Germanium vacancy (GeV) centers in diamonds constitute a promising platform for single-photon sources to be used in quantum information technologies. Emission from these color centers can be enhanced by utilizing a cavity that is resonant at the peak emission wavelength. We investigate circular plasmonic Bragg cavities for enhancing the emission from single GeV centers in nanodiamonds (NDs) at the zero phonon line. Following simulations of the enhancement for different configuration parameters, the appropriately designed Bragg cavities together with out-coupling gratings composed of hydrogen silsesquioxane ridges are fabricated around the NDs containing nitrogen vacancy centers deposited on a silica-coated silver surface. We characterize the fabricated configurations and finely tune the cavity parameters to match the GeV emission. Finally, we fabricate the cavity containing a single GeV-ND and compare the total decay-rate before and after cavity fabrication, finding a decay-rate enhancement of ∼5.5 and thereby experimentally confirming the feasibility of emission enhancement with circular plasmonic cavities.
REFERENCES
1.
J. L.
O’Brien
, Science
318
, 1567
(2007
).2.
J. L.
O’Brien
, A.
Furusawa
, and J.
Vuckovic
, Nat. Photonics
3
, 687
(2009
).3.
J.
Wang
, F.
Sciarrino
, A.
Laing
, and M. G.
Thompson
, Nat. Photonics
14
, 273
(2020
).4.
I.
Aharonovich
, D.
Englund
, and M.
Toth
, Nat. Photonics
10
, 631
(2016
).5.
J. D.
Caldwell
, I.
Aharonovich
, G.
Cassabois
, J. H.
Edgar
, B.
Gil
, and D. N.
Basov
, Nat. Rev. Mater.
4
, 552
(2019
).6.
X.
Cao
, M.
Zopf
, and F.
Ding
, J. Semicond.
40
, 071901
(2019
).7.
A. I.
Fernández-Domínguez
, S. I.
Bozhevolnyi
, and N. A.
Mortensen
, ACS Photonics
5
, 3447
(2018
).8.
C.
Bradac
, W.
Gao
, J.
Forneris
, et al., Nat. Commun.
10
, 5625
(2019
).9.
T.
Iwasaki
, F.
Ishibashi
, Y.
Miyamoto
, Y.
Doi
, S.
Kobayashi
, T.
Miyazaki
, K.
Tahara
, K. D.
Jahnke
, L. J.
Rogers
, B.
Naydenov
, F.
Jelezko
, S.
Yamasaki
, S.
Nagamachi
, T.
Inubushi
, N.
Mizuochi
, and M.
Hatano
, Sci. Rep.
5
, 12882
(2015
).10.
M. K.
Bhaskar
, D. D.
Sukachev
, A.
Sipahigil
, R. E.
Evans
, M. J.
Burek
, C. T.
Nguyen
, L. J.
Rogers
, P.
Siyushev
, M. H.
Metsch
, H.
Park
, F.
Jelezko
, M.
Lončar
, and M. D.
Lukin
, Phys. Rev. Lett.
118
, 223603
(2017
).11.
N. H.
Wan
, T.-J.
Lu
, K. C.
Chen
, M. P.
Walsh
, M. E.
Trusheim
, L.
De Santis
, E. A.
Bersin
, I. B.
Harris
, S. L.
Mouradian
, I. R.
Christen
, E. S.
Bielejec
, and D.
Englund
, Nature
583
, 226
(2020
).12.
S. I.
Bozhevolnyi
and J. B.
Khurgin
, Optica
3
, 1418
(2016
).13.
A.
Faraon
, P. E.
Barclay
, C.
Santori
, K.-M. C.
Fu
, and R. G.
Beausoleil
, Nat. Photonics
5
, 301
(2011
).14.
A.
Faraon
, C.
Santori
, Z.
Huang
, V. M.
Acosta
, and R. G.
Beausoleil
, Phys. Rev. Lett.
109
, 033604
(2012
).15.
R.
Høy Jensen
, E.
Janitz
, Y.
Fontana
, Y.
He
, O.
Gobron
, I. P.
Radko
, M.
Bhaskar
, R.
Evans
, C. D.
Rodríguez Rosenblueth
, L.
Childress
, A.
Huck
, and U.
Lund Andersen
, Phys. Rev. Appl.
13
, 064016
(2020
).16.
A. V.
Akimov
, A.
Mukherjee
, C. L.
Yu
, D. E.
Chang
, A. S.
Zibrov
, P. R.
Hemmer
, H.
Park
, and M. D.
Lukin
, Nature
450
, 402
(2007
).17.
R.
Kolesov
, B.
Grotz
, G.
Balasubramanian
, R. J.
Stöhr
, A. A. L.
Nicolet
, P. R.
Hemmer
, F.
Jelezko
, and J.
Wrachtrup
, Nat. Phys.
5
, 470
(2009
).18.
A.
Huck
, S.
Kumar
, A.
Shakoor
, and U. L.
Andersen
, Phys. Rev. Lett.
106
, 096801
(2011
).19.
S.
Kumar
, A.
Huck
, and U. L.
Andersen
, Nano Lett.
13
, 1221
(2013
).20.
S.
Kumar
, A.
Huck
, Y.
Chen
, and U. L.
Andersen
, Appl. Phys. Lett.
102
, 103106
(2013
).21.
E.
Bermúdez-Ureña
, C.
Gonzalez-Ballestero
, M.
Geiselmann
, R.
Marty
, I. P.
Radko
, T.
Holmgaard
, Y.
Alaverdyan
, E.
Moreno
, F. J.
Garcia-Vidal
, S. I.
Bozhevolnyi
, and R.
Quidant
, Nat. Commun.
6
, 7883
(2015
).22.
S. J. P.
Kress
, F. V.
Antolinez
, P.
Richner
, S. V.
Jayanti
, D. K.
Kim
, F.
Prins
, A.
Riedinger
, M. P. C.
Fischer
, S.
Meyer
, K. M.
McPeak
, D.
Poulikakos
, and D. J.
Norris
, Nano Lett.
15
, 6267
(2015
).23.
H.
Siampour
, S.
Kumar
, and S. I.
Bozhevolnyi
, ACS Photonics
4
, 1879
(2017
).24.
S.
Kumar
, V. A.
Davydov
, V. N.
Agafonov
, and S. I.
Bozhevolnyi
, Opt. Mater. Express
7
, 2586
(2017
).25.
H.
Siampour
, S.
Kumar
, V. A.
Davydov
, L. F.
Kulikova
, V. N.
Agafonov
, and S. I.
Bozhevolnyi
, Light: Sci. Appl.
7
, 61
(2018
).26.
S.
Kumar
, S. K. H.
Andersen
, and S. I.
Bozhevolnyi
, ACS Photonics
6
, 23
(2019
).27.
S.
Kumar
and S. I.
Bozhevolnyi
, ACS Photonics
6
, 1587
(2019
).28.
C.
Schörner
, S.
Adhikari
, and M.
Lippitz
, Nano Lett.
19
, 3238
(2019
).29.
S.
Kumar
, T.
Leißner
, S.
Boroviks
, S. K. H.
Andersen
, J.
Fiutowski
, H.-G.
Rubahn
, N. A.
Mortensen
, and S. I.
Bozhevolnyi
, ACS Photonics
7
, 2211
(2020
).30.
A.
Kinkhabwala
, Z.
Yu
, S.
Fan
, Y.
Avlasevich
, K.
Müllen
, and W. E.
Moerner
, Nat. Photonics
3
, 654
(2009
).31.
S.
Schietinger
, M.
Barth
, T.
Aichele
, and O.
Benson
, Nano Lett.
9
, 1694
(2009
).32.
T. B.
Hoang
, G. M.
Akselrod
, and M. H.
Mikkelsen
, Nano Lett.
16
, 270
(2016
).33.
S. K. H.
Andersen
, S.
Kumar
, and S. I.
Bozhevolnyi
, Nano Lett.
17
, 3889
(2017
).34.
S. I.
Bogdanov
, M. Y.
Shalaginov
, A. S.
Lagutchev
, C.-C.
Chiang
, D.
Shah
, A. S.
Baburin
, I. A.
Ryzhikov
, I. A.
Rodionov
, A. V.
Kildishev
, A.
Boltasseva
, and V. M.
Shalaev
, Nano Lett.
18
, 4837
(2018
).35.
S. I.
Bogdanov
, O. A.
Makarova
, X.
Xu
, Z. O.
Martin
, A. S.
Lagutchev
, M.
Olinde
, D.
Shah
, S. N.
Chowdhury
, A. R.
Gabidullin
, I. A.
Ryzhikov
, I. A.
Rodionov
, A. V.
Kildishev
, S. I.
Bozhevolnyi
, A.
Boltasseva
, V. M.
Shalaev
, and J. B.
Khurgin
, Optica
7
, 463
(2020
).36.
Y.
Kan
, S. K. H.
Andersen
, F.
Ding
, S.
Kumar
, C.
Zhao
, and S. I.
Bozhevolnyi
, Adv. Mater.
32
, 1907832
(2020
).37.
N. P.
de Leon
, B. J.
Shields
, C. L.
Yu
, D. E.
Englund
, A. V.
Akimov
, M. D.
Lukin
, and H.
Park
, Phys. Rev. Lett.
108
, 226803
(2012
).38.
H.
Siampour
, S.
Kumar
, and S. I.
Bozhevolnyi
, Nanoscale
9
, 17902
(2017
).39.
40.
W. S. M.
Werner
, K.
Glantschnig
, and C.
Ambrosch-Draxl
, J. Phys. Chem. Ref. Data
38
, 1013
(2009
).41.
V. A.
Davydov
, A. V.
Rakhmanina
, S. G.
Lyapin
, I. D.
Ilichev
, K. N.
Boldyrev
, A. A.
Shiryaev
, and V. N.
Agafonov
, JETP Lett.
99
, 585
(2014
).© 2021 Author(s).
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.
