論文の概要: Purcell enhancement of silicon W centers in circular Bragg grating cavities

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2310.18121v1
• Date: Fri, 27 Oct 2023 13:09:27 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-10-30 13:44:04.177426
• Title: Purcell enhancement of silicon W centers in circular Bragg grating cavities
• Title（参考訳）: 円形ブラッグ格子キャビティにおけるシリコンw中心のパーセル増強
• Authors: Baptiste Lefaucher (1), Jean-Baptiste Jager (1), Vincent Calvo (1), F\'elix Cache (2), Alrik Durand (2), Vincent Jacques (2), Isabelle Robert-Philip (2), Guillaume Cassabois (2), Yoann Baron (3), Fr\'ed\'eric Mazen (3), S\'ebastien Kerdil\`es (3), Shay Reboh (3), Ana\"is Dr\'eau (2) and Jean-Michel G\'erard (1)
• Abstract要約: 本研究では,シリコンオン絶縁体マイクロ共振器に埋め込まれた人工原子のアンサンブルを用いた空洞量子力学実験を行った。 時間分解フォトルミネッセンス実験において,ゼロフォノン線強度の20倍の増大と,全緩和時間の2倍の減少を観察した。 バルクシリコンのエミッタに対する量子効率は65 pm 10 %と仮定して, 実験結果と良好な一致を得た。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Generating single photons on demand in silicon is a challenge to the scalability of silicon-on-insulator integrated quantum photonic chips. While several defects acting as artificial atoms have recently demonstrated an ability to generate antibunched single photons, practical applications require tailoring of their emission through quantum cavity effects. In this work, we perform cavity quantum electrodynamics experiments with ensembles of artificial atoms embedded in silicon-on-insulator microresonators. The emitters under study, known as W color centers, are silicon tri-interstitial defects created upon self-ion implantation and thermal annealing. The resonators consist of circular Bragg grating cavities, designed for moderate Purcell enhancement ($F_p=12.5$) and efficient luminescence extraction ($\eta_{coll}=40\%$ for a numerical aperture of 0.26) for W centers located at the mode antinode. When the resonant frequency mode of the cavity is tuned with the zero-phonon transition of the emitters at 1218 nm, we observe a 20-fold enhancement of the zero-phonon line intensity, together with a two-fold decrease of the total relaxation time in time-resolved photoluminescence experiments. Based on finite-difference time-domain simulations, we propose a detailed theoretical analysis of Purcell enhancement for an ensemble of W centers, considering the overlap between the emitters and the resonant cavity mode. We obtain a good agreement with our experimental results assuming a quantum efficiency of $65 \pm 10 \%$ for the emitters in bulk silicon. Therefore, W centers open promising perspectives for the development of on-demand sources of single photons, harnessing cavity quantum electrodynamics in silicon photonic chips.
• Abstract（参考訳）: シリコンの需要に応じて単一光子を生成することは、シリコンオン絶縁体統合量子フォトニックチップのスケーラビリティへの挑戦である。 人工原子として作用するいくつかの欠陥は、最近反束された単一光子を生成する能力を示しているが、実用的な応用には量子空洞効果による放出の調整が必要である。 本研究では,シリコンオン絶縁体マイクロ共振器に埋め込まれた人工原子のアンサンブルを用いた空洞量子力学実験を行った。 w色中心として知られる研究中のエミッターは、自己イオン注入と熱焼鈍によって生じるシリコン三層間欠陥である。 共振器は、モード反極に位置するW中心のパーセル増強(F_p=12.5$)と効率的な発光抽出(0.26の数値開口に対して40\%$)のために設計された円形ブラッグ格子キャビティからなる。 共振器の共振周波数モードが1218nmのエミッタのゼロフォノン遷移で調整されると、ゼロフォノン線の強度が20倍に向上し、時間分解フォトルミネッセンス実験で全緩和時間の2倍の減少が観測される。 有限差分時間領域シミュレーションに基づき、エミッタと共振キャビティモードの重なりを考慮したw中心アンサンブルにおけるパーセル強化の詳細な理論的解析を提案する。 バルクシリコンのエミッタに対して, 量子効率が65 \pm 10 \%$と仮定して, 実験結果と良好な一致を得た。 したがってwは、シリコンフォトニックチップのキャビティ量子電磁力学を利用した単一光子のオンデマンド源の開発に有望な視点を抱いている。

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