[论文解读] Design of an ultrahigh Quality factor silicon nitride photonic crystal nanocavity for coupling to diamond nanocrystals

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

Photonic Crystals and Applications参考文献 44被引用 12

一句话总结

该论文设计了一种氮化硅光子晶体纳米腔，在637 nm波长下实现了Q因子为2.3×10⁵、模式体积为0.55(λ/n)³，可实现与含有氮空位（NV）中心的金刚石纳米晶体的强耦合。仿真结果表明，对于实际尺寸为20 nm的金刚石纳米晶体嵌入腔体中，Q > 2×10⁵是可实现的，当腔长为95 nm时，单原子合作度Cₑ = 90，表明可实现强耦合区工作。

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.

研究动机与目标

• 设计一种在氮化硅中具有超高品质因子和小模式体积的光子晶体纳米腔，以实现与金刚石纳米晶体的高效耦合。
• 评估将20 nm金刚石纳米晶体嵌入或定位在腔体中对腔体Q因子和模式体积的影响。
• 确定在实际腔体尺寸和纳米晶体位置下，金刚石纳米晶体中氮空位（NV）中心与腔模实现强耦合的可行性。
• 评估受激辐射增强因子（Purcell增强）和光子收集效率，以评估其在潜在量子光子学应用中的前景。
• 实现与脊波导的片上集成，以实现高效光子出射耦合。

提出的方法

• 在折射率n = 2.0的氮化硅脊波导中设计光子晶体纳米腔。
• 使用有限元时域（FDTD）仿真计算不同腔体几何结构下的Q因子和模式体积。
• 将直径为20 nm的金刚石纳米晶体建模为点偶极子源，其偶极矩方向与腔场最大值对齐。
• 引入Purcell因子和合作度度量：Fₚ = 3Qη²(λ/n)³/(4π²V) 和 C = g²/(κγ)，其中g为真空拉比频率。
• 仿真纳米晶体放置导致的腔Q因子退化，包括嵌入腔中心和位于腔体上方两种情况。
• 分析腔体退化率（κ = ω/(2Q)）和自发辐射率（γ = 2π/20 ns），以确定强耦合区条件（g > κ, γ）。

实验结果

研究问题

• RQ1 氮化硅光子晶体纳米腔是否可在637 nm波长下实现Q > 2×10⁵且模式体积 < 0.6(λ/n)³？
• RQ2 将20 nm金刚石纳米晶体嵌入后，对腔体Q因子和模式体积有何影响？
• RQ3 在实际腔体尺寸和纳米晶体位置下，能否实现氮空位中心与腔模之间的强耦合？
• RQ4 将金刚石纳米晶体置于腔体上方与嵌入腔体中时，最大Purcell增强因子分别是多少？
• RQ5 该腔体能否在可见光波段实现高合作度（C > 1）以增强单光子发射？

主要发现

• 所设计的纳米腔在637 nm波长下实现了Q因子为2.3×10⁵、模式体积为0.55(λ/n)³，满足高Q/V标准。
• 将20 nm金刚石纳米晶体嵌入腔体中心可略微提高Q因子并减小模式体积，Q因子仅下降约10%。
• 当腔长为95 nm时，若纳米晶体被嵌入，单原子合作度达到Cₑ = 90，表明可实现强耦合区工作。
• 在最佳偶极矩对齐条件下，嵌入纳米晶体的Purcell因子可达Fₚ = 27,000，而位于腔体上方的纳米晶体仅为1,800。
• 对于腔长90–100 nm的腔体，嵌入纳米晶体时满足强耦合条件（g > κ, γ），此时gₑ/2π ≈ 1.5 GHz。
• 该腔体支持高Q因子，且与片上波导集成兼容，可实现高效光子出射耦合，适用于量子应用。