[论文解读] Review Article: Quantum Nanophotonics in Diamond

Tim Schröder, Sara Mouradian+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 192被引用 3

一句话总结

本综述总结了基于金刚石的量子纳米光子学的最新进展，重点介绍通过光子结构（如波导、固体浸没透镜和光学腔）实现增强光收集和强光-物质耦合的纳米制造技术。主要贡献包括确定性缺陷中心集成、高Q值纳米腔以及混合系统，推动可扩展、高保真度的量子网络发展，具备长自旋退相干时间和接近寿命限制的发射线宽。

ABSTRACT

The past decade has seen great advances in developing color centers in diamond for sensing, quantum information processing, and tests of quantum foundations. Increasingly, the success of these applications as well as fundamental investigations of light-matter interaction depend on improved control of optical interactions with color centers -- from better fluorescence collection to efficient and precise coupling with confined single optical modes. Wide ranging research efforts have been undertaken to address these demands through advanced nanofabrication of diamond. This review will cover recent advances in diamond nano- and microphotonic structures for efficient light collection, color center to nanocavity coupling, hybrid integration of diamond devices with other material systems, and the wide range of fabrication methods that have enabled these complex photonic diamond systems.

研究动机与目标

• 解决金刚石色心在量子应用中光子收集效率低和光-物质耦合弱的挑战。
• 通过开发确定性、可扩展的制造方法，克服缺陷随机生成的问题，实现高质量量子节点。
• 通过改进纳米光子金刚石结构中光学和自旋特性的控制，实现高保真度的量子信息处理与传感。
• 将金刚石光子器件与其它材料（例如超导探测器）集成，以提高探测效率和系统可扩展性。
• 推进混合及全金刚石光子架构的设计，用于量子网络中单光子的导引、相互作用与探测。

提出的方法

• 采用先进的纳米制造技术，包括聚焦离子束铣削、电子束光刻以及角度/各向同性蚀刻，对多晶和单晶金刚石进行图案化。
• 实施可转移的硅掩膜光刻与反应离子蚀刻，以实现高深宽比、高质量的金刚石纳米结构。
• 利用δ掺杂和离子注入技术，在金刚石生长过程中控制色心的空间与光谱位置。
• 通过薄膜和体材料金刚石制造光子腔（如回音壁模式和光子晶体腔），实现高Q值和小模场体积。
• 将金刚石器件与超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）集成于金刚石衬底上，实现在1550 nm波长下超过66%的探测效率。
• 应用确定性耦合技术，将缺陷偶极矩与光学模式对齐，实现高保真度、按需发射的单光子源。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化纳米制造技术，以实现缺陷诱导退相干最小化的高质量、高Q值金刚石光子结构？
• RQ2 哪些制造策略能够实现色心与纳米腔的确定性定位与耦合，以支持可扩展的量子网络？
• RQ3 与超导探测器和波导的混合集成在多大程度上可提升单光子探测效率和时间分辨率？
• RQ4 干法蚀刻引起的表面缺陷和晶格损伤在多大程度上降低自旋退相干和发射线宽？如何缓解这些问题？
• RQ5 通过调节缺陷跃迁频率与腔体共振频率，能否在不牺牲Q值或退相干特性的情况下实现共振耦合？

主要发现

• 在薄膜和体材料金刚石中已实现Q值超过10^5的高质量金刚石光子结构，支持强光-物质相互作用。
• 在金刚石衬底上集成的超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）在1550 nm波长下实现了66%的探测效率和190 ps的时间分辨率。
• 氮空位中心与光子腔的确定性耦合实现了接近寿命限制的发射线宽，尽管当前存在约30倍的退化因子，仍趋近于基本极限。
• 波导和固体浸没透镜结构将光子收集效率提高了最多10倍，显著增强了单光子源的亮度。
• 在多晶金刚石上实现的金刚石波导与氮化铌（NbN）SNSPDs的混合集成，实现了低暗计数率和高探测效率。
• 通过控制离子注入和δ掺杂，实现了色心在空间和光谱上的精确控制，显著降低了量子节点制造中的随机性。