[論文レビュー] Design of an ultrahigh Quality factor silicon nitride photonic crystal nanocavity for coupling to diamond nanocrystals

Murray W. McCutcheon, Marko Lončar|ArXiv.org|Sep 29, 2008

Photonic Crystals and Applications参考文献 44被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、637 nmでQファクター2.3×10⁵、モード体積0.55(λ/n)³を達成する窒化ケイ素光結晶ナノキャビティを設計し、窒素空位（NV）中心を有するダイヤモンドナノクリスタルと強い結合を実現する。シミュレーションにより、実際の20 nmダイヤモンドナノクリスタルをキャビティ内に埋め込んだ場合、Q > 2×10⁵が達成可能であり、95 nmのキャビティ長さで単一原子の協同係数Cₑ = 90に達する。これは強い結合領域での動作を示している。

ABSTRACT

A photonic crystal nanocavity with a Quality (Q) factor of 2.3 x 10^5, a mode volume of 0.55($λ/n$)^3, and an operating wavelength of 637 nm is designed in a silicon nitride (SiN_x) ridge waveguide with refractive index of 2.0. The effect on the cavity Q factor and mode volume of single diamond nanocrystals of various sizes and locations embedded in the center and on top of the nanocavity is simulated, demonstrating that Q > 2 x 10^5 is achievable for realistic parameters. An analysis of the figures of merit for cavity quantum electrodynamics reveals that strong coupling between an embedded diamond nitrogen-vacancy center and the cavity mode is achievable for a range of cavity dimensions.

研究の動機と目的

• 窒化ケイ素における超高Qファクターおよび小モード体積を有する光結晶ナノキャビティを設計し、ダイヤモンドナノクリスタルと効率的に結合可能とする。
• 20 nmダイヤモンドナノクリスタルをキャビティに埋め込むか配置する場合の、キャビティQファクターおよびモード体積への影響を評価する。
• ダイヤモンドナノクリスタル内の窒素空位（NV）中心とキャビティモードとの強い結合の実現可能性を特定する。
• 将来の量子光通信アプリケーションを想定し、Purcell増幅および光子収率効率を評価する。
• 効率的な光出射を可能とするリッジ波ガイドを用いたオンチップ統合を可能とする。

提案手法

• 屈折率n = 2.0の窒化ケイ素リッジ波ガイドに、光結晶ナノキャビティを設計。
• 有限差分時域法（FDTD）シミュレーションを用いて、さまざまなキャビティ幾何形状のQファクターおよびモード体積を計算。
• 20 nm径のダイヤモンドナノクリスタルを、キャビティ電場最大値と一致する方向の点電源としてモデル化。
• Purcell係数および協同係数指標を組み込み：Fₚ = 3Qη²(λ/n)³/(4π²V)およびC = g²/(κγ)、ここでgは真空中ラビ周波数。
• ナノクリスタルの配置に起因するキャビティQの低下を、キャビティ中心に埋め込む場合と上部に配置する場合の両方でシミュレーション。
• キャビティ減衰率（κ = ω/(2Q）および自発的放出率（γ = 2π/20 ns）を分析し、強い結合領域（g > κ, γ）の成立を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 窒化ケイ素光結晶ナノキャビティは、637 nmでQ > 2×10⁵かつモード体積 < 0.6(λ/n)³を達成可能か？
• RQ2 20 nmダイヤモンドナノクリスタルをキャビティに埋め込むと、キャビティのQファクターおよびモード体積にどのような影響を与えるか？
• RQ3 現実的なキャビティ寸法およびナノクリスタル位置を想定した場合、窒素空位（NV）中心とキャビティモードとの強い結合は実現可能か？
• RQ4 キャビティ上部に配置されたナノクリスタルと比べ、キャビティに埋め込まれたナノクリスタルの最大Purcell増幅係数はどれくらいか？
• RQ5 可視光帯域における単一光子放出増幅を実現するため、高協同係数（C > 1）を達成できるか？

主な発見

• 設計されたナノキャビティは、637 nmでQファクター2.3×10⁵、モード体積0.55(λ/n)³を達成し、高Q/V基準を満たしている。
• 20 nmダイヤモンドナノクリスタルをキャビティ中心に埋め込むと、Qファクターはわずかに上昇し、モード体積は減少するが、Qファクターの低下は約10%にとどまる。
• 95 nmのキャビティ長さにおいて、ナノクリスタルを埋め込んだ場合、単一原子の協同係数はCₑ = 90に達し、強い結合領域での動作が確認された。
• 最適な電気双極子アライメント下で、埋め込まれたナノクリスタルのPurcell係数はFₚ = 27,000に達するが、キャビティ上部に配置されたナノクリスタルでは1,800にとどまる。
• 90–100 nmのキャビティ長さにおいて、埋め込まれたナノクリスタルでは強い結合条件（g > κ, γ）が満たされ、gₑ/2π ≈ 1.5 GHzの値を示している。
• キャビティは高いQファクターを維持でき、オンチップ波ガイド統合にも適しており、量子アプリケーション向けに効率的な光出射を可能としている。