Coupling of Light Into a Silicon-on-Silica Strip Waveguide

Den senaste teknologiska utvecklingen har gjort det möjligt att miniatyrisera optiska komponenter ner på ett fotoniskt integrerat kretskort. Sammankopplingen mellan olika komponenter möjliggörs av vågledare, i vilka informationsbäraren, en enskild foton, propagerar. En förutsättning för fungerande fotoniska chip är effektiv koppling av icke-klassiskt ljus in i kretsen. I detta arbete har denna kopplingseffektivitet från en fotonkälla, approximerad som en dipol, in i en vågledare simuleringats. Ett vanligt förekommande material med högt brytningsindex, kiselnitrat Si3N4, har använts som bandvågledare, placerad på ett underlag av kiseloxid SiO2 och med luft runtomkring. För att lösa Maxwells ekvationer i vågledarstrukturen har finita differensmetoden i tidsdomän (FDTD) använts i mjukvara från Lumerical. Det visas att för ljusspektrat med våglängder från 750 till 800 nm och en vågledare med tvärsnitt 600x250 nm, propagerar de fundamentala transversella elektriska (TE) och transversella magnetiska (TM) moderna. Kopplingseffektiviteten visas nå värden på 7 % i varje rikting när dipolen placeras ovanpå vågledaren. Om dipolen däremot placeras framför vågledaren nås en kopplingseffektivitet på över 50 %. Vidare visas det att 2D-fotonkällor som ligger i vågledarens plan, approximerade av dipoler i vågledarens plan, ger bättre resutlat än motsvarande ur dipolens plan. Dessa resultat presenterar sålunda bevis för att det är möjligt att nå avsevärt större koppling av ljus från kvantprickar av 2D-material än vad som åstadkommits experimentellt. Recent technological advances have made it possible to miniaturize and integrate optical components in quantum circuits. The connection between different components is enabled by waveguides, which support the propagation of the information carrier, a single-photon. A prerequisite for functioning quantum photonic chips is the efficient coupling of non-classical light into the circuit. In this work, this coupling efficiency from an on-chip single-photon source, approximated by a dipole, into a waveguide has been simulated. The high refractive index material silicon nitride Si3N4 has been used as a strip waveguide, placed on top of a silicon oxide SiO2 wafer with surrounding air. To solve Maxwell’s equations in the structures, the finite difference time-domain (FDTD) method has been used through software by Lumerical. It is shown that for the light spectrum with wavelengths 750 to 800 nm a waveguide with cross section dimensions 600x250 nm supports the fundamental transversal electric (TE) and transversal magnetic (TM) modes. The coupling efficiency is shown to reach 7 % in each direction when the dipole is placed on top of the waveguide. Having the dipole on in front of the waveguide, however, results in over 50 % coupling in the forward direction. Additionally, it is shown that in-plane 2D-material single-photon emitters, approximated by in-plane dipoles, give better results than out-of-plane dipoles for most of the tested configurations. In conclusion, these results present evidence for a substantially higher coupling efficiency from 2D-material quantum dots than have been achieved in experiments.