[論文レビュー] Highly efficient light extraction and directional emission from diamond color centers using planar Yagi-Uda antennas

Hossam Galal, Assegid M. Flatae+9 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ダイヤモンド膜内のシリコンバケーション色中心から高効率な光抽出と方向性発光を実現するため、平面型ヤギ・ウダアンテナを用いることを示している。ナノ構造を有するアンテナとダイヤモンド色中心を統合することで、著しく高い指向性と抽出効率が達成され、量子フォトニクス用途における光子収率が向上する。

ABSTRACT

Color centers in diamond represent a promising platform for developing solid-state single-photon sources and spin-photon interfaces as building blocks for photonics-based quantum technologies. However, although they exhibit a combination of features that make them so attractive, they also suffer from limited control in their emission properties, such as brightness, directionality, and polarization to cite a few. In this paper we present implementations and the experimental investigation of planar Yagi-Uda antennas in diamond, demonstrating highly efficient light extraction and directional emission from silicon-vacancy color centers created in thin diamond membranes.

研究の動機と目的

• 量子フォトニクス分野におけるダイヤモンド色中心の発光特性（明るさ、指向性、偏光など）の制御が限定的であるという問題に取り組む。
• 通常は全内反射と等方的発光によって妨げられる、薄いダイヤモンド膜内のシリコンバケーション（SiV）中心からの光抽出効率を向上させる。
• 平面型ヤギ・ウダアンテナを実装し、実験的に検証することで、色中心からの発光を指向的に制御・強化する手法を実現する。
• 量子情報処理に適した、発光パターンを調整可能なスケーラブルでオンチップ統合可能な単一光子源の実現を目的とする。

提案手法

• 電子線リソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、薄いダイヤモンド膜上に平面型ヤギ・ウダアンテナを設計・プロセスする。
• イオンインプラントおよびアニール処理を用いて、シリコンバケーション（SiV）色中心をダイヤモンド膜に統合する。
• 反射素子とドライバーディレクタ素子を備えたデュアルダイポール駆動型アンテナ構造を採用し、指向性放射パターンを実現する。
• 共焦点顕微鏡法と偏光分解能測定を用いた光学的特性評価により、指向性と抽出効率を定量的に評価する。
• 有限差分時間法（FDTD）を用いた遠方場放射パターンおよび指向性のシミュレーションを行い、設計を支援するとともに実験結果の妥当性を検証する。
• 指向性因子と収率を測定し、裸のダイヤモンド膜と比較しての性能向上を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平面型ヤギ・ウダアンテナは、ダイヤモンド色中心と効果的に統合可能であり、光抽出効率を向上させることができるか？
• RQ2 ナノ構造アンテナを用いることで、シリコンバケーション中心からの発光の指向性をどの程度制御できるか？
• RQ3 アンテナ設計が、放出される光子の偏光および方位分布にどのように影響を与えるか？
• RQ4 構造化されていないダイヤモンド膜と比較して、実現可能な指向性および抽出効率の向上はどの程度か？

主な発見

• 平面型ヤギ・ウダアンテナ設計により、約10.5 dBの指向性が達成され、SiV中心からの指向性発光が顕著に向上した。
• 光抽出効率は、裸のダイヤモンド膜と比較して3.5倍向上し、測定された抽出効率は38%であった。
• 偏光制御が実証され、アンテナの幾何形状に起因して、主に横磁気（TM）モードで発光する傾向を示した。
• 遠方場放射パターンは強くビーム形成されており、半値全幅（FWHM）は約30°であり、高い指向性を示した。
• シミュレーションと実験結果が良好に一致し、アンテナの性能および設計原理の妥当性が検証された。