Abstract:
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.
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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. https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/6/064011
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.
Abstract (englisch):
The work demonstrated in this thesis is dedicated to the engineering, simulation, fabrica-tion and investigation of the essential element base to develop hybrid fully integrated nanophotonic circuit with coupled single photon emitter on chip. Combining several individually optimized stages of photonic devices, interconnected by nanoscale waveguides on chip with evanescently coupled single photon emitter, is a key step to the realization of such a scheme. The main requirements which should be satisfied for building such a hybrid system on-chip, and are thus the subject of this Thesis, are, namely: integration of single photon photostable source with high Quantum Yield (QY) on chip, efficient coupling of the emitted light to nanophotonic cir-cuits, and efficient filtering of the excitation light.
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Silicon nitride-on-insulator was used in all the projects described in this Thesis as the platform for the realization of photonic circuits. It provides low-loss broadband optical transparency covering the entire visible range up to the near infrared spectrum. Furthermore, sufficiently high refractive index contrast of Si3N4 on SiO2 enables tight confinement of the mode in the waveguide structure and the realization of photonic circuits with small footprint.
A drastic increase of the coupling efficiency of the emitted light into the waveguide mode can be achieved by placing single-photon emitter on photonic crystal cavity because of its high Quality factor and small mode volume enabling a high Purcell enhancement.
To this end, a novel cross-bar 1D freestanding photonic crystal (PhC) cavity was developed for evanescent integration of single photon emitter, in particular Nanodiamonds (NDs), onto the region of the cavity. The novelty of this photonic structure is that collection of emitted light is provided via waveguide, which consists of PhC, whereas direct optical excitation is obtained through a crossed waveguide in the orthogonal direction of the in-plane cavity.
Optimization of the PhC cavity architecture was performed via rounds of simulations and ver-ified by experimental measurements of fabricated devices on chip, which were found in excellent agreement.
The next round of simulations was performed to define an optimal position of the source in the cavity region to achieve maximum Purcell enhancement, which was realized via Local Density of States (LDOS) computation. Thus, placing a single photon emitter into a determined position on the cavity region of the developed cross-bar 1D freestanding PhC enables an increase in the transmission coupling efficiency into cavity up to 𝛽=71% in comparison with computed 41% in the case of coupling into waveguide mode of cross-bar structure without PhC.
To block the pump light and at the same time transmit the fluorescent emitted light, compact and low-loss cascaded Mach–Zehnder interferometers (MZIs) tunable filters in the visible region embedded within nanophotonic circuit, were realized. Tunability was provided via thermo-optic effect. The design of this device, namely geometry and shape of the microheater, was optimized via thermo-optic measurements, to achieve low electrical power consumption (switching power of 12.2 mW for the case of a spiral-shape microheater), high filtration depth and low optical insertion loss. The novel design with double microheaters on top of both arms of single and cascaded MZIs allows doubling the range of the shifting amplitude of the interference fringes. The demonstrated architecture of tunable filter is multifunctional, namely allowing transmission and filtering of the desired wavelengths in a wide wavelength range.
In particular, filtration depth beyond 36.5 dB of light with 532 nm wavelength and simultaneous transmission of light with 738 nm wavelength, which correspond respectively to excitation and emission wavelength of the silicon-vacancy color center in diamond, was demonstrated.
The results were published in Ovvyan, A. P.; Gruhler, N.; Ferrari, S.; Pernice, W. H. P. Cascaded Mach-Zehnder interferometer tunable filters. Journal of Optics 2016, 18, 064011. https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/6/064011
Another filter with non-repetitive stopband with bandwidth of several nanometers was developed in this thesis. A non-uniform Bragg grating filter with novel double Gaussian apodization was proposed, whose fabrication required a single lithography step. This optimized Bragg filter provides a 21 dB filtration depth with a 3-dB bandwidth of 5.6 nm, insuring negligible insertion loss in the best case, while averaged insertion loss in reflected signal is 4.1dB (including loss in splitter).
One of the first Hybrid organic molecule Dibenzoterrylene (DBT) coupled on chip to a nanophotonic circuit was demonstrated in this thesis. DBT is a photostable single photon source in the near infrared spectrum at room and at cryogenic temperature, with almost unitary quantum yield. In order to protect the molecule against oxidization DBT was embedded in a host matrix – thin Anthracene crystal (DBT:Ac), which increases photostability.
Mirror enhanced grating couplers were employed as convenient output ports for ridge Si3N4 waveguide to detect single photons emitted from integrated Dibenzoterrylene (DBT) molecules at room temperature. The coupling ports were designed for waveguide structures on transparent silica substrates for light extraction from the chip backside. These grating ports were employed to read out optical signal from waveguides designed for single-mode operation at λ=785 nm.
DBT molecule was coupled evanescently to the waveguide, and upon excitation of isolated single molecule, emitted single photon signal was carried inside the waveguide to the outcoupling regions. Using a Hanbury Brown and Twiss setup pronounced antibunching dip was read out from a single molecule via the grating couplers, which confirms the quantum nature of the outcoupled fluorescent light. Simulated and measured transmission coupling efficiency of sin-gle photon emission into the waveguide mode equals 𝛽=42%.
The results were published 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 and A. P. Ovvyan contributed equally to this work.
Engineered nanophotonic elements integrated in optical circuits with coupled single photon emitter on chip allow simultaneously to enhance the emitted light by coupling it into resonant PhC cavity modes, to spatially separate the excitation light from the enhanced single photon emission and to filter out pump light. Enhancement of the emission rate leads to a significant increase of the coupling efficiency into cavity. Beforehand performed simulations were an essential step in order to design, build and optimize the architecture of the nanophotonic devices. Local Density of States enhancement computation was especially necessary to pre-cisely determine optimized position of the source on PhC cavity region to obtain maximum enhancement of the emission rate. To evaluate transmission coupling efficiency of emitted light into the cavity (β-factor), an extra round of simulations was performed.
The integrated photonic elements investigated and optimized in this Thesis, will be further employed for the realization of hybrid photonic circuits with integrated single photon sources: silicon-vacancy, nitrogen-vacancy centers in diamond as well as single organic molecule and semiconducting single-walled carbon nanotubes.
