CC BY
5а ь лазерная физика и волоконная оптика
-ПРОХОРОвСКИЕ НЕДЕЛИ-
Численное моделирование гибридной микроструктуры наноалмаз-фотонный кристалл на брэгговском отражателе
Живописцев А.А.1'2, Ромшин А.М.1
1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва 2- Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Москва
Е-mail: azh253@smail. comn
DOI: 10.24412/cl-35673-2023-1-18-20
В последние десятилетия наблюдается активное развитие оптических квантовых сетей в направлении обработки и передачи информации [1, 2]. В их основе лежат источники одиночных фотонов (ИОФ), удовлетворяющие требованиям высокой спектральной чистоты, яркости и направленности излучения. Среди прочих кандидатов на роль ИОФ алмазные центры окраски «кремний-вакансия» (SiV-центр) хорошо удовлетворяют этим критериям. Обладая узкой бесфононной линией (БФЛ), высокой спектральной и временной стабильностью, SiV-центры являются перспективными фотонными излучателями [3]. Существенно улучшить эмиссионные свойства можно путем размещения излучателей в микрорезонаторах с высокой добротностью Q и малым модовым объемом V. В таких структурах согласно эффекту Парселла скорость спонтанных
переходов эмиттера может быть повышена в Fp = у раз за
счет увеличения локальной плотности оптических состояний.
В настоящей работе были численно исследованы оптические свойства новой микроструктуры «наноалмаз в двумерном фотонном кристалле на брэгговском отражателе» (рис. 1а). Фотонный кристалл (ФК) представляет собой периодическую гексагональную решетку цилиндрических углублений в слое Ta2Ü5, находящуюся на поверхности брэгговского отражателя, который состоит из
чередующихся слоев Ta2Ös и SiÜ2 толщиной Пропущенные
углубления в центральной области на рис. 1а формируют микрорезонатор, куда помещается наноалмаз, модельно представленный шаром с диаметром 100 нм. В качестве эмиттера используется дипольный источник, имитирующий SiV-центр, а именно — излучающий на длине волны 738 нм со спектральной
ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ
МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
, -ПРОХОРОвСКИЕ НЕДЕЛИ-
24-26 октября 2023 г.
шириной ~6 нм. Расчет и оптимизация геометрии микроструктуры осуществлялась методом конечных разностей во временной области (FDTD) в программном пакете Lumerical.
На первом этапе исследований оптимизировались параметры углублений ФК с целью получения добротного резонанса на длине волны 738 нм. Для этого изменялся их период й и радиус г, толщина
слоя оксида тантала выбиралась равной ^ ~350 нм. Было обнаружено, что d = 285 нм и г = 100 нм соответствуют максимальной наблюдаемой добротности @~4000. Распределение электрического поля в микрорезонаторе для этих параметров показано на рис. 1(б-в), исходя из чего может быть расчитан модовый объем ~0,3 •
~ 107 нм3 и теоретически оценен фактор Парселла Fp (а) (б)
Air
-103
О О Q О О О О
f ') ( ) ( \ С '-J
') Г) С) (Т Г) С) О (" о odhon Г)
Рис. 1. Схематичное изображение исследуемой микроструктуры (а).
Распределение электрического поля в плоскости фотонного кристалла (б) и в оптической плоскости (в).
Белые пунктирные линии разграничивают разные материалы (Та205, ЙО2, воздух), красная пунктирная линия соответствует наноалмазу.
На следующем этапе исследовались эмиссионные характеристики дипольного источника в зависимости от его поляризации в сравнении с алмазной частицей на стеклянной подложке. Для этого нами было проанализировано распределение интенсивности в дальнем поле, сходящееся в апертуру объектива NA = 0,7 (рис. 2а). Максимальное усиление сигнала в ~32 раза достигается при параллельной микрорезонатору ориентации диполя. При этом распределение интенсивности дальнего поля
ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ
МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
L -ПРОХОРОвСКИЕ НЕДЕЛИ-
лазерная физика и волоконная оптика
сконцентрировано в узком телесном угле с величинои раствора проекции ~20°, что допускает использование низкоапертурных оптических элементов.
Наноалмаз на стекле Наноалмаз в ФК Рис. 2. Зависимость регистрируемой в дальнем поле интенсивности в числовую апертуру NA = 0,7 от ориентации дипольного источника в микрорезонаторе (а). (При 0° диполь расположен параллельно оси микрорезонатора, при 90° — перпендикулярно).
Распределение дальнего поля для наноалмаза на стекле (б) и в микроструктуре (в).
Результаты проведенных расчетов демонстрируют перспективность предлагаемой микроструктуры в исследованиях механизмов усиления фотолюминесценции однофотонных эмиттеров в алмазе. В дальнейшем планируется апробация приближения в экспериментах с одиночными центрами «кремний-вакансия» в НРНТ-наноалмазах размером 100 нм.
Работа поддержана грантом РНФ 22-19-00324.
1. Kimble H.J. Nature. 2008. 453. 1023-1030.
2. Lo H.-K., Curty M., Tamaki K. Nat. Photonics. 2014. 8. 595-604.
3. Vlasov I.I., Barnard A.S., Ralchenko V.G., et al. Advanced Materials. 2009. 21(7). 808-812.
