Nanophotonic circuits for single photon emitters
Creators: name: Ovvyan, Anna
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Photonic crystal cavity
Mach-Zehnder Interferometer (MZI)
Bragg grating
integrated photonic circuit
single photon source

description: Ziel dieser Arbeit war es grundlegende Elemente vollständig integrierter nanophotonischer Schaltkreise zu entwickeln, zu simulieren und herzustellen und Einzelphotonenquellen an diese zu koppeln. Ein solcher Aufbau wird ermöglicht durch individuell optimierte passive photonische Bauteile, verbunden durch Nanowellenleiter auf dem Chip und evaneszent gekoppelte Photonenquellen. Die Hauptanforderungen an diese Hybridsysteme aus passiver Photonik und aktiven Emittern sind die folgenden: effiziente Einkopplung des emittierten Lichts in den Wellenleiter, Herausfiltern des Pumplichts zur Anregung der Quelle und die Einbindung der photostabilen Einzelphotonenquelle auf dem Chip mit hoher Quantenausbeute.
Die verwendete Materialplattform in dieser Arbeit für die photonischen Schaltkreise war Siliziumnitrid, welche geringe Verluste und ein breites optisches Transmissionsspektrum vom sichtbaren Licht bis ins nahe Infrarot bietet. Der hohe Brechungsindexunterschied zwischen Siliziumnitrid und Siliziumdioxid ermöglicht zudem ein geringes Modenvolumen.
Durch Einbetten des Emitters in einen photonischen Kristall kann die Kopplungseffizienz auf Grund des hohen Qualitätsfaktors und dem kleinen Modenvolumen durch den Purcell-Effekt drastisch erhöht werden.
Daher wurden neuartige freistehende 1D photonische Kristallkavitäten (PhC Kavitäten) entwickelt, die eine Wellenleiterkreuzung beinhalten. Diese werden benutzt um Einzelphotonenquellen, wie insbesondere Nanodiamanten (NDs), evaneszent an die Kavität zu koppeln. Neu ist hierbei, dass das abgestrahlte Licht über den Wellenleiter, der die PhC Kavität enthält, eingesammelt wird, während der kreuzende Wellenleiter für die optische Anregung verwendet wird.
Die PhC Kavitäten wurden auf zwei Arten optimiert: durch mehrere Zyklen numerischer Simulationen der Geometire, sowie durch die experimentelle Evaluation der hergestellten Strukturen. Beide Vorgehensweisen zeigten eine gute Übereinstimmung, was sich in den Qualitätsfaktoren der Kavität zeigt.
Weitere Simulationen zielten darauf ab die optimale Position der Quelle innerhalb der Kavität zu finden, um eine größtmögliche Purcell-Verstärkung zu erreichen. Die wurde durch die Berechnung der lokalen Zustandsdichte (LDOS) realisiert. Durch die Platzierung eines Einzelphotonenemitters an der entsprechend optimierten Position konnte eine Verbesserung der Einkoppeleffizienz β erreicht werden. Diese beträgt 𝛽=71% im Vergleich zu einer Effizienz von 41% für den Fall, dass keine PhC Kavität in der Kreuzungsstruktur verwendet wird.
Um das Anregungssignal zu blockieren und gleichzeitig das abgestrahlte Fluoreszenzsignal zu transmittieren, wurden integrierte, durchstimmbare Filter für den sichtbaren Spektralbereich entwickelt, die auf hintereinandergeschalteten Mach-Zehnder Interferometern (MZIs) basieren. Die Regelung der Filter beruht hierbei auf dem thermo-optischen Effekt. Die Konstruktion, d.h. die Geometrie und Form der Bauteile wurde mithilfe von thermo-optischen Messungen optimiert, um einen geringen Energieverbrauch (12.2 mW Schaltleistung im Falle von spiralförmigen Mikroheizern), eine große Filtertiefe sowie geringe optische Verluste zu erreichen. Das neuartige Design mit doppelten Mikroheizern auf beiden Armen der MZIs (sowohl bei einzelnen MZIs, als auch bei hintereinandergeschalteten MZIs) ermöglicht eine Verdopplung der Verschiebung der Interferenzstreifen. Die vorgeführte Bauteilarchitektur ist multifunktional, da sie sowohl die Blockierung als auch die Transmission von gewünschten Wellenlängen in einem großen Spektralbereich ermöglicht. Insbesondere wurde eine Filtertiefe von 36.5 dB bei einer Wellenlänge von 532 nm erreicht bei gleichzeitiger Transmission von Licht bei einer Wellenlänge von 738 nm. Diese zwei Wellenlängen entsprechen der Anregungs- und der Emissionswellenlänge von Silizium-Fehlstellen-Farbzentren in Diamant.
Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Ovvyan, A. P.; Gruhler, N.; Ferrari, S.; Pernice, W. H. P. Cascaded Mach-Zehnder interferometer tunable filters. Journal of Optics 2016, 18, 064011.
Ein weiterer Filter mit sich nicht wiederholendem Stopband und einigen Nanometern Bandbreite wurde ebenfalls innerhalb dieser Arbeit realisiert. Dazu wurde ein nicht gleichförmiges Bragg-Gitter mit neuartiger doppelt Gaußscher Apodisation entwickelt, das in einem einzelnen Lithographieschritt hergestellt werden kann. Der so optimierte Bragg-Filter ermöglicht ein Unterdrückungsverhältnis von 21 dB und eine 3-dB Bandbreite von 5.6 nm bei vernachlässigbarer Einfügedämpfung.
Eines der ersten hybriden Systeme zur Kopplung organischer Dibenzoterrylene (DBT) Moleküle an nanophotonische Schaltkreise wurde in dieser Arbeit präsentiert. DBT ist eine lichtbeständige Einzelphotonenquelle im nahinfraroten Spektralbereich sowohl bei Raumtemperatur als auch bei extrem tiefen Temperaturen mit einer nahezu unitären Quantenausbeute. Um das Molekül vor Oxidation zu schützen, wurde DBT in eine Gastmatrix eingebettet, die aus einem dünnen Anthracen-Kristall besteht und wodurch die Lichtbeständigkeit verbessert wurde.
Es wurden Gitterkoppler, die um einen Spiegel ergänzt wurden, als Schnittstelle am Ende der Si3N4 Wellenleiter verwendet. Damit wurden einzelne Photonen detektiert, die bei Raumtemperatur vom DBT Molekül in die geführten Moden des Wellenleiters gekoppelt wurden. Die Schnittstellen wurden für Wellenleiterstrukturen auf einem transparenten Glassubstrat entwickelt, um Licht durch die Rückseite des Chips auszukoppeln. Die Gitterkoppler wurden verwendet, um das optische Signal der Monomoden-Wellenleiter bei einer Wellenlänge von λ=785 nm auszulesen. Die DBT Moleküle wurden evaneszent an die Wellenleiter gekoppelt, wodurch die einzelnen ausgesandten Photonen (bei optischer Anregung der Moleküle) zu den Gitterkopplern geführt wurden. Mithilfe eins Hanbury Brown und Twiss-Aufbaus wurde ein ausgeprägter Antibunching-Effekt gemessen, welches die Quantennatur des ausgekoppelten Fluoreszenzlichts bestätigt. Dies bestätigt die Quantennatur des abgestrahlten Fluoreszenzsignals. Sowohl die simulierte, als auch die gemessene Kopplungseffizienz der einzelnen Photonen in die Wellenleitermode betrug 𝛽=42%.
Die Resultate wurden veröffentlicht in P. Lombardi*, A. P. Ovvyan*, S. Pazzagli, G. Mazzamuto, G. Kewes, O. Neitzke, N. Gruhler, O. Benson, W. H. P. Pernice, F. S. Cataliotti, and C. Toninelli. Photostable Molecules on Chip: Integrated Sources of Nonclassical Light. ACS Photonics 2018, 5, 126−132, DOI: 10.1021/acsphotonics.7b00521.
* P. Lombardi und A. P. Ovvyan trugen in gleicher Weise zu dieser Arbeit bei.
Die entwickelten nanophotonischen Bauteile integriert in optische Schaltkreise gekoppelt mit Einzelphotonenemittern auf dem Chip erlauben es gleichzeitig sowohl das emittierte Licht durch Kopplung in die resonante PhC Mode zu verstärken, um das Anregungslicht räumlich von der Einzelphotonenemission zu trennen, als auch das Pumplicht herauszufiltern. Die Verstärkung der Emissionsrate führt zu einem signifikanten Anstieg der Kopplungseffizient in die Kavität. Vorher durchgeführte numerische Simulationen waren ein essentieller Schritt für das Designen, Herstellen und Optimieren der Architektur der nanophotonischen Bauteile. Besonders wichtig für die exakte Positionierung der Quelle in der Kavität waren Berechnungen der lokalen Zustandsdichte, um eine maximale Verstärkung der Emissionsrate zu erreichen. Zur Auswertung der Transmissions-Kopplungs-Effizienz des emittierten Lichts in die Kavität (β - Faktor) wurde ein zusätzlicher Simulationslauf durchgeführt. Die integrierten photonischen Elemente, die in dieser Arbeit untersucht und optimiert wurden, werden ferner zur Realisierung von hybriden photonischen Schaltkreisen mit integrierten Einzelphotonenquellen angewandt: SiV, NV-Zentren in Diamant sowie einzelne organische Moleküle und halbleitende einwandige Kohlenstoffnanoröhren.