[论文解读] Waveguide-coupled single NV in diamond enabled by femtosecond laser writing

John P. Hadden, Vibhav Bharadwaj+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2017

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 5

一句话总结

本文展示了一种集成的钻石平台，结合了飞秒激光直写形成的三维波导与单个氮空位（NV）中心，并实现了微米级对准，实现了NV中心的确定性、波导耦合单光子发射。其主要贡献在于提供了一种可扩展的片上解决方案，用于在NV中心与光子电路之间进行单光子路由，推动了光学集成自旋基磁力计和量子网络的发展。

ABSTRACT

Diamond's nitrogen vacancy (NV) center is an optically active defect with long spin coherence times, showing potential for efficient nanoscale magnetometry and entanglement schemes. Recently, both the formation of buried 3D optical waveguides and high quality single NVs in diamond were demonstrated using femtosecond laser-writing. However, until now, combining these technologies has been an outstanding challenge. In this work, we fabricate laser-written photonic circuits in diamond aligned within micron resolution to single laser-written NVs, enabling an integrated platform providing deterministically positioned waveguide-coupled NVs. This fabrication technology opens the way towards on-chip optical routing of single photons between NVs and optically integrated spin-based magnetometry.

研究动机与目标

• 为解决在钻石中将单个NV中心与光子波导集成以实现高效单光子收集的挑战。
• 实现在飞秒激光直写波导上对NV中心的确定性定位，精度达微米级。
• 开发一种可扩展的制造平台，用于基于钻石缺陷的片上量子光子学与磁力计。
• 展示一个功能完整的集成系统，其中来自NV中心的单光子被高效耦合至波导，实现光学路由。

提出的方法

• 使用飞秒激光写入技术在钻石中制造具有高空间精度的埋藏式三维光学波导。
• 利用相同的飞秒激光技术在钻石中生成单个氮空位（NV）中心，确保缺陷形成的可控性。
• 通过精确控制激光参数和扫描工艺，实现波导与NV位置的微米级分辨率对准。
• 该集成系统可实现来自NV中心的单光子直接光学耦合至波导，促进片上光子路由。
• 该制造工艺具有可扩展性，并与现有的基于钻石的量子技术兼容。

实验结果

研究问题

• RQ1 飞秒激光写入技术是否可用于在钻石中同时制造高质量波导与单个NV中心，并实现精确的空间对准？
• RQ2 当NV中心与飞秒激光写入的波导耦合时，单光子发射的效率和稳定性如何？
• RQ3 波导与NV中心的集成是否能够实现确定性的片上单光子光学路由？
• RQ4 NV中心与波导之间的微米级对准对光子收集效率有何影响？
• RQ5 该平台在可扩展的集成量子传感和自旋基量子技术方面具有何种潜力？

主要发现

• 作者成功制备了具有飞秒激光直写三维波导和微米级精度对准的单个NV中心的钻石平台。
• 来自NV中心的单光子被高效耦合至波导，实现了量子光的片上光学路由。
• 波导与NV中心的集成在单一制造工艺中完成，确保了确定性定位和高空间保真度。
• 该平台为量子光子学和自旋基磁力计提供了可扩展的片上解决方案。
• 该技术为集成量子网络以及利用钻石缺陷实现增强的纳米尺度传感提供了可行路径。