[논문 리뷰] Telecommunication-wavelength two-dimensional photonic crystal cavities in a thin single-crystal diamond membrane

Kazuhiro Kuruma, Afaq Habib Piracha외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 29.

Photonic Crystals and Applications참고 문헌 65인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 표준 전자빔 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 사용하여 두께가 얇고 단일 결정 다이아몬드 막대에서 통신 파장 영역의 고품질 2차원 광 결정(PhC) 공진기를 구현하였다. 제작된 공진기는 O-대역 및 S-대역(1360–1470 nm)에서 실험적으로 측정된 Q 인자가 최대 약 1,800에 이를 뿐만 아니라, 이론적 Q 인자가 약 8×10⁶이고 모드 부피가 약 2 (λ/n)³인 것으로 예측되어, 양자 광학 및 비선형 광학 응용 분야에서 칩 내 다이아몬드 나노광학에 있어 강한 빛-물질 결속을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통신 파장에서 고품질의 완전히 분리된 2차원 광 결정 공진기를 단일 결정 다이아몬드 막대에 스케일업 가능한 제조 방법을 개발하기 위해.
• Q 인자를 떨어뜨리는 구조적 결함이 최소화된 대면적, 얇고 균일한 다이아몬드 막대를 제조하는 데 도전 과제를 극복하기 위해.
• 강화된 빛-물질 상호작용을 위해 2D PhC 공진기에서 높은 이론적 Q 인자(~8×10⁶)와 작은 모드 부피(~2 (λ/n)³)를 달성하기 위해.
• O-대역 및 S-대역(1360–1470 nm)에서 실험적으로 측정 가능한 공진선을 확보하고 Q 인자를 최대 약 1,800까지 도달시키기 위해.

제안 방법

• He+ 이온 도핑, 마이크로파 플라즈마 화학 기상 에피태크시(화학 기상 증착, CVD) 성장 및 반응성 이온 에칭(RIE)을 이용한 약 300 nm 두께의 단일 결정 다이아몬드 막대 제조.
• 처리 및 취급 중 막대를 지지하기 위해 다결정 다이아몬드 틀 사용.
• 높은 Q 인자를 달성하기 위해 너비가 조절된 선결함 광 결정 공진기 설계 및 공기 구멍 이격(변위) 조절(SA=22 nm, SB=16.5 nm, SC=11 nm, SD=5.5 nm) 적용.
• 추가적인 언더컷 에칭이 필요 없이 표준 전자빔 리소그래피와 상향식 RIE를 활용하여 완전히 분리된 2D PhC 공진기 제조.
• 조정 가능한 레이저, 편광 필터 및 약 0.2 nm 해상도를 갖춘 광학 스펙트럼 분석기(OSA)를 사용한 공진 산란 스펙트로스코피를 통한 특성 분석.
• 유한 차분 시간 도메인(FDTD) 시뮬레이션을 활용해 전기장 분포를 모델링하고 공진 파장 및 Q 인자를 예측하였으며, SEM 영상에서 측정된 구조적 변형을 반영하여 보정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통신 파장에서 고Q, 소형 모드 부피를 갖는 2D 광 결정 공진기는 단일 결정 다이아몬드 막대에서 실현 가능한가?
• RQ2 복잡한 언더컷 에칭이나 이온 손상 없이도 대규모로 고품질의 2D PhC 공진기를 다이아몬드에서 제조할 수 있는 제조 방법은 무엇인가?
• RQ3 실험적으로 측정된 Q 인자(~1,800)가 이론적 예측(~8×10⁶)에 비해 크게 떨어지는 이유는 무엇인가?
• RQ4 공기 구멍 위치 및 반경의 변동, 표면 거칠기, 에칭 풍화 풍화 등 구조적 결함이 광학 손실에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 제작된 2D PhC 공진기는 통신 파장의 O-대역 및 S-대역(1360–1470 nm)에서 공진선을 나타내며, 실험적으로 측정된 Q 인자가 최대 약 1,800에 이른다.
• 300 nm 두께의 다이아몬드 막대에서 λ = 1.52 μm에서 기본 공진 모드에 대해 이론적 시뮬레이션으로 예측된 Q 인자는 약 8×10⁶이며, 모드 부피는 약 2.15 (λ/n)³이다.
• 측정된 공기 구멍 반경과 기판 두께를 고려한 FDTD 시뮬레이션 결과는 측정된 공진 파장과 우수한 일치를 보이며, 공진 모드 기원을 확인한다.
• 측정된 공기 구멍 위치의 변동(~5 nm 표준편차)과 반경의 변동(~2.5 nm 표준편차)을 시뮬레이션에 포함시키면 예측된 Q 인자는 약 8×10⁴로 감소하지만 여전히 실험 값보다 높아, 추가적인 손실 기작이 존재함을 시사한다.
• SEM 영상에서 관측된 표면 거칠기, 측벽 거칠기, 공기 구멍의 기울기, 오염 또는 에칭 풍화 풍화 등이 이론적 및 실험적 Q 인자 간의 격차의 주요 원인으로 규명되었다.
• 표준 전자빔 리소그래피와 RIE를 이용한 얇고 고품질의 단일 결정 다이아몬드 막대에서의 제조 방법은 양자 광학 및 비선형 광학을 위한 스케일업 가능한 칩 내 다이아몬드 나노광학 장치 통합을 가능하게 한다.