Femtosecond laser microfabrication of 3D integrated photonics circuits in diamond for quantum information and magnetometry.

Diamond’s nitrogen-vacancy (NV) center has been shown as an enthralling candidate for sensing applications and quantum computing because of its long electron spin coherence time and its ability to be found, manipulated and read out optically. An integrated photonics platform in diamond would be beneficial for NV-based optically detected spin magnetometry and quantum computing, in which NV centers are optically linked for long-range quantum entanglement due to the integration and stability provided by monolithic optical waveguides. Lacking so far is a fabrication method able to produce NV centers on demand while preserving their excellent spin coherence and optical waveguides to excite and collect light from NVs. In this work, we have used femtosecond laser writing to form buried 3D optical waveguides in diamond. By engineering the geometry of the type II waveguide, we have obtained single mode guiding from visible to the infrared wavelengths. Photoluminescence characterization revealed that the NV properties were preserved within the waveguide. We have also been able to create single NV centers on demand in ultrapure diamond using a single pulse from a femtosecond laser with high quality NV properties confirmed by optically detected magnetic resonance measurements. With these building blocks in place, we have fabricated a photonic integrated device containing optical waveguides coupled to NV centers deterministically placed within the waveguide. The single NVs were excited and their emission collected by the optical waveguides, allowing easy interfacing to standard optical fibers for a compelling integrated quantum photonics platform.

Il centro azoto-vacanza (NV) nel diamante è stato mostrato come un candidato entusiasmante per applicazioni di rilevamento e calcolo quantistico a causa dellungo tempo di coerenza dello spin dell'elettrone nel centro NV e della sua capacità di essere trovato, manipolato e letto otticamente. Una piattaforma fotonica integrata in diamante sarebbe vantaggiosa per la magnetometria di spin e la computazione quantistica basati sul NV rilevati otticamente, in cui i centri NV sono collegati otticamente per l'entanglement quantistico a lungo raggio grazie a la integrazione e a la stabilità fornite dalle guide d'onda ottiche monolitiche. Manca finora un metodo di fabbricazione in grado di produrre i centri NV su richiesta, preservando l'eccellente coerenza degli spin all’interno delle guide d'onda ottiche che permeta la eccitazione il raccoggimento della luce dal centro NV. In questo lavoro, abbiamo utilizzato la scrittura laser a femtosecondi per formare guide d'onda 3D sepolte in diamante. Progettando la geometria della guida d'onda di tipo II, abbiamo ottenuto la guida a singolo modo dalle lunghezze d'onda visibili a quelle dell'infrarosso. La caratterizzazione della fotoluminescenza ha rivelato che le proprietà delle NV sono state conservate all'interno della guida d'onda. Siamo anche stati in grado di creare singoli centri NV su richiesta in diamante ultrapuro utilizzando un singolo impulso da un laser a femtosecondi. La alta qualità delle propietà delle centri NV create è confirmata da misure di risonanza magnetica rilevate otticamente. Con questi blocchi costitutivi, abbiamo fabbricato un dispositivo integrato fotonico che contiene guide d'onda ottiche accoppiate a centri NV posizionati deterministicamente all'interno della guida. Le singole NV sono state eccitate e le loro emissioni raccolte dalle guide d'onda ottiche, consentendo un interfacciamento facile con le fibre ottiche standard per una piattaforma di fotonica quantistica integrata.