. Selbst mit einem Öl-Immersions-Objektiv ergibt sich nur ein Auflösungsvermögen von etwa 220 nm. Das Auflösungsvermögen ist somit um mehr als einen Faktor 2 zu groß, um einzelne NV-Zentren innerhalb eines Arrays selektiv zu adressieren.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die kohärente Strahlung aus einer Mehrzahl von Einfallsrichtungen in das Substrat eingekoppelt wird. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass im Substrat eine konvergente Zylinderwelle entsteht, deren Fokus eine Halbwertsbreite von etwa 70 nm bis etwa 120 nm oder von etwa 80 nm bis etwa 100 nm erreicht, wenn die Vakuumwellenlänge der kohärenten Strahlung 532 nm beträgt. Dieser technische Effekt beruht einerseits auf der außerordentlich hohen Brechzahl des Diamants von 2,425, welche zu einer proportionalen Reduktion der Wellenlänge der kohärenten Strahlung im Substrat führt. Darüber hinaus beruht die erfindungsgemäße Lösung auf dem technischen Effekt, dass der Fokus einer konvergenten Welle dann besonders schmal ist, wenn der Einfall aus einem Winkel von etwa 90° erfolgt. Damit kann die zur spektroskopischen Erfassung verwendete kohärente Strahlung auf einen Fokus reduziert werden, welcher kleiner ist als der Abstand benachbarter NV-Zentren, so dass selektiv ein einzelnes NV-Zentrum angeregt und dadurch ausgelesen werden kann.
Um den Fokuspunkt innerhalb der durch das Substrat definierten Ebene zu verschieben und dadurch unterschiedliche NV-Zentren zu adressieren, wird vorgeschlagen, die optische Schnittstelle weiterhin mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Phasenverschiebung zwischen zumindest zwei Einfallsrichtungen auszustatten. Durch unterschiedliche Phasenverschiebungen der aus einer Mehrzahl von Einfallsrichtungen in das Substrat eingekoppelten ebenen Wellen entsteht der Fokuspunkt nicht mehr am geometrischen Mittelpunkt des Substrates, sondern an einer davon verschiedenen, innerhalb der durch das Substrat aufgespannten Ebene gelegenen Stelle. Durch Wahl der Phasenverschiebung kann somit ein vorgebbares NV-Zentrum aus einer Mehrzahl von NV-Zentren selektiert werden. Somit können unterschiedliche NV-Zentren sequenziell ausgelesen werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat als planparallele Platte mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite und zumindest einer die erste und zweite Seite verbindenden Seitenfläche ausgebildet sein. In diesem Fall kann die zur Auslese verwendete kohärente Strahlung aus einer Mehrzahl von Einfallsrichtungen durch die Seitenfläche in das Substrat eingekoppelt werden. Innerhalb des Substrates propagiert die kohärente Strahlung durch Totalreflexion und erreicht so den Fokuspunkt mit nur geringen optischen Verlusten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat einen mehrschichtigen Aufbau mit zumindest zwei Diamantschichten und zumindest einer dazwischenliegenden Metallschicht aufweisen. Die relative Permeabilität µ_r der Metallschicht kann zwischen etwa 0,98 und etwa 1,02 oder zwischen etwa 0,99 und etwa 1,01 betragen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Metallschicht Silber und/oder Kupfer und/oder Gold enthalten oder daraus bestehen. Die Metallschicht kann eine Dicke von etwa 5 nm bis etwa 20 nm oder von etwa 6 nm bis etwa 10 nm aufweisen. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass ein Magnetfeld die Metallschicht durchdringt, so dass NV-Zentren in beiden Diamantschichten von einem externen Magnetfeld gleichermaßen beeinflusst werden oder zu einem kohärenten Zustand koppeln können. Kohärente optische Strahlung zur Auslese der NV-Zentren kann jedoch die Metallschicht nicht durchdringen, so dass die Zahl der ansprechbaren NV-Zentren durch die optische Entkopplung verdoppelt ist, solange die Dicke der Metallschicht größer ist als die Eindringtiefe des Lichtes.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserlichtquelle dazu eingerichtet sein, im Substrat kohärente Strahlung in Form einer Zylinderwelle mit einer Polarisationsrichtung parallel zum Normalenvektor des Substrates zu erzeugen. Dabei ist die Zylinderwelle innerhalb der durch das Substrat definierten Ebene konvergent und die Position des Fokus kann innerhalb der Substratebene kontrolliert verschoben werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Mehrzahl von Einfallsrichtungen zwischen etwa 10 und etwa 100 oder zwischen etwa 15 und etwa 50 gewählt sein. Eine größere Zahl von Einfallsrichtungen führt dazu, dass der zentrale Fokus von einem größeren Bereich umgeben ist, welcher frei von Beugungsringen ist. Eine kleinere Anzahl von Einfallsrichtungen führt zu einer geringeren Komplexität der erfindungsgemäß vorgeschlagenen optischen Schnittstelle und einer einfacheren Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Fachmann kann somit in Abhängigkeit der Anzahl der NV-Zentren und in Abhängigkeit des Abstandes benachbarter NV-Zentren innerhalb des Substrates in einfacher Weise eine geeignete Anzahl von Einfallsrichtungen festlegen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält diese weiterhin zumindest einen Spiegel, welcher das Substrat ringförmig umgibt. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass kohärente Strahlung über den Spiegel mit geringem Aufwand auf die Seitenfläche des Substrats gelenkt und über die Seitenfläche in das Substrat eingekoppelt werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht es der ringförmige Spiegel, konzentrisch zum Spiegel ein Objektiv eines Mikroskops anzuordnen, und das Fluoreszenzlicht des angeregten NV-Zentrums zu erfassen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung zur Erzeugung einer Phasenverschiebung einen xy-Tisch umfassen. Der xy-Tisch erlaubt die Verschiebung des Substrates mit einer Genauigkeit, welche zumindest dem Durchmesser des erfindungsgemäß erzeugten Fokus der kohärenten Strahlung entspricht. Somit kann durch Verschieben des Substrates relativ zu dem das Substrat ringförmig umgebenden Spiegel bzw. relativ zu den Einfallsrichtungen der kohärenten Strahlung der Fokuspunkt innerhalb des Substrates verschoben werden. Die Phasenverschiebung ergibt sich dabei durch die unterschiedlichen optischen Weglängen, wenn eine Teilfläche der Seitenfläche des Substrates näher an der Lichtquelle bzw. dem Spiegel liegt als andere Teilflächen der Seitenfläche des Substrates.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung zur Erzeugung einer Phasenverschiebung ein transmittives adaptiv-optisches Element enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann somit das kohärente Licht eines Lasers zunächst das transmittive adaptiv-optisches Element durchlaufen und sodann am ringförmigen Spiegel reflektiert werden, ehe es über die Seitenfläche in das Substrat gelangt. Ein solches adaptiv-optisches Element kann beispielsweise unter Ausnutzung des elektro-optischen oder des magneto-optischen Effekts realisiert werden und beispielsweise eine Mehrzahl von Kerr-Zellen oder Pockels-Zellen enthalten. Durchläuft die kohärente Strahlung in zumindest einer Einfallsrichtung ein solches adaptiv-optisches Element, lässt sich durch Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes die optische Weglänge für diese Einfallsrichtung verändern, was zu einer Verschiebung des Fokuspunktes innerhalb der durch das Substrat definierten Ebene führt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung zur Erzeugung einer Phasenverschiebung ein reflektives adaptiv-optisches Element enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann somit das kohärente Licht eines Lasers zunächst am adaptiv-optischen Element und sodann am ringförmigen Spiegel reflektiert werden, ehe es über die Seitenfläche in das Substrat gelangt. In Abhängigkeit eines an das adaptiv-optischen Elementes angelegten elektrischen oder magnetischen Signals verändert sich wiederum die optische Weglänge, beispielsweise durch die Verwendung von Mikrospiegeln, was in der beschriebenen Weise zur Änderung der optischen Weglänge und dadurch zur Verschiebung des Fokuspunktes innerhalb des Substrates führt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die optische Schnittstelle als integrierte optische Komponente ausgebildet sein. Diese enthält zumindest ein zweites Substrat, welches beispielsweise ein Polymer, Silizium oder ein Glas enthält oder daraus besteht. Darauf können Wellenleiter angeordnet sein, beispielsweise in Form von Rippenwellenleitern oder optischen Polymer- oder Glasfasern. Die Wellenleiter erstrecken sich von zumindest einer Kante des zweiten Substrates zur Seitenfläche des die NV-Zentren enthaltenden Substrates, welches auf dem zweiten Substrat beispielsweise durch Löten oder Kleben oder Bonden angeordnet ist.
Aufgrund der Länge der Wellenleiter auf dem zweiten Substrat ergibt sich eine intrinsische optische Weglänge für jede Einfallsrichtung und daraus eine intrinsische Fokuslage innerhalb des Substrates. Durch mikrooptische Elemente, welche beispielsweise den im Wellenleiter auftretenden elektro-optischen Effekt ausnutzen können, kann die optische Weglänge für zumindest eine Einfallsrichtung im Betrieb der integrierten optischen Komponente verändert werden. Hierzu können benachbart zum Wellenleiter Elektroden in zumindest einem Längsabschnitt von zumindest einem Wellenleiter angeordnet werden, welche über ein elektrisches Feld die optische Weglänge im Wellenleiter beeinflussen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt

1 eine optische Schnittstelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Schnitt.
2 zeigt eine optische Schnittstelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung im Schnitt.
3 zeigt ein in der zweiten Ausführungsform verwendetes adaptiv-optisches Element in der Aufsicht.
4 zeigt eine optische Schnittstelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung im Schnitt.
5 zeigt ein in der dritten Ausführungsform verwendetes reflektives adaptiv-optisches Element in der Aufsicht.
6 zeigt eine optische Schnittstelle gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung im Schnitt.
7 zeigt eine optische Schnittstelle gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung im Schnitt.
8 zeigt den von der erfindungsgemäßen optischen Schnittstelle erzeugten Fokus in einem ersten Ausführungsbeispiel.
9 zeigt den von der erfindungsgemäßen optischen Schnittstelle erzeugten Fokus in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
10 zeigt den von der erfindungsgemäßen optischen Schnittstelle erzeugten Fokus in einem dritten Ausführungsbeispiel.
11 erläutert den Durchmesser des freien Bereichs um den Fokus als Funktion der Zahl der Einfallsrichtungen.

1 zeigt eine optische Schnittstelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Schnitt. Die optische Schnittstelle umfasst zumindest ein Substrat 2, welches eine erste Seite 21 und eine gegenüberliegende Seite 22 aufweist. Die erste Seite 21 und die zweite Seite 22 sind über zumindest eine Seitenfläche 23 verbunden. Die erste und zweite Seite 21 und 22 können polygonal oder rund sein. Die Dicke des Substrates 2 kann über die gesamte Fläche konstant sein, so dass das Substrat 2 eine planparallele Platte bildet.
Das Substrat 2 enthält zumindest Diamant, welcher optional auf einem Fremdsubstrat aufgebracht sein kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung besteht das Substrat 2 ausschließlich aus Diamant. Das Substrat 2 kann einkristallin sein. Darüber hinaus kann das Substrat 2 optional einen Dotierstoff enthalten, so dass vorgebbare elektrische Eigenschaften erzielt werden.
Im Substrat 2 befindet sich zumindest ein NV-Zentrum 25. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat eine Mehrzahl von NV-Zentren enthalten, wobei benachbarte NV-Zentren einen Abstand von etwa 20 nm bis etwa 300 nm oder von etwa 30 nm bis etwa 200 nm oder von etwa 30 nm bis etwa 100 nm aufweisen.
Die optische Schnittstelle umfasst weiterhin eine nicht dargestellte Quelle kohärenter Strahlung, beispielsweise eine Laserlichtquelle, welche Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 532 nm aussendet. Die so erzeugte kohärente Strahlung 3 wird über einen ringförmigen Spiegel 35 über die Seitenfläche 23 dem Substrat 2 zugeführt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Spiegelfläche in etwa 45° zur ersten bzw. zweiten Seite 21, 22 des Substrates 2 geneigt sein, so dass die kohärente Strahlung 3 parallel zur ersten Seite 21 des Substrates 2 innerhalb des Substrates 2 propagiert.
Das Substrat 2 befindet sich in der dargestellten Ausführungsform auf einem xy-Tisch 41, mit welchem das Substrat innerhalb der durch die erste Seite 21 definierten Ebene verschoben werden kann. Die Positionierung des Substrates 2 auf dem xy-Tisch 41 kann dabei mit einer Genauigkeit von mehr als 20 nm oder mehr als 10 nm oder mehr als 5 nm erfolgen. Zur Ansteuerung des xy-Tisches 41 steht eine Steuer- oder Regeleinheit 5 zur Verfügung. Die Steuer- oder Regeleinheit 5 kann einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller enthalten. Die Steuer- oder Regeleinrichtung 5 erlaubt es, den xy-Tisch 41 so anzusteuern, dass sich der Fokuspunkt der kohärenten Strahlung an einer vorgebbaren Stelle innerhalb des Substrates 2 befindet, so dass das dort befindliche NV-Zentrum 25 ausgelesen, d.h. dessen Zustand spektroskopisch erfasst werden kann.
Der ringförmige Spiegel 35 führt dazu, dass die kohärente Strahlung 3 aus einer Mehrzahl von Einfallsrichtungen in das Substrat 2 eingekoppelt wird. Beispielsweise kann die kohärente Strahlung 3 aus etwa 10 bis etwa 100 oder etwa 15 bis etwa 50 Einfallsrichtungen in das Substrat 2 eintreten.
Die kohärente Strahlung 3 breitet sich in Form einer Zylinderwelle 31 innerhalb des Substrates 2 aus, wobei die Zylinderwelle 31 eine Polarisationsrichtung parallel zum Normalenvektor des Substrates 2 aufweist, d.h. die Polarisationsrichtung steht in etwa senkrecht auf der ersten und zweiten Seite 21 und 22. Die solchermaßen im Substrat 2 propagierende Zylinderwelle bildet einen Fokus mit einer Halbwertsbreite von etwa 80 nm, so dass ein einzelnes NV-Zentrum innerhalb des Substrates 2 selektiv angeregt werden kann.
Durch Verschieben des Substrates mit dem xy-Tisch 41 ändert sich die optische Weglänge der einzelnen Einfallsrichtungen, so dass der Fokuspunkt an einer anderen Stelle innerhalb des Substrates 2 ausgebildet wird. Durch relatives Verschieben des Substrates und des ringförmigen Spiegels 35 können somit unterschiedliche NV-Zentren sequenziell beleuchtet und deren Zustand damit spektroskopisch erfasst werden. Das von den NV-Zentren ausgehende Fluoreszenzlicht kann über ein Mikroskop-Objektiv mit großer Apertur von beispielsweise N_A=0,9 oder N_A=0,95 erfasst werden.
Anhand der 2 und 3 wird eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Schnittstelle näher erläutert. Dabei zeigt 2 den Schnitt und 3 die Aufsicht auf ein transmittives adaptiv-optisches Element 42. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bestandteile der Erfindung, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
Wie 2 zeigt, enthält die zweite Ausführungsform der Erfindung keinen xy-Tisch 41. Stattdessen befindet sich im Strahlengang der einfallenden kohärenten Strahlung 3 ein transmittives adaptiv-optisches Element 42. Dieses wird nachfolgend anhand der 3 näher erläutert.
Wie 3 zeigt, ist das adaptiv-optische Element 42 ringförmig und weist einen vergleichbaren Durchmesser auf, wie der ringförmige Spiegel 35. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das ringförmige Element 42 in 16 Sektoren unterteilt, welche jeweils eine elektro-optische Zelle 425 aufweisen. Die kohärente Strahlung 3 aus der Laserlichtquelle durchdringt somit jeweils eine zugeordnete elektro-optische Zelle 425, ehe die kohärente Strahlung auf den ringförmigen Spiegel 35 auftrifft und von dort dem Substrat 2 über dessen Seitenfläche 23 zugeführt wird.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Unterteilung des adaptiv-optischen Elementes 42 in 16 Segmente bzw. elektro-optische Zellen 425 lediglich beispielhaft gewählt ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Segmente größer oder auch geringer sein und beispielsweise zwischen etwa 10 und etwa 100 oder zwischen etwa 15 und etwa 50 betragen.
Durch Ansteuern einer elektro-optischen Zelle 425 durch die Steuer- oder Regeleinrichtung 5 wird eine Veränderung der optischen Weglänge und dadurch eine Phasenverschiebung der jeweiligen kohärenten Strahlung 3 bewirkt. Hierdurch verändert sich das Interferenzmuster der im Substrat 2 propagierenden Zylinderwelle 31, so dass der Fokuspunkt an einer anderen Stelle innerhalb des Substrates 2 gebildet wird bzw. durch Ansteuern der elektro-optischen Zellen 425 der Fokuspunkt innerhalb des Substrates 2 verschoben werden kann. Das adaptiv-optische Element 42 hat somit dieselbe Wirkung wie der xy-Tisch 41, jedoch kommt die zweite Ausführungsform gemäß der 2 und 3 ohne bewegte Bauteile aus, weshalb die Schaltgeschwindigkeit und die Betriebssicherheit erhöht sein können.
So wie für eine elektro-optische Zelle 425 beschrieben, kann die Phasenverschiebung der einzelnen Einfallsrichtungen der kohärenten Strahlung 3 selbstverständlich auch durch magneto-optische Zellen erzeugt werden, welche sich ebenfalls durch elektrische Signale der Steuer- oder Regeleinrichtung 5 beeinflussen lassen.
Anhand der 4 und 5 wird eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Schnittstelle näher erläutert. Auch in diesem Fall sind gleiche Bestandteile der Erfindung mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränken kann.
Anders als in 2 dargestellt, verwendet die in 4 dargestellte dritte Ausführungsform ein reflektives adaptiv-optisches Element 43. Die von der Laserlichtquelle ausgehende kohärente Strahlung 3 wird dabei am adaptiv-optischen Element 43 reflektiert. Das reflektierte Licht gelangt wiederum zu einem ringförmigen Spiegel 35 und wird dort nach Ablenkung um etwa 90° über die Seitenfläche 23 in das Substrat 2 eingekoppelt. Im Substrat bildet sich wiederum eine Zylinderwelle 31 aus, wie vorstehend beschrieben.
Wie 5 zeigt, ist auch das reflektive adaptiv-optische Element 43 beispielhaft in 16 Segmente 435 unterteilt, welche 16 Einfallsrichtungen der kohärenten Strahlung 3 in das Substrat 2 entsprechen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Segmente bzw. die Anzahl der Einfallsrichtungen wiederum größer oder geringer sein. Entsprechend der Anordnung des adaptiv-optischen Elementes 43 in Reflexion mit einer Neigung von etwa 45° zur ersten bzw. zweiten Seite 21, 22 des Substrates 2 ist das adaptiv-optische Element 43 nicht rund, sondern oval. Die Phasenverschiebung zwischen einzelnen Teilstrahlen bzw. Einfallsrichtungen entsteht im dargestellten Ausführungsbeispiel durch Mikrospiegel in jedem der Segmente 435, welche wiederum durch die Steuer- oder Regeleinrichtung 5 beeinflusst werden können.
Anhand der 6 wird eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Schnittstelle näher erläutert. Die vierte Ausführungsform ist als integrierte optische Komponente ausgeführt, welche auf einem Hilfssubstrat 46 aufgebaut ist. Das Hilfssubstrat 46 kann beispielsweise Silizium, ein Polymer oder auch ein Glas enthalten oder daraus bestehen. Das Substrat 2 mit den NV-Zentren 25 ist auf der Oberfläche des Hilfssubstrates 46 befestigt, beispielsweise durch Kleben oder Löten oder Bonden. Wie aus 6 ersichtlich ist, ist das Substrat 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel rund, wobei die Seitenfläche 23 des Substrates 2 orthogonal zur Oberfläche des Hilfssubstrates 46 steht.
Auf dem Hilfssubstrat 46 sind weiterhin eine Mehrzahl von Wellenleitern 45 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind 20 Wellenleiter vorhanden, entsprechend 20 Einfallsrichtungen kohärenter Strahlung in das Substrat 2. Die 20 Wellenleiter 45 bzw. Einfallsrichtungen sind äquidistant entlang des Umfangs bzw. entlang der Seitenfläche 23 angeordnet.
Die Wellenleiter 45 können beispielsweise durch Aufbringen optischer Fasern erhalten werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Wellenleiter 45 Rippenwellenleiter sein, welche durch Strukturieren und Ätzen einer Wellenleiterschicht auf dem Hilfssubstrat 46 erzeugt werden.
In jedem Wellenleiter 45 befindet sich ein adaptiv-optisches Element 44, welches die optische Weglänge des jeweiligen Wellenleiters 45 beeinflussen kann, beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes in einem vorgebbaren Längsabschnitt des Wellenleiters 45. Die adaptiv-optischen Elemente 44 können wiederum durch eine nicht dargestellte Steuer- oder Regeleinrichtung beeinflusst werden, welche auch zumindest teilweise als integrierte Schaltung auf dem Hilfssubstrat 46 monolithisch integriert sein kann.
Bei Betrieb der integrierten optischen Komponente wird jeweils ein kohärentes optisches Signal in die Wellenleiter 45 eingekoppelt, welches über die Wellenleiter 45 dem Substrat 2 zugeführt wird. Dort bildet sich wiederum aus den aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen eingekoppelten ebenen Wellen eine konvergente Zylinderwelle 31 aus, welche einen Fokuspunkt innerhalb des Substrates 2 bildet und die spektroskopische Erfassung des Zustandes des dort befindlichen NV-Zentrums ermöglicht.
Anhand der 7 wird eine fünfte Ausführungsform der optischen Schnittstelle gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert. 7 zeigt ein Substrat 2, welches einen mehrschichtigen Aufbau mit zumindest zwei Diamantschichten 26 und 27 und zumindest einer dazwischenliegenden Metallschicht 28 aufweist. Die Metallschicht 28 ist dicker als die Eindringtiefe der kohärenten optischen Strahlung 3. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Metallschicht eine Dicke von etwa 5 nm bis etwa 10 nm aufweisen. Die Metallschicht 28 kann beispielsweise Silber, Gold und/oder Kupfer enthalten oder daraus bestehen. Die Metallschicht 28 ist damit für optische Signale, beispielsweise die im Substrat 2 propagierende Zylinderwelle 31, opak und für Magnetfelder transparent.
Sowohl in der ersten Diamantschicht 26 als auch in der zweiten Diamantschicht 27 befindet sich NV-Zentren 25. Sofern diese in der ersten und zweiten Diamantschicht 26 und 27 an derselben Stelle befindlich sind, können diese magnetisch über die Metallschicht 28 hinweg koppeln.
Jeder Diamantschicht 26 und 27 ist ein ringförmiger Spiegel 35a bzw. 35b zugeordnet. Die Spiegel werden mit kohärenter Strahlung 35 beaufschlagt, so dass die Strahlung in jede Diamantschicht 26 bzw. 27 eingekoppelt wird und dort jeweils eine Zylinderwelle 31 erzeugt. Das Fluoreszenzlicht der NV-Zentren 25 aus der ersten Diamantschicht 26 wird von einem ersten Objektiv 27 fokussiert und einem Detektor zugeführt. Das Fluoreszenzlicht der NV-Zentren 25 der zweiten Diamantschicht 27 wird von einem zweiten Objektiv 72 gesammelt und einem Detektor zugeführt. Hierdurch kann die Anzahl der zur Verfügung stehenden NV-Zentren verdoppelt werden. Zur Verschiebung der Fokuslage innerhalb des Substrates 2 kann jede der vorstehend anhand der 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung Verwendung finden.
Anhand der 8 bis 11 wird nochmals dargestellt, wie die kohärente Strahlung aus einer Mehrzahl von Einfallsrichtungen im Substrat 2 eine konvergente Zylinderwelle 31 erzeugt. Dargestellt ist in den 8, 9 und 10 jeweils die Intensität auf der Ordinate und der Abstand vom Mittelpunkt des Substrates in Nanometern. Dabei zeigt 8 das sich ausbildende Intensitätsmuster für neun Einfallsrichtungen bzw. ebene Wellen im Substrat 2. 9 zeigt das sich ergebende Intensitätsmuster im Substrat 2 bei der Interferenz von 24 ebenen Wellen bzw. Einfallsrichtungen und 10 zeigt das sich ergebende Intensitätsmuster bei der Interferenz von 49 ebenen Wellen bzw. Einfallsrichtungen.
Wie die 8, 9 und 10 zeigen, bildet sich jeweils in der Mitte des Substrates 2 ein Fokus mit einer Halbwertsbreite von etwa 80 nm. In unmittelbarer Nachbarschaft des zentralen Fokuspunktes nimmt die Intensität um mindestens 80% ab. Im Falle von 9 Einfallsrichtungen bildet sich sodann im Abstand von 700 nm beiderseits des Zentrums ein weiteres Intensitätsmaximum aus. Der freie bzw. dunkle Bereich um das Zentrum des Substrates weist somit einen Radius von etwa 600 nm auf.
Wie 9 zeigt, wächst dieser Radius bei der Interferenz von 24 ebenen Wellen auf etwa 900 nm an. Im Falle von 49 ebenen Wellen beträgt der Radius des freien bzw. dunklen Bereichs bereits etwa 1400 nm.
11 zeigt diesen Zusammenhang nochmals. Auf der Ordinate ist der Durchmesser des freien bzw. dunklen Bereichs um das Hauptmaximum aufgetragen. Auf der Abszisse ist die Anzahl der Einfallsrichtungen bzw. die Anzahl der im Substrat 2 interferierenden ebenen Wellen dargestellt. Es ergibt sich insoweit ein linearer Zusammenhang zumindest im Bereich von 0 bis 150 Einfallsrichtungen.
Daraus lässt sich die Zahl M der in einem Substrat 2 ansprechbaren NV-Zentren 25 ermitteln. Liegen diese in einem regelmäßigen Raster mit einem jeweiligen Abstand von 80 nm zwischen benachbarten NV-Zentren, so beträgt die Anzahl M=0,53 N², wobei N die Anzahl der Einfallsrichtungen bezeichnet. Für 50 Einfallsrichtungen können somit im Substrat 2 bereits 1330 NV-Zentren unabhängig voneinander adressiert werden.
Umgekehrt ergibt sich die notwendige Zahl N der Einfallsrichtungen und damit die Anzahl der Einzelemitter der kohärenten Strahlung 3 aus der Anzahl der anzusprechenden NV-Zentren aus N = 1,34 vm^-.
Sofern eine simultane Adressierung mehrerer NV-Zentren gewünscht ist, kann dies durch eine entsprechende Formung der optischen Feldverteilung im Substrat 2 erfolgen. Da alle Einfallsrichtungen kohärent zueinander emittieren, kann durch an sich bekannte Methoden, wie beispielsweise Point Spread Function Engineering, eine spezifische Ausformung des Fokus erfolgen. Insbesondere können auf diese Weise auch Mehrfach-Foki realisiert werden. Dadurch kann nicht nur ein einzelnes NV-Zentrum selekiv adressiert werden, sondern auch eine Mehrzahl von NV-Zentren gleichzeitig.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3373023 A1 [0002]

Claims

Optische Schnittstelle (1) mit zumindest einem Substrat (2), welches Diamant enthält oder daraus besteht, wobei der Diamant zumindest ein NV-Zentrum (25) enthält, sowie zumindest einer Laserlichtquelle, welche dazu eingerichtet ist, kohärente Strahlung (3) auf das NV-Zentrum (25) zu richten, dadurch gekennzeichnet, dass die kohärente Strahlung (3) aus einer Mehrzahl von Einfallsrichtungen in das Substrat (2) einkoppelbar ist und die optische Schnittstelle weiterhin eine Einrichtung (41, 42, 43, 44) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung zwischen zumindest zwei Einfallsrichtungen enthält.
Optische Schnittstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) als planparallele Platte mit einer ersten Seite (21) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (22) und zumindest einer die erste und zweite Seite (21, 22) verbindenden Seitenfläche (23) ausgebildet ist.
Optische Schnittstelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) einen mehrschichtigen Aufbau mit zumindest zwei Diamantschichten (26, 27) und zumindest einer dazwischenliegenden Metallschicht (28) aufweist und/oder dass das Substrat (2) eine Mehrzahl von NV-Zentren (25) enthält, wobei benachbarte NV-Zentren einen Abstand von etwa 20 nm bis etwa 300 nm oder von etwa 20 nm bis etwa 200 nm oder von etwa 30 nm bis etwa 100 nm aufweisen.
Optische Schnittstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle dazu eingerichtet ist, die kohärente Strahlung (3) in Form einer Zylinderwelle (31) mit einer Polarisationsrichtung parallel zum Normalenvektor des Substrates (2) zu erzeugen.
Optische Schnittstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Einfallsrichtungen zwischen etwa 10 und etwa 100 oder zwischen etwa 15 und etwa 50 gewählt ist.
Optische Schnittstelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle dazu eingerichtet ist, die kohärente Strahlung (3) über die zumindest eine Seitenfläche (23) in das Substrat (2) einzukoppeln.
Optische Schnittstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin enthaltend zumindest einen Spiegel (35), welcher das Substrat (2) ringförmig umgibt.
Optische Schnittstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (41, 42, 43, 44) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung ausgewählt ist aus einem xy-Tisch (41) und/oder einem transmittiven adaptiv-optischen Element (42, 44) und/oder einem reflektiven adaptiv-optischen Element (43).
Optische Schnittstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese als integrierte optische Komponente (46) ausgebildet ist.
Verfahren zur spektroskopischen Erfassung des Zustandes eines NV-Zentrums (25) in zumindest einem Substrat (2), welches Diamant enthält oder daraus besteht, wobei kohärente Strahlung (3) auf das NV-Zentrum (25) gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die kohärente Strahlung (3) aus einer Mehrzahl von Einfallsrichtungen in das Substrat (2) eingekoppelt wird und zwischen zumindest zwei Einfallsrichtungen eine Phasenverschiebung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) einen mehrschichtigen Aufbau mit zumindest zwei Diamantschichten (26, 27) und zumindest einer dazwischenliegenden Metallschicht (28) aufweist und/oder dass das Substrat (2) eine Mehrzahl von NV-Zentren (25) enthält, wobei benachbarte NV-Zentren einen Abstand von etwa 20 nm bis etwa 300 nm oder von etwa 20 nm bis etwa 200 nm oder von etwa 50 nm bis etwa 150 nm aufweisen und ein NV-Zentrum durch Wahl der Phasenverschiebung selektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die kohärente Strahlung (3) in Form einer Zylinderwelle (31) mit einer Polarisationsrichtung parallel zum Normalenvektor des Substrates (2) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Einfallsrichtungen zwischen etwa 10 und etwa 100 oder zwischen etwa 15 und etwa 50 gewählt ist und/oder dass das Substrat (2) als planparallele Platte mit einer ersten Seite (21) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (22) und zumindest einer die erste und zweite Seite (21, 22) verbindenden Seitenfläche (23) ausgebildet ist, wobei die kohärente Strahlung (3) über die zumindest eine Seitenfläche (23) in das Substrat (2) eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die kohärente Strahlung (3) über zumindest einen Spiegel (35), welcher das Substrat (2) ringförmig umgibt, in das Substrat (2) eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung durch Verschieben des Substrates (2) und/oder mit einem transmittiven adaptiv-optischen Element (42, 44) und/oder mit einem einem reflektiven adaptiv-optischen Element (43) erzeugt wird.