[논문 리뷰] Efficient Photonic Integration of Diamond Color Centers and Thin-Film Lithium Niobate

Daniel Riedel, Hope Lee외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 27.

Advanced Fiber Laser TechnologiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기계적 피킹-플레이스 방법을 통해 실리콘빈도(SiV) 색 중심을 포함한 다이아몬드 나노빔과 박막 리튬니오브산탄(Thin-Film Lithium Niobate, TFLN) 웨이브가이드 간에 매우 효율적인 이종 통합을 구현한다. 다이아몬드와 TFLN 간의 평균 전송 효율은 92±11%를 기록하며, 수직 방향 수집 대비 TFLN 웨이브가이드로의 광자 수집 효율이 10배 향상되어 스케일러블 광학 양자 회로 및 향상된 스핀-광자 인터페이스를 가능하게 한다.

ABSTRACT

On-chip photonic quantum circuits with integrated quantum memories have the potential to radically progress hardware for quantum information processing. In particular, negatively charged group-IV color centers in diamond are promising candidates for quantum memories, as they combine long storage times with excellent optical emission properties and an optically-addressable spin state. However, as a material, diamond lacks many functionalities needed to realize scalable quantum systems. Thin-film lithium niobate (TFLN), in contrast, offers a number of useful photonic nonlinearities, including the electro-optic effect, piezoelectricity, and capabilities for periodically-poled quasi-phase matching. Here, we present highly efficient heterogeneous integration of diamond nanobeams containing negatively charged silicon-vacancy (SiV) centers with TFLN waveguides. We observe greater than 90\% transmission efficiency between the diamond nanobeam and TFLN waveguide on average across multiple measurements. By comparing saturation signal levels between confocal and integrated collection, we determine a $10$-fold increase in photon counts channeled into TFLN waveguides versus that into out-of-plane collection channels. Our results constitute a key step for creating scalable integrated quantum photonic circuits that leverage the advantages of both diamond and TFLN materials.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드 색 중심을 기능성 광학 플랫폼과 통합하여 스케일러블 칩기반 광학 양자 회로를 실현하기 위해.
• 다이아몬드의 비선형 광학 및 스케일러블 제조 한계를 보완하기 위해 박막 리튬니오브산탄(TFLN)과 조합함으로써.
• 다이아몬드 나노빔 내 SiV 중심과 TFLN 웨이브가이드 간에 고효율·저손실 광학 통합을 달성하여 양자 메모리 및 광학 회로 응용을 위해.
• 광학 품질을 유지하면서 효율적인 빛 전달을 가능하게 하는 기계적 조립 기반 이종 통합 플랫폼을 구현하기 위해.

제안 방법

• 이중 테이퍼형 다이아몬드 나노빔을 실리콘빈도(SiV) 색 중심이 포함된 상태로 TFLN 웨이브가이드 플랫폼에 기계적 피킹-플레이스 기법을 사용하여 이송한다.
• 다이아몬드 나노빔과 TFLN 웨이브가이드 간의 효율적 모드 매칭을 위해 테이퍼형 웨이브가이드 구조를 통한 아디아바틱 모드 컨버터를 통합한다.
• 유한차분시간영역(Finite-difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션을 통해 테이퍼 길이를 최적화하고 전송 효율을 예측하여 10 µm 테이퍼에서 약 98%의 효율을 달성한다.
• COMSOL 시뮬레이션을 통해 하이브리드 웨이브가이드 모드 프로파일을 모델링하여 인터페이스를 넘어서 아디아바틱 모드 전달이 가능함을 확인한다.
• 광흡수율(PL) 측정을 위해 공집속 및 웨이브가이드 커플드 수집 방식을 사용하여 신호 수집 효율을 비교한다.
• 출력 전력 의존성 및 집중점 의존성 PL 측정을 통해 발광체의 거동과 3차원에서의 발광체 분포를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 나노빔 내 SiV 중심과 TFLN 웨이브가이드 간에 효율적이고 저손실 광학 통합을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이종 인터페이스를 통해 다이아몬드에서 TFLN로의 빛 전송 효율은 얼마인가?
• RQ3 기존 공집속 수집 방식에 비해 웨이브가이드 기반 수집 방식은 광자 수집 효율과 발광체 해상도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 배경 형광 및 산산조각나기 효과가 통합된 TFLN 웨이브가이드에서 신호 수집에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 표준 공집속 현미경보다 TFLN 웨이브가이드 수집을 통해 3차원 발광체 국소화를 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 다이아몬드 나노빔과 TFLN 웨이브가이드 간 평균 전송 효율은 92±11%로 매우 효율적인 빛 전달을 입증한다.
• 수직 방향 공집속 수집 대비 TFLN 웨이브가이드에서의 광자 수가 10배 증가하여 수집 효율이 뛰어나다는 것을 시사한다.
• 출력 전력 의존성 자가상관 측정에서 모든 전력 수준에서 g²(0) > 0.5를 관찰하여 단일 발광체가 아닌 소규모 발광체 집합체가 존재함을 확인한다.
• 집중점 의존성 PL 맵 분석을 통해 TFLN 웨이브가이드 수집 방식이 공집속 수집보다 더 많은 스펙트럼 전이를 포착하고 발광체 군집을 더 잘 해상도로 분리함을 확인한다.
• C/CP 구성(공집속 자극, 웨이브가이드 수집)은 C/C 구성보다 더 많은 발광체를 감지하고 배경 신호와 블러링을 감소시킴을 보여준다.
• 웨이브가이드 수집 채널은 배경 형광에 덜 민감하여 복잡한 시스템에서 3차원 발광체 국소화에 유리함을 시사한다.