[論文レビュー] High-Q/V two-dimensional photonic crystals cavities in 3C-SiC

Ioannis Chatzopoulos, F. De Martini+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 46被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、最適化された穴のシフトとサイズ縮小を通じて7,134のQファクターを達成した3C-SiCにおける高Q/V比の二次元フォトニッククリスタルキャビティ（PhCC）を提案する。この設計により、ポールファクターが向上し、ゼロフォノンライン（ZPL）に放射される光子の割合が増加し、スケーラブルな量子技術向けの単一光子源の不変性と効率が向上する。

ABSTRACT

Solid state quantum emitters are between the most promising candidates for single photon generation in quantum technologies. However, they suffer from decoherence effects which limit their efficiency and indistinguishability. For instance, the radiation emitted in the zero phonon line (ZPL) of most color centers is on the order of a few percent (e.g. $NV^-$ centers in Diamond, $V_{Si}V_{C}$ in SiC) limiting the emission rate of single photons as well as the efficiency. At the same time, reliable interfacing with photons in an integrated manner still remains a challenge on both diamond and SiC technology. Here we develop photonic crystal cavities with Q factors in the order of 7,100 in 3C SiC. We discuss how this high confinement cavity can significantly enhance the fraction of photons emitted in the ZPL and improve their characteristics. In particular, the increased efficiency and improved indistinguishability can open the way to quantum technologies in the solid state.

研究の動機と目的

• 3C-SiCにおける高品質でコンactなフォトニッククリスタルキャビティを開発し、光-物質相互作用を強化すること。
• SiCの色中心において低いZPL放射分率（例：ダイバキュアンシーでは約7％）が原因で、単一光子源の明るさと不変性が制限される問題を克服すること。
• SiCのCMOSプロセス適合性と優れたスピンコherencesを活用して、スケーラブルかつ統合型の量子フォトニクスを実現すること。
• 最適化されたQ/V比を介して高いポールファクターを達成し、量子応用のための強い結合状態に近づけること。

提案手法

• L3欠陥構造と穴工学（シフト、直径の縮小）を用いた3C-SiCにおける2次元フォトニッククリスタルキャビティ（PhCC）の設計により、Q/V比を向上させること。
• 有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを用いてQ/V比を最適化し、シミュレーションで約500,000 (n/λ)³を達成すること。
• 電子線リソグラフィーと誘導結合プラズマ（ICP）エッチングを用いて3C-SiC/Si基板上にデバイスをフォトリソグラフィーで作製すること。
• 微小フォトレフロレンセント分光法を用いて実験的にQファクターを測定し、キャビティ性能を検証すること。
• ポールファクターの式 FP = (3/4π²)(λ₀/n)³(Q/V)ξ を適用して、自発的放射の速度向上を推定すること。
• 結合強度g、キャビティ線幅κ、バルク発光体線幅γ₀を用いた基準 g > |κ - γ₀|/4 を用いて強い結合条件を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3C-SiCにおける2次元フォトニッククリスタルキャビティは、色中心からのZPL放射を強化するために高いQ/V比を達成できるか？
• RQ2 ポールファクターはどの程度向上し得るか？これにより単一光子源の不変性と効率がどのように向上するか？
• RQ3 実装された3C-SiC PhCCにおける達成可能なQファクターは何か？理論的予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 量子応用のための強い結合状態に到達可能か？また、そのための材料的・プロセス的改善は何か？

主な発見

• 実装された3C-SiCフォトニッククリスタルキャビティはQファクター7,134を達成し、スケーラブルなプラットフォームにおける高い光閉じ込めを実証した。
• シミュレーションではQ/V比が約500,000 (n/λ)³に達すると予測され、光-物質相互作用の強化に寄与する高いポールファクターが実現可能である。
• Qファクターをさらに向上させることで約11,000に到達すれば、強い結合状態に到達可能であり、その場合ポールファクターは707に達する。
• 3C-SiCにおけるダイバキュアンシー中心では、最適条件下で不変性I = 0.6およびβ = 0.98に達することが可能である。
• 現在の不変性は3C-SiCにおける位相崩壊に起因し、Qファクターが高くなってもIは0.6で上限に達する。
• 本結果により、3C-SiCは弱い結合状態および強い結合状態の両方で動作可能なスケーラブルなプラットフォームとして、量子技術分野での応用が期待される。