[论文解读] High-Q/V two-dimensional photonic crystals cavities in 3C-SiC

Ioannis Chatzopoulos, F. De Martini+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 46被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在3C-SiC中实现的高Q/V二维光子晶体腔（PhCC），通过优化孔洞位移和尺寸减小，实现了7,134的Q因子。该设计增强了Purcell因子，提高了零声子线（ZPL）发射的光子比例，从而提升了可扩展量子技术中单光子源的不可区分性和效率。

ABSTRACT

Solid state quantum emitters are between the most promising candidates for single photon generation in quantum technologies. However, they suffer from decoherence effects which limit their efficiency and indistinguishability. For instance, the radiation emitted in the zero phonon line (ZPL) of most color centers is on the order of a few percent (e.g. $NV^-$ centers in Diamond, $V_{Si}V_{C}$ in SiC) limiting the emission rate of single photons as well as the efficiency. At the same time, reliable interfacing with photons in an integrated manner still remains a challenge on both diamond and SiC technology. Here we develop photonic crystal cavities with Q factors in the order of 7,100 in 3C SiC. We discuss how this high confinement cavity can significantly enhance the fraction of photons emitted in the ZPL and improve their characteristics. In particular, the increased efficiency and improved indistinguishability can open the way to quantum technologies in the solid state.

研究动机与目标

• 开发在3C-SiC中具有高Q值、紧凑的光子晶体腔，以增强光与物质的相互作用。
• 克服SiC色心中ZPL发射比例低（例如，双空位中心约为7%）的问题，该问题限制了单光子源的亮度与不可区分性。
• 通过利用SiC的CMOS兼容制造工艺和优异的自旋相干性，实现可扩展的集成量子光子学。
• 通过优化Q/V比实现高Purcell因子，接近量子应用的强耦合 regime。

提出的方法

• 设计具有L3缺陷结构和孔洞工程（位移、减小直径）的3C-SiC二维光子晶体腔（PhCC），以提升Q/V比。
• 使用有限元时域（FDTD）仿真优化Q/V比，在仿真中实现约500,000 (n/λ)³的数值。
• 通过电子束光刻和感应耦合等离子体（ICP）刻蚀，在3C-SiC/Si衬底上制备器件。
• 利用显微光致发光光谱测量Q因子，以实验验证腔体性能。
• 应用Purcell因子公式 FP = (3/4π²)(λ₀/n)³(Q/V)ξ，估算自发辐射速率的增强。
• 通过判据 g > |κ - γ₀|/4 评估强耦合条件，其中g为耦合强度，κ为腔体线宽，γ₀为体材料发射体线宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 在3C-SiC中，二维光子晶体腔能否实现高Q/V比，以增强色心的ZPL发射？
• RQ2 Purcell因子可提升至多大程度，以改善单光子源的不可区分性与效率？
• RQ3 所制备的3C-SiC PhCC可实现的Q因子是多少，与理论预测相比如何？
• RQ4 该系统能否达到用于量子应用的强耦合 regime？需要哪些材料与制备工艺的改进？

主要发现

• 所制备的3C-SiC光子晶体腔实现了7,134的Q因子，证明了在可扩展平台中具有优异的光场限制能力。
• 仿真预测Q/V比可达约500,000 (n/λ)³，可实现高Purcell因子，从而增强光与物质的相互作用。
• 若Q因子进一步提升至约11,000，系统可进入强耦合 regime，此时Purcell因子可达707。
• 对于3C-SiC中的双空位中心，在理想条件下，可实现的不可区分性为 I = 0.6，β = 0.98。
• 当前不可区分性受限于3C-SiC中的退相位，即使Q因子更高，I值仍被限制在0.6。
• 结果表明，3C-SiC是一种可扩展平台，可在弱耦合与强耦合 regime 下均实现量子技术应用。