Coupling of a single nitrogen-vacancy center in diamond to a fiber-based microcavity

Abstract

This work describes the coupling of a single nitrogen-vacancy (NV) center in diamond to a fiber-based Fabry-Perot cavity. To realize the cavities, concave imprints on fiber facets are produced by laser machining or focused ion beam milling and subsequently coated with a highly reflective mirror-stack. Nanodiamonds containing single NV centers are incorporated into cavities, that consist either of one plane mirror and one fiber mirror or of two fiber mirrors. Characterizing both the emission into free-space and the cavity-coupled emission of the very same NV center allows to demonstrate a cavity-enhanced emission: 2-4% of the total emission of the NV center is directed into the cavity mode with a linewidth of approximately 10 GHz. We thereby have realized a tunable narrow-band single photon source. Starting from a master equation approach a rate equation model is deduced that provides insights into the underlying physical processes: the emitter-cavity coupling leads to phonon induced off-resonant channeling of the emission into the narrow cavity mode. The measurements of the cavity emission rate at different wavelengths are well reproduced by this model. The results of this work are promising for future applications in quantum information science such as realization of a source of indistinguishable photons, cavity enhanced spin read-out of the NV center and realization of a spin-photon interface for use in quantum networks.

Diese Arbeit beschreibt die Ankopplung eines einzelnen Stickstoff-Fehlstellen (NV) Zentrums in Diamant an einen faserbasierten Fabry-Perot Mikro-Resonator. Für deren Realisierung werden konkave Strukturen auf Faser-Facetten durch Lasermaterialbearbeitung oder fokussierte Ionenstrahl-Abtragung hergestellt und anschließend hochreflektiv beschichtet. Nanodiamanten, welche einzelne NVs enthalten, werden in den Resonator eingebracht, welcher entweder aus einem Planspiegel und einem Faserspiegel oder zwei Faserspiegeln besteht. Durch Charakterisierung der Abstrahlung in den freien Raum und der Resonator-gekoppelten Emission des gleichen NV Zentrums kann eine überhöhte Abstrahlung in den Resonator nachgewiesen werden: 2-4% der gesamten Emission des NV Zentrums erfolgt in die schmale Resonanz mit einer Breite von circa 10 GHz. Als wichtiges Resultat wurde hiermit eine durchstimmbare schmalbandige Einzelphotonenquelle realisiert. Ausgehend von einem Mastergleichungsansatz wird ein Raten-Modell entwickelt, welches ein physikalisches Bild der ablaufenden Prozesse vermittelt. Es findet eine durch Phononen induzierte, nicht-resonante Kanalisierung der Emission in die Resonatormode statt. Die Messungen der Resonatoremission als Funktion der Wellenlänge werden sehr genau durch das Modell reproduziert. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind vielversprechend im Hinblick auf Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung wie z.B. die Realisierung von Quellen einzelner ununterscheidbarer Photonen oder die Realisierung einer Spin-Photon Schnittstelle zur Anwendung in Quantennetzwerken.