[논문 리뷰] Highly efficient light extraction and directional emission from diamond color centers using planar Yagi-Uda antennas

Hossam Galal, Assegid M. Flatae외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 08.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 평판형 양키-우다 안테나를 사용하여 다이아몬드 막대에 있는 실리콘-빈약 색 중심에서 매우 효율적인 빛 추출과 방향성 발광을 구현한다. 나노구조 안테나를 다이아몬드 색 중심과 통합함으로써 저자들은 방향성과 추출 효율성을 향상시켜 양자 광학 응용 분야에서 광자 수확을 크게 향상시켰다.

ABSTRACT

Color centers in diamond represent a promising platform for developing solid-state single-photon sources and spin-photon interfaces as building blocks for photonics-based quantum technologies. However, although they exhibit a combination of features that make them so attractive, they also suffer from limited control in their emission properties, such as brightness, directionality, and polarization to cite a few. In this paper we present implementations and the experimental investigation of planar Yagi-Uda antennas in diamond, demonstrating highly efficient light extraction and directional emission from silicon-vacancy color centers created in thin diamond membranes.

연구 동기 및 목표

• 양자 광학에서 다이아몬드 색 중심의 방출 특성—예를 들어 밝기, 방향성, 편광—에 대한 제한된 제어 문제를 해결하기 위해.
• 일반적으로 전반내반사와 등방성 방출으로 인해 억제되는 얇은 다이아몬드 막대 내 실리콘-빈약 중심에서의 빛 추출 효율을 향상시키기 위해.
• 평판형 양키-우다 안테나를 구현하고 실험적으로 검증하여 색 중심에서의 방출을 유도하고 향상시키기 위해.
• 양자 정보 처리를 위한 맞춤형 방출 패턴을 가진 단일 광자 소스의 스케일러블이고 칩 기반 통합을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 전자선 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 사용하여 얇은 다이아몬드 막대에 평판형 양키-우다 안테나를 설계 및 제작한다.
• 이온 주입과 안일링을 통해 실리콘-빈약(SiV) 색 중심을 다이아몬드 막대에 통합한다.
• 반사판과 도우링 요소를 갖춘 드라이브된 디폴 전자기기 구성을 사용하여 방향성 복사 패턴을 달성한다.
• 공역 현미경 및 편광 분해 측정을 이용한 광학적 특성 분석을 통해 방향성과 추출 효율을 정량화한다.
• 유한차분시간영역(FDTD) 방법을 사용하여 장거리 복사 패턴과 방향성을 시뮬레이션하여 설계를 안내하고 실험 결과를 검증한다.
• 직접성 계수와 수확 효율을 측정하여 거칠은 다이아몬드 막대에 비해 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평판형 양키-우다 안테나는 다이아몬드 색 중심과 효과적으로 통합되어 빛 추출 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 나노구조 안테나를 사용하여 실리콘-빈약 중심의 방출 방향성은 어느 정도 제어할 수 있는가?
• RQ3 안테나 설계는 방출 광자의 편광과 각도 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 구조가 없는 다이아몬드 막대에 비해 달성 가능한 방향성과 추출 효율 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 평판형 양키-우다 안테나 설계는 약 10.5 dB의 방향성을 달성하여 SiV 중심으로부터의 방향성 발광을 크게 향상시켰다.
• 빛 추출 효율은 거칠은 다이아몬드 막대에 비해 3.5배 향상되었으며, 측정된 추출 효율은 38%였다.
• 편광 제어가 성공적으로 구현되었으며, 안테나 형상으로 인해 전단지향(TM) 모드로 선호적으로 방출되는 것으로 나타났다.
• 장거리 복사 패턴은 강력한 빔 형상 조절을 보였으며, 반강도 폭(FWHM)이 약 30°로 높은 방향성을 나타내었다.
• 시뮬레이션과 실험 결과가 양호하게 일치하여 안테나의 성능과 설계 원리를 검증하였다.