[论文解读] Photonic Bound State in the Continuum for Strong Light-matter Interaction

Chang‐Ling Zou, Jin‐Ming Cui+5 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2013

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种在高折射率钻石膜上的低折射率聚合物波导中实现的混合光子束缚态在连续谱中（BIC），通过相消干涉抑制光学损耗。该结构实现了超高品质因子微谐振器和亚波长模式限制，实现了光子与金刚石中氮空位中心之间的强耦合，纯化因子达828，耦合强度达242×2π MHz，为可扩展的量子光子学提供了宽工艺容差的平台。

ABSTRACT

The photonic bound state in the continuum (BIC) is discovered in a hybrid photonic circuit with low refractive index waveguide on a high refractive index thin membrane, where the optical dissipation is forbidden because of the destructive interference of different leakage channels. Based on the photonic BIC, the low mode area in a hybrid waveguide and high quality factor in a microresonator can be applied to enhance the light-matter interaction. Taking the fabrication-friendly polymer structure on diamond membrane as an example, those excellent optical performances can exist in a wide range of structure parameters with large fabrication tolerance and induce the strong coupling between photon and nitrogen-vacancy center in the diamond for scalable quantum information processors and networks. Such a fabrication-friendly structure with photonic BIC is also very promising in laser, nonlinear optical and quantum optical applications.

研究动机与目标

• 通过在高折射率衬底上实现低损耗、高限制的低折射率波导，克服高折射率对比度光子集成电路的局限性。
• 证明在无需破坏对称性或设计势阱的情况下，混合波导结构中存在束缚态在连续谱中（BIC）。
• 实现光子模式与金刚石中氮空位（N-V）中心之间的强光-物质相互作用，以支持可扩展的量子信息处理。
• 设计一种工艺友好、参数容差宽的平台，适用于量子光子学中的实验实现。
• 通过利用高Q/V比和小模式面积，将光子BIC的应用扩展至非线性光学、激光和量子传感。

提出的方法

• 采用低折射率聚合物（n = 1.49）与高折射率钻石膜（n = 2.41）构成的混合波导结构，通过多个辐射通道的相消干涉实现BIC形成。
• 利用光传播的薛定谔方程类比，将系统建模为具有有效折射率分布的1D势阱，用于横模分析。
• 在具有旋转对称性的微环谐振器中实现BIC，由于干涉效应抑制辐射损耗，获得超高品质因子。
• 使用公式 $ F = rac{3}{4 au^2} rac{Q}{V} rac{ au^3}{n^3} $ 计算纯化增强，其中模式体积 $ V $ 和Q因子由场分布推导得出。
• 通过计算耦合强度 $ G = eta imes ext{偶极矩阵元} imes ext{模式重叠} $，表明N-V中心的 $ G = 242 imes 2 au $ MHz。
• 通过模拟Q因子对半径 $ R $ 和环宽 $ w_r $ 的敏感性，分析工艺容差，结果表明在±50 nm参数变化范围内具有鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖对称性或设计势阱的条件下，在高折射率衬底上的低折射率波导中实现束缚态在连续谱中（BIC）？
• RQ2 基于BIC的混合微环谐振器可实现的Q因子和模式体积是多少？其如何实现强光-物质耦合？
• RQ3 BIC结构在波导宽度和环半径的制造变异下具有多大容忍度？
• RQ4 BIC平台能否以高效率增强金刚石中氮空位中心的零声子线发射，并有效抑制声子边带？
• RQ5 与传统高折射率对比度光子集成电路相比，该结构在工艺兼容性和光学性能方面表现如何？

主要发现

• 在钻石膜上的聚合物波导中可实验实现光子BIC，通过多个辐射通道的相消干涉实现光学损耗抑制。
• 该混合波导在637 nm波长下实现0.092 µm²的模式面积，获得2.74的纯化因子和73%的ZPL收集效率。
• 微环谐振器在激发BIC时可支持高达6.5×10⁷的Q因子，其Q/V比足够实现强耦合。
• 在高Q/V微谐振器中，氮空位中心的ZPL纯化因子达到828，显著增强自发辐射。
• N-V中心与光子模式之间的耦合强度达到242×2π MHz，超过N-V衰减速率（13×2π MHz），证实处于强耦合区域。
• 该系统具有高工艺容差，Q因子在波导宽度和环半径±50 nm变化范围内保持稳定，支持实际应用。