[论文解读] Efficient Photonic Integration of Diamond Color Centers and Thin-Film Lithium Niobate

Daniel Riedel, Hope Lee+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2023

Advanced Fiber Laser TechnologiesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

该论文通过机械式拾取与放置方法，实现了含有硅空位（SiV）色心的钻石纳米梁与薄膜铌酸锂（TFLN）波导的高效异质集成。该集成在钻石与TFLN之间实现了平均92±11%的传输效率，相较于垂直方向收集，使光子进入TFLN波导的收集效率提高了10倍，从而实现了具有增强自旋-光子接口的可扩展光子量子电路。

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.

研究动机与目标

• 通过将钻石色心与功能化光子平台集成，实现可扩展的片上光子量子电路。
• 通过将钻石与薄膜铌酸锂（TFLN）结合，克服钻石在非线性光学和可扩展制造方面的局限性。
• 实现钻石纳米梁中SiV色心与TFLN波导之间高效、低损耗的光子集成，以应用于量子存储和光子电路。
• 展示一种机械组装的异质集成平台，可保持光学质量并实现高效的光传输。

提出的方法

• 采用机械式拾取与放置技术，将含有SiV色心的双锥形钻石纳米梁转移至TFLN波导平台。
• 该集成利用锥形波导结构实现绝热模式转换器，以实现钻石纳米梁与TFLN波导之间的高效模式匹配。
• 采用有限元时域（FDTD）模拟优化锥形长度并预测传输效率，实现10 µm锥形长度下约98%的效率。
• 使用COMSOL模拟建模混合波导模式分布，证实了界面处的绝热模式转换。
• 通过共聚焦和波导耦合收集方案进行光致发光（PL）测量，以比较信号收集效率。
• 采用功率依赖性和聚焦依赖性PL测量，评估发射体行为及三维空间中发射体的分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以实现钻石纳米梁中SiV色心与TFLN波导之间高效、低损耗的光子集成？
• RQ2 光从钻石经异质界面传输至TFLN的传输效率是多少？
• RQ3 与传统共聚焦收集相比，波导收集在光子收集效率和发射体分辨率方面表现如何？
• RQ4 背景荧光和散射在集成TFLN波导中对信号收集的影响有多大？
• RQ5 与标准共聚焦显微镜相比，使用TFLN波导收集是否能改善三维发射体定位？

主要发现

• 钻石纳米梁与TFLN波导之间的平均传输效率为92±11%，证明了高效的光传输。
• 与垂直方向共聚焦收集相比，TFLN波导中的光子计数提高了10倍，表明其具有更高的收集效率。
• 功率依赖性自相关测量显示，在所有功率水平下g²(0) > 0.5，证实存在少量发射体集合，而非单一发射体。
• 聚焦依赖性PL图显示，TFLN波导收集能捕获更多光谱跃迁，并比共聚焦收集更好地分辨发射体簇。
• C/CP配置（共聚焦激发，波导收集）检测到更多发射体，且背景更低、图像更清晰，优于C/C配置。
• 波导收集通道对背景荧光不敏感，表明在复杂系统中进行三维发射体定位具有优势。