수직 방출 고효율 스핀‑광 인터페이스 설계

초록

본 논문은 다이폴 모델을 활용한 두 층의 퍼터베이션 구조를 통해 다이아몬드 마이크로디스크에서 수직으로 방출되는 스핀‑광 인터페이스의 수집 효율을 NA 0.7에서 96 %까지, 그리고 가우시안 모드와의 겹침을 95 %까지 달성한 설계를 제시한다. 또한, 제안된 다이폴 모델은 전통적인 FDTD 시뮬레이션보다 3.2 × 10⁶ 배 빠르게 계산이 가능하여 설계 최적화에 큰 장점을 제공한다.

상세 분석

이 연구는 색심(컬러 센터) 기반 고체‑상 양자 메모리의 핵심 과제인 ‘광자 방출 효율과 공간 모드 정합성’을 동시에 만족시키는 새로운 스핀‑광 인터페이스를 제안한다. 설계는 다이아몬드 마이크로디스크에 Sn V 색심을 삽입하고, 그 위에 실리콘 옥시나이트(Si₃N₄) 재질의 두 개의 육각형 격자 퍼터베이션 층을 적층함으로써 구현된다. 첫 번째 퍼터베이션 층은 마이크로디스크의 고품질 위상 모드(WGM)를 광축 주변으로 재분배하여 근거리장(NF)에서 원형 대칭을 강화한다. 두 번째 층은 중간거리장(IF)에서 발생한 라디얼 편광 성분을 다시 한 번 집속시켜, 원점 근처에 강한 전기장 집중을 만들고, 고수치 개구수(NA) 영역에서는 파괴적 간섭을 통해 측면 로브를 억제한다.

다이폴 모델은 각 퍼터베이션 구멍을 전기쌍극자(pₙ = αEₙ)로 근사하고, 복소수 파동벡터 k와 거리 Rₙ에 대한 전자기장 전파식을 1/(4πϵ₀)·