[论文解读] Optical superradiance of a pair of color centers in an integrated silicon-carbide-on-insulator microresonator

Daniil M. Lukin, Melissa A. Guidry+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 6

一句话总结

本文展示了在CMOS兼容的4H-碳化硅/氧化物（SiCOI）平台上，通过微盘谐振腔耦合的硅空位（V_Si）色心实现的光学超辐射。通过在无需反演对称性的可扩展纳米光子学结构中集成光学相干缺陷，作者实现了高达0.8的单发射体合作度，并观测到双光子超辐射发射，从而实现了可扩展量子光子学中确定性的光子-发射体相互作用。

ABSTRACT

An outstanding challenge for color center-based quantum information processing technologies is the integration of optically-coherent emitters into scalable thin-film photonics. Here, we report on the integration of near-transform-limited silicon vacancy (V$_{ ext{Si}}$) defects into microdisk resonators fabricated in a CMOS-compatible 4H-Silicon Carbide-on-Insulator platform. We demonstrate a single-emitter cooperativity of up to 0.8 as well as optical superradiance from a pair of color centers coupled to the same cavity mode. We investigate the effect of multimode interference on the photon scattering dynamics from this multi-emitter cavity quantum electrodynamics system. These results are crucial for the development of quantum networks in silicon carbide and bridge the classical-quantum photonics gap by uniting optically-coherent spin defects with wafer-scalable, state-of-the-art photonics.

研究动机与目标

• 将光学相干、无反演对称性的色心集成到可扩展、CMOS兼容的光子平台中。
• 克服长期以来认为反演对称性是纳米光子结构中光学相干性的必要条件的假设。
• 在基于碳化硅的微盘谐振腔中演示腔量子电动力学效应，如超辐射和偶极诱导透明性。
• 通过将固态自旋缺陷与高质量光子电路结合，实现可扩展的芯片级量子网络。
• 验证V_Si缺陷在具有大偶极矩且缺乏反演对称性的前提下，与薄膜碳化硅光子学的兼容性。

提出的方法

• 采用CMOS兼容工艺在4H-SiC/绝缘体（SiCOI）平台上制造微盘谐振腔。
• 利用电子束光刻和反应离子束蚀刻技术，制备出Q值约为1.3×10⁵的高品质驻波模（WGM）谐振腔。
• 通过离子注入和退火工艺将硅空位（V_Si）色心集成到谐振腔中，实现光谱稳定性。
• 采用扫描光致发光激发（PLE）光谱测量，映射发射体-谐振腔耦合关系并提取谐振腔参数。
• 利用时间分辨光致发光和干涉测量技术，探测超辐射发射以及两个发射体之间的相位相干性。
• 应用包含腔体失谐、发射体相对相位（φ）和自旋-1/2布居数的数值模型，拟合实验数据并推断相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 缺乏反演对称性的光学相干色心能否成功集成到薄膜、CMOS兼容的光子电路中？
• RQ2 在碳化硅微盘谐振腔中，单发射体合作度的最大值是多少？该值是否能够实现量子电动力学效应？
• RQ3 单个谐振腔中的两个色心能否表现出超辐射发射？其相干光子发射的条件是什么？
• RQ4 多模干涉如何影响多发射体腔量子电动力学系统中的光子散射动力学？
• RQ5 尽管具有较大的偶极矩且缺乏反演对称性，V_Si缺陷是否仍能保持光谱稳定性和光学相干性？

主要发现

• 作者在碳化硅微盘谐振腔中实现了高达0.8的单发射体合作度，成功观测到偶极诱导透明性。
• 从单个V_Si缺陷向零声子线的光子探测率最高达0.4 MHz，受限于亚稳态中的布居数屏蔽。
• 实验上证实了两个V_Si色心的超辐射发射，其特征衰减时间为1.5 ns，与集体发射一致。
• 两个发射体之间的相对相位被推断为φ ≈ 0.34π mod π 和 φ ≈ 0.28π mod π，表明其与腔模存在相干耦合。
• 观测到约1 GHz/天的光谱漂移，归因于谐振腔上不对称冰沉积引起的应变，该因素也导致相位漂移。
• 结果挑战了长期以来认为反演对称性是纳米光子结构中光学相干性必要条件的信念，为在碳化硅中集成多样化色心开辟了新途径。