[論文レビュー] Efficient Photonic Integration of Diamond Color Centers and Thin-Film Lithium Niobate

Daniel Riedel, Hope Lee+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2023

Advanced Fiber Laser TechnologiesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、機械的ピックアンドプレース法を用いて、窒素欠陥（SiV）色中心を有するダイヤモンドナノビームと薄膜ニオブ酸リチウム（TFLN）波guidesを高効率に異種統合することを示している。ダイヤモンドとTFLN間の平均透過効率は92±11%に達し、垂直方向への放射収集と比較して光子収集効率が10倍向上した。これにより、スピン光子インターフェースを強化したスケーラブルな光量子回路の実現が可能になった。

ABSTRACT

On-chip photonic quantum circuits with integrated quantum memories have the potential to radically progress hardware for quantum information processing. In particular, negatively charged group-IV color centers in diamond are promising candidates for quantum memories, as they combine long storage times with excellent optical emission properties and an optically-addressable spin state. However, as a material, diamond lacks many functionalities needed to realize scalable quantum systems. Thin-film lithium niobate (TFLN), in contrast, offers a number of useful photonic nonlinearities, including the electro-optic effect, piezoelectricity, and capabilities for periodically-poled quasi-phase matching. Here, we present highly efficient heterogeneous integration of diamond nanobeams containing negatively charged silicon-vacancy (SiV) centers with TFLN waveguides. We observe greater than 90\% transmission efficiency between the diamond nanobeam and TFLN waveguide on average across multiple measurements. By comparing saturation signal levels between confocal and integrated collection, we determine a $10$-fold increase in photon counts channeled into TFLN waveguides versus that into out-of-plane collection channels. Our results constitute a key step for creating scalable integrated quantum photonic circuits that leverage the advantages of both diamond and TFLN materials.

研究の動機と目的

• ダイヤモンド色中心を機能的光子プラットフォームと統合することで、スケーラブルなオンチップ光量子回路を実現すること。
• ダイヤモンドの非線形光学特性とスケーラブルなプロセスの限界を克服するため、薄膜ニオブ酸リチウム（TFLN）と組み合わせること。
• ダイヤモンドナノビームに埋め込まれたSiV中心とTFLN波guidesとの間で、高効率かつ低損失の光子統合を達成すること。
• 光学的品質を保持したまま効率的な光伝送を可能にする機械的アセンブリによる異種統合プラットフォームを実証すること。

提案手法

• SiV色中心を有する二重テーパー型ダイヤモンドナノビームを、TFLN波guidesプラットフォームに機械的ピックアンドプレース法で移動させる。
• テーパー型波guides構造を介した断続的モードコンバーターを用いて、ダイヤモンドナノビームとTFLN波guides間のモードマッチングを効率的に行う。
• 有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを用いてテーパー長を最適化し、10 µmのテーパーで約98%の効率を予測。
• COMSOLシミュレーションによりハイブリッド化された波guidesモードプロファイルをモデル化し、界面を越える断続的モード移行を確認。
• 共焦点および波guides結合収集方式を用いて、光励起（PL）測定を実施し、信号収集効率を比較。
• 出力パワー依存性および焦点位置依存性のPL測定を実施し、発光体の挙動と3次元空間における発光体の分布を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiV中心を有するダイヤモンドナノビームとTFLN波guidesとの間で、効率的かつ低損失の光子統合を達成できるか？
• RQ2 異種界面を越える光の透過効率はどの程度か？
• RQ3 従来の共焦点収集と比較して、波guidesベースの収集は光子収集効率および発光体分解能においてどのように異なるか？
• RQ4 背景蛍光および散乱は、統合されたTFLN波guidesにおける信号収集にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 標準的な共焦点顕微鏡と比較して、TFLN波guides収集を用いることで3次元発光体局在化がどの程度向上するか？

主な発見

• ダイヤモンドナノビームとTFLN波guides間の平均透過効率は92±11%であり、高い光伝送効率を示した。
• TFLN波guidesでは、垂直方向の共焦点収集と比較して光子数が10倍増加した。これは、より優れた収集効率を示している。
• 出力パワー依存性の自己相関測定により、全出力レベルでg²(0) > 0.5が得られた。これは、単一発光体ではなく、少数の発光体のアンサンブルが存在することを確認した。
• 焦点位置依存性のPLマップから、TFLN波guides収集は共焦点収集よりも多くのスペクトル遷移を捉え、発光体クラスタをよりよく分解能で捉えられるとわかった。
• C/CP設定（共焦点励起、波guides収集）は、C/C設定よりも多くの発光体を検出しており、背景ノイズとぼやけが低減されている。
• 波guides収集チャネルは背景蛍光に対して感受性が低く、複雑な系における3次元発光体局在化に利点があると示唆された。