論文の概要: Nanocavity-mediated Purcell enhancement of Er in TiO$_2$ thin films grown via atomic layer deposition

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2309.13490v1
• Date: Sat, 23 Sep 2023 22:41:56 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-09-26 19:22:50.215526
• Title: Nanocavity-mediated Purcell enhancement of Er in TiO$_2$ thin films grown via atomic layer deposition
• Title（参考訳）: 原子層堆積法により成長したTiO$_2$薄膜中のErのナノキャビティによるパーセル増強
• Authors: Cheng Ji, Michael T. Solomon, Gregory D. Grant, Koichi Tanaka, Muchuan Hua, Jianguo Wen, Sagar K. Seth, Connor P. Horn, Ignas Masiulionis, Manish K. Singh, Sean E. Sullivan, F. Joseph Heremans, David D. Awschalom, Supratik Guha, and Alan M. Dibos
• Abstract要約: 3価エルビウム(Er$3+$)は固体の原子欠陥として埋め込まれており、量子通信のためのスピンベースの量子メモリとして期待されている。 シリコン基板上へのErドープ二酸化チタン薄膜成長について, 鋳造性原子層堆積法を用いて検討した。 本研究は,Erドープ材料とシリコンフォトニクスを一体化するための低温・非破壊・基板非依存プロセスを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.9822586588159397
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: The use of trivalent erbium (Er$^{3+}$), typically embedded as an atomic defect in the solid-state, has widespread adoption as a dopant in telecommunications devices and shows promise as a spin-based quantum memory for quantum communication. In particular, its natural telecom C-band optical transition and spin-photon interface makes it an ideal candidate for integration into existing optical fiber networks without the need for quantum frequency conversion. However, successful scaling requires a host material with few intrinsic nuclear spins, compatibility with semiconductor foundry processes, and straightforward integration with silicon photonics. Here, we present Er-doped titanium dioxide (TiO$_2$) thin film growth on silicon substrates using a foundry-scalable atomic layer deposition process with a wide range of doping control over the Er concentration. Even though the as-grown films are amorphous, after oxygen annealing they exhibit relatively large crystalline grains, and the embedded Er ions exhibit the characteristic optical emission spectrum from anatase TiO$_2$. Critically, this growth and annealing process maintains the low surface roughness required for nanophotonic integration. Finally, we interface Er ensembles with high quality factor Si nanophotonic cavities via evanescent coupling and demonstrate a large Purcell enhancement (300) of their optical lifetime. Our findings demonstrate a low-temperature, non-destructive, and substrate-independent process for integrating Er-doped materials with silicon photonics. At high doping densities this platform can enable integrated photonic components such as on-chip amplifiers and lasers, while dilute concentrations can realize single ion quantum memories.
• Abstract（参考訳）: 三価エルビウム(Er$^{3+}$)の使用は、一般に固体の原子欠陥として埋め込まれ、電気通信デバイスにおいてドーパントとして広く採用されており、量子通信のためのスピンベースの量子メモリとして期待されている。 特に、自然な通信用cバンド光遷移とスピン光子インタフェースは、量子周波数変換を必要とせずに既存の光ファイバネットワークへの統合の理想的な候補となる。 しかし、スケーリングの成功には、固有の核スピンが少ないホスト材料、半導体鋳造プロセスとの互換性、シリコンフォトニクスとの直接的な統合が必要である。 本稿では,Er添加二酸化チタン(TiO$_2$)薄膜の成長過程について,Er濃度のドーピング制御を広範囲に行う鋳造性原子層堆積法を用いて述べる。 as成長膜はアモルファスであるが、酸素アニール後は比較的大きな結晶粒を示し、埋め込まれたerイオンはアナターゼtio$_2$から特徴的な発光スペクトルを示す。 この成長およびアニール過程は、ナノフォトニック集積に必要な低表面粗さを維持する。 最後に、エバネッセントカップリングにより高品質なsiナノフォトニックキャビティを有するerアンサンブルをインターフェースさせ、その光寿命の大幅なパーセル増強(300)を示す。 本研究は,erドープ材料とシリコンフォトニクスを統合するための低温・非破壊・基板非依存プロセスを示す。 高ドーピング密度では、このプラットフォームはオンチップ増幅器やレーザーのような統合フォトニックコンポーネントを可能にし、希薄濃度は単一のイオン量子メモリを実現できる。

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