[논문 리뷰] Design of an ultrahigh Quality factor silicon nitride photonic crystal nanocavity for coupling to diamond nanocrystals

Murray W. McCutcheon, Marko Lončar|ArXiv.org|2008. 09. 29.

Photonic Crystals and Applications참고 문헌 44인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 637 nm에서 Q 인자 2.3×10⁵ 및 모드 부피 0.55(λ/n)³을 가지는 실리콘 nitride 광결정 나노공진기 구조를 설계하여 질소-빈약(_NV_) 중심을 갖는 다이아몬드 나노결정과 강한 결합을 가능하게 한다. 시뮬레이션 결과, 실질적인 20 nm 다이아몬드 나노결정이 공진기에 임베딩된 경우 Q > 2×10⁵가 달성 가능하며, 95 nm 공진기 길이에서 단일 원자 협동성 Cₑ = 90을 기록하여 강한 결합 영역에서의 작동이 가능하다.

ABSTRACT

A photonic crystal nanocavity with a Quality (Q) factor of 2.3 x 10^5, a mode volume of 0.55($λ/n$)^3, and an operating wavelength of 637 nm is designed in a silicon nitride (SiN_x) ridge waveguide with refractive index of 2.0. The effect on the cavity Q factor and mode volume of single diamond nanocrystals of various sizes and locations embedded in the center and on top of the nanocavity is simulated, demonstrating that Q > 2 x 10^5 is achievable for realistic parameters. An analysis of the figures of merit for cavity quantum electrodynamics reveals that strong coupling between an embedded diamond nitrogen-vacancy center and the cavity mode is achievable for a range of cavity dimensions.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드 나노결정과 효율적으로 결합하기 위해 초고Q 인자와 작은 모드 부피를 갖는 실리콘 나이트라이드 광결정 나노공진기 설계.
• 20 nm 다이아몬드 나노결정을 공진기에 임베딩하거나 위치시킬 경우 공진기 Q 인자 및 모드 부피에 미치는 영향 평가.
• 다이아몬드 나노결정 내 질소-빈약(NV) 중심과 공진기 모드 간 강한 결합의 가능성 규명.
• 향후 양자 광학 응용을 위한 펌프링 강화 및 광자 수집 효율 분석.
• 효율적인 광자 외부 커플링을 위한 릿지 웨이브가이드와의 온칩 통합 가능화.

제안 방법

• 반도체 나이트라이드 릿지 웨이브가이드 기반 실리콘 나이트라이드 광결정 나노공진기 설계 (반사율 n = 2.0).
• 다양한 공진기 기하구조에 대해 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 활용해 Q 인자 및 모드 부피 계산.
• 20 nm 지름의 다이아몬드 나노결정을 공진기 전자기장 최대치 방향에 정렬된 점 전기 dipole 소스로 모델링.
• 펌프링 인자 및 협동성 지표를 통합: Fₚ = 3Qη²(λ/n)³/(4π²V) 및 C = g²/(κγ), 여기서 g는 진공 라비 주파수.
• 나노결정을 중심에 임베딩하거나 위에 놓았을 경우의 공진기 Q 인자 열화 현상 시뮬레이션.
• 공진기 감쇠율(κ = ω/(2Q)) 및 자발적 방출율(γ = 2π/20 ns) 분석을 통해 강한 결합 영역 조건(g > κ, γ) 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 나이트라이드 광결정 나노공진기는 637 nm에서 Q > 2×10⁵ 및 모드 부피 < 0.6(λ/n)³ 달성 가능한가?
• RQ2 20 nm 다이아몬드 나노결정을 임베딩할 경우 공진기의 Q 인자 및 모드 부피에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실제 공진기 치수 및 나노결정 위치 조건 하에서 질소-빈약 중심과 공진기 모드 간 강한 결합이 가능한가?
• RQ4 공진기 내부에 임베딩된 경우와 위에 놓인 경우의 다이아몬드 나노결정에 대한 최대 펌프링 강화 인자(Fₚ)는 각각 얼마인가?
• RQ5 단일 광자 방출 강화를 위한 가시광역에서 고협동성(C > 1)을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 설계된 나노공진기는 637 nm에서 Q 인자 2.3×10⁵ 및 모드 부피 0.55(λ/n)³를 달성하여 고Q/V 기준 충족.
• 공진기 중심에 20 nm 다이아몬드 나노결정을 임베딩할 경우 Q 인자 약간 증가하고 모드 부피 감소, Q 인자 약 10% 감소.
• 95 nm 공진기 길이에서 나노결정을 임베딩한 경우 단일 원자 협동성 Cₑ = 90 도달하여 강한 결합 영역 작동 가능.
• 최적의 전기 dipole 정렬 조건에서 임베딩된 나노결정의 펌프링 인자 Fₚ = 27,000 도달, 공진기 위에 놓인 경우는 1,800에 그침.
• 90–100 nm 공진기 길이 범위에서 임베딩된 나노결정에 대해 강한 결합 조건(g > κ, γ) 충족, gₑ/2π ≈ 1.5 GHz 도달.
• 고Q 인자 유지를 유지하며 온칩 웨이브가이드 통합 가능하여 양자 응용을 위한 효율적 광자 외부 커플링 지원.