[論文レビュー] Photonic Bound State in the Continuum for Strong Light-matter Interaction

Chang‐Ling Zou, Jin‐Ming Cui+5 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2013

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、高屈折率のダイヤモンド膜上に形成された低屈折率ポリマー波導路を用い、破壊的干渉を活用して光学損失を抑制することで、ハイブリッド光子的バインダブルステートインザコンティンウム（BIC）を提案する。この構造により、超高Qファクターのマイクロレゾネータと波長より小さいモード制限が実現され、ダイヤモンド中の窒素空孔中心（N-V中心）と光子との強い結合が達成され、Purcell係数は828、結合強度は242×2π MHzに達する。これにより、広いプロセス許容性を有するスケーラブルな量子フォトニクスが可能になる。

ABSTRACT

The photonic bound state in the continuum (BIC) is discovered in a hybrid photonic circuit with low refractive index waveguide on a high refractive index thin membrane, where the optical dissipation is forbidden because of the destructive interference of different leakage channels. Based on the photonic BIC, the low mode area in a hybrid waveguide and high quality factor in a microresonator can be applied to enhance the light-matter interaction. Taking the fabrication-friendly polymer structure on diamond membrane as an example, those excellent optical performances can exist in a wide range of structure parameters with large fabrication tolerance and induce the strong coupling between photon and nitrogen-vacancy center in the diamond for scalable quantum information processors and networks. Such a fabrication-friendly structure with photonic BIC is also very promising in laser, nonlinear optical and quantum optical applications.

研究の動機と目的

• 高屈折率対比フォトニクス集積回路の限界を克服し、高屈折率基板上に低屈折率波導路を用いて低損失で高モード制限を実現すること。
• 対称性の破壊や設計されたポテンシャルを必要としない、ハイブリッド波導路構造におけるバインダブルステートインザコンティンウム（BIC）の存在を実証すること。
• ダイヤモンド中の窒素空孔中心（N-V中心）とフォトニックモードの間で強力な光-物質相互作用を実現し、スケーラブルな量子情報処理を可能とすること。
• 実験的実装に適した、広いパrameter許容性を有するプロセスフレンドリーなプラットフォームを設計すること。
• 高Q/V比と低モード面積を活用することで、非線形光学、レーザー、量子センシングへのフォトニクスBICの応用範囲を拡大すること。

提案手法

• 低屈折率ポリマー（n = 1.49）を高屈折率ダイヤモンド膜（n = 2.41）上に配置したハイブリッド波導路構造を用い、複数の漏れ出しチャネルの破壊的干渉によりBICの形成を実現する。
• 光の伝搬をシュレーディンガー方程式の類似でモデル化し、横方向モードの有効屈折率プロファイルを用いて1次元のポテンシャル井戸としてシステムを記述する。
• 回転対称性を持つマイクロリングレゾネータにおいてBICを実現し、干渉効果による放射損失の抑制により超高Qファクターを達成する。
• Purcell増幅を式 $ F = rac{3}{4 au^2} rac{Q}{V} rac{ au^3}{n^3} $ を用いて計算し、モード体積 $ V $ およびQファクターは場の分布から導出する。
• 結合強度 $ G = eta imes ext{ドーピング行列要素} imes ext{モードオーバーラップ} $ を評価し、N-V中心に対して $ G = 242 imes 2 au $ MHz であることを示す。
• プロセス許容性をシミュレーションで分析し、Qファクターが半径 $ R $ およびリング幅 $ w_r $ に対して±50 nmの変動に対しても安定であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称性や設計されたポテンシャルを必要とせず、高屈折率基板上に低屈折率波導路を用いた場合に、バインダブルステートインザコンティンウム（BIC）を実現できるか？
• RQ2 BICに基づくハイブリッドマイクロリングレゾネータにおける達成可能なQファクターとモード体積は何か？また、それらは強力な光-物質結合をどのように可能にするか？
• RQ3 波導幅およびリング半径のプロセス変動に対して、BIC構造はどの程度耐性を示すか？
• RQ4 BICプラットフォームは、ダイヤモンド中の窒素空孔中心のゼロフォノンライン（ZPL）発光を、高い効率でかつフォノンサイドバンドを抑制して強化できるか？
• RQ5 プロセス適合性および光学的性能の観点から、従来の高屈折率対比PICと比較して、本構造はどのように異なるか？

主な発見

• ポリマー波導路を有するダイヤモンド膜上に光子的BICが実験的に実現可能であり、複数の放射チャネルの破壊的干渉により光学損失が抑制される。
• ハイブリッド波導路は637 nmでモード面積0.092 µm²を達成し、Purcell係数2.74およびZPL収率73%を実現する。
• マイクロリングレゾネータはBICが励起された場合、Qファクターが最大6.5×10⁷に達し、強い結合に十分なQ/V比を有する。
• 高Q/Vマイクロレゾネータにおいて、窒素空孔中心のZPLのPurcell係数は828に達し、自発的発光が顕著に増幅される。
• N-V中心とフォトニックモードの結合強度は242×2π MHzに達し、N-V中心の崩壊率（13×2π MHz）を超えており、強い結合状態が確認された。
• システムは高いプロセス許容性を示し、波導幅およびリング半径が±50 nm変動してもQファクターが安定しており、実用的実装が可能である。