[论文解读] Highly efficient light extraction and directional emission from diamond color centers using planar Yagi-Uda antennas

Hossam Galal, Assegid M. Flatae+9 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 5被引用 6

一句话总结

该论文通过平面Yagi-Uda天线实现了金刚石膜中硅空位色心的高效发光提取与定向发射。通过将纳米结构天线与金刚石色心集成，作者显著提升了发射的定向性和提取效率，大幅改善了量子光子学应用中的光子收集性能。

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.

研究动机与目标

• 解决在量子光子学中金刚石色心发射特性（如亮度、方向性和偏振）控制受限的问题。
• 提升薄金刚石膜中硅空位中心的光提取效率，克服因全内反射和各向同性发射导致的限制。
• 实现并实验验证平面Yagi-Uda天线作为调控和增强色心发射的手段。
• 实现单光子源的可扩展、片上集成，具备可定制发射模式，用于量子信息处理。

提出的方法

• 使用电子束光刻和反应离子束蚀刻技术，在薄金刚石膜上设计并制造平面Yagi-Uda天线。
• 通过离子注入和退火工艺将硅空位（SiV）色心引入金刚石膜中。
• 采用偶极子驱动的天线结构，包含反射器和引向器元件，以实现定向辐射模式。
• 利用共聚焦显微镜和偏振分辨测量对光学特性进行表征，量化方向性和提取效率。
• 使用有限元差分时域（FDTD）方法模拟远场辐射图案和方向性，以指导设计并验证实验结果。
• 测量方向性因子和收集效率，以评估相对于裸金刚石膜的性能提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 平面Yagi-Uda天线能否有效集成于金刚石色心中，以增强光提取效率？
• RQ2 利用纳米结构天线，硅空位中心的发射方向性可在多大程度上实现控制？
• RQ3 天线设计如何影响发射光子的偏振和角分布？
• RQ4 与无结构金刚石膜相比，可实现的方向性和提取效率增益是多少？

主要发现

• 平面Yagi-Uda天线设计实现了约10.5 dB的方向性，显著增强了SiV中心的定向发射。
• 光提取效率相比裸金刚石膜提升了3.5倍，实测提取效率达到38%。
• 实现了偏振控制，由于天线几何结构，天线优先发射横磁（TM）模式。
• 远场辐射图案显示出强烈的光束整形，半高全宽（FWHM）约为30°，表明具有高方向性。
• 模拟与实验结果高度一致，验证了天线的性能和设计原理。