[論文レビュー] Telecommunication-wavelength two-dimensional photonic crystal cavities in a thin single-crystal diamond membrane

Kazuhiro Kuruma, Afaq Habib Piracha+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2021

Photonic Crystals and Applications参考文献 65被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、標準的な電子線リソグラフィーおよび反応性イオンエッチングを用いて、薄い単結晶ダイヤモンド膜において、通信波長帯の高品質な2次元フォトニクスクリスタル（PhC）キャビティを実現した。実験的に測定されたQファクターはOバンドおよびSバンド（1360–1470 nm）で最大約1,800に達し、理論的Qファクターは約8×10⁶、モード体積は約2 (λ/n)³であり、量子光学および非線形光学のアプリケーションにおけるオンチップダイヤモンドナノフォトニクスにおける強い光-物質結合を可能にする。

ABSTRACT

We demonstrate two-dimensional photonic crystal cavities operating at telecommunication wavelengths in a single-crystal diamond membrane. We use a high-optical-quality and thin (~ 300 nm) diamond membrane, supported by a polycrystalline diamond frame, to realize fully suspended two-dimensional photonic crystal cavities with a high theoretical quality factor of ~ $8 imes10^6$ and a relatively small mode volume of ~2$({\lambda}/n)^3$. The cavities are fabricated in the membrane using electron-beam lithography and vertical dry etching. We observe cavity resonances over a wide wavelength range spanning the telecommunication O- and S-bands (1360 nm-1470 nm) with Q factors of up to ~1800. Our method offers a new direction for on-chip diamond nanophotonic applications in the telecommunication-wavelength range.

研究の動機と目的

• 通信波長帯における単結晶ダイヤモンド膜に、高品質で完全に浮上した2次元フォトニクスクリスタルキャビティをスケーラブルにプロセスする方法を開発すること。
• Qファクターを低下させる要因となる構造的不純物を最小限に抑えた大面積で薄く均一なダイヤモンド膜を形成する課題を克服すること。
• 2次元PhCキャビティにおいて、高い理論的Qファクター（約8×10⁶）と小さなモード体積（約2 (λ/n)³）を達成し、光-物質相互作用を強化すること。
• OバンドおよびSバンド（1360–1470 nm）にわたる実験的測定可能なキャビティ共鳴を実証すること。

提案手法

• ヘリウムイオンイオンインプラント、マイクロ波プラズマ化学気相成長（CVD）による成長、および反応性イオンエッチング（RIE）を用いた約300 nm 厚の単結晶ダイヤモンド膜の作製。
• 取り扱いやプロセス中における膜の支持のため、多結晶ダイヤモンドフレームの使用。
• 高Qファクターを達成するため、幅変調されたライン欠陊型PhCキャビティを設計し、空孔のずれ（SA=22 nm, SB=16.5 nm, SC=11 nm, SD=5.5 nm）を導入。
• 追加のアンダーカットエッチングを必要とせず、標準的な電子線リソグラフィーとトップダウンRIEを用いて完全に浮上した2次元PhCキャビティをプロセス。
• 可変波長レーザー、偏光フィルタ、および約0.2 nmの分解能を持つ光スペクトルアナライザー（OSA）を用いた共鳴散乱分光法による特性評価。
• FDTDシミュレーションを用いて電場分布をモデル化し、共鳴波長およびQファクターを予測。実測されたSEM画像からの構造的変動を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通信波長帯における単結晶ダイヤモンド膜に、高Qファクターでモード体積が小さい2次元フォトニクスクリスタルキャビティを実現可能か？
• RQ2 複雑なアンダーカットエッチングやイオンダメージを必要としない、大規模で高品質な2次元PhCキャビティをダイヤモンドに実現するプロセスは何か？
• RQ3 実験的に測定されたQファクター（約1,800）が理論的予測（約8×10⁶）に比べて著しく低いのはなぜか？
• RQ4 空孔位置や半径の変動、表面粗さ、エッチングピットなどの構造的不純物が、光損失にどの程度寄与しているか？

主な発見

• プロセスされた2次元PhCキャビティは、通信波長帯のOバンドおよびSバンド（1360–1470 nm）にわたる共鳴を示し、実験的に測定されたQファクターは最大約1,800に達した。
• 理論的シミュレーションでは、300 nm 厚のダイヤモンド膜における基本モード（λ = 1.52 μm）のQファクターは約8×10⁶、モード体積は約2.15 (λ/n)³と予測された。
• 測定された空孔半径と膜厚を考慮したFDTDシミュレーションと、測定された共鳴波長が良好に一致し、キャビティモードの起源を確認した。
• 測定された空孔位置の変動（標準偏差約5 nm）および半径の変動（標準偏差約2.5 nm）をシミュレーションに組み込むと、予測Qファクターは約8×10⁴に低下するが、依然として実験値より高い値となり、さらなる損失機構が存在することが示唆された。
• SEM画像で観察された表面粗さ、側面粗さ、空孔の傾き、および汚染やエッチングピットが、理論的および実験的Qファクターの差異の主な要因であると特定された。
• 標準的な電子線リソグラフィーおよびRIEを用いた、高品質で薄い単結晶ダイヤモンド膜上でのプロセス法により、量子光学および非線形光学用途のためのスケーラブルなオンチップダイヤモンドナノフォトニクスデバイス統合が可能になった。