WS2/SiO2 Nanopillars for Efficient Waveguide Coupling
- 주제어 (키워드) Transition Metal Dichalcogenide , Single photon , waveguide
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 백현준
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079684
- UCI I804:11029-000000079684
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Single-photon emitters (SPEs) integrated on photonic chips are essential for advancing quantum information technologies such as quantum communication and computing. Especially, two-dimensional (2D) material-based SPEs offer advantages for integration because they can be readily placed on waveguides using transfer methods. However, coupling efficiency between the SPE emission and waveguide remains a challenge, because transition metal dichalcogenide (TMD) SPEs, with their out-of-plane emission orientation, exhibit low coupling efficiency into in-plane waveguides. Here, we present a method to enhance the coupling efficiency of TMD-based SPE emission by embedding TMDs into SiO2 nanopillars. A WS2 monolayer is exfoliated and transferred onto a SiO2 layer. Gold nanodots, formed using electron-beam lithography, serve as an etching mask for creating WS2/SiO2 nanopillars through inductively coupled plasma reactive ion etching. The fabricated vertical WS2/SiO2 nanopillars are then picked and laid down onto the desired substrate. This process aligns the dipole orientation of WS2 perpendicular to the waveguide axis, improving coupling efficiency with waveguides. Our results demonstrate a promising approach for integrating 2D-based SPEs into photonic integrated circuits.
more초록 (요약문)
단일 광자 방출원(Single-Photon Emitters, SPEs)을 광 집적 칩에 통합하는 것은 양자 통신 및 양자 컴퓨팅과 같은 양자 정보 기술의 발전에 중요한 요소 이다. 이차원(2D) 물질 기반 SPE는 전이 방법을 통해 광도파로에 쉽게 배치할 수 있어 통합에 유리한 특징을 지닌다. 그러나 전이금속 칼코겐화합물(TMD) 기반 SPE는 주로 out-of-plane 방향으로 방출되는 특성으로 인해 in-plane 광도 파로의 결합 효율이 낮다는 한계를 가진다. 본 연구에서는 TMD 기반 SPE 방출의 결합 효율을 향상시키기 위해 SiO₂ 나노기둥에 TMD를 삽입하는 방식을 제안하였다. WS₂ 단일층은 박리 후 SiO₂ 층에 전이되었으며, 전자빔 리소그래피로 형성된 금 나노점을 식각 마스크로 사용하여 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 식각(ICP-RIE) 공정을 통해 WS₂/SiO₂ 나노기둥을 제작하였다. 제작된 수직 WS₂/SiO₂ 나노기둥은 원하는 기판에 배치되었으며, 이를 통해 WS₂의 dipole 방향이 광도파로에 수직인 방향 으로 정렬되어 광도파로와의 결합 효율이 향상되었다. 본 연구의 결과는 2D 기반 SPE를 광 집적 회로에 통합하기 위한 유망한 접근 방식을 제시한다.
more목차
I. Introduction 1
II. Literature Review 3
A. Photoluminescence (PL) 4
B. Single Photon Emitter in TMD monolayer 8
C. Coupling Between TMD and Waveguide 14
D. Orientation of optical dipoles in TMD 23
III. Experimental Methods 25
A. FDTD Simulation 25
B. Sample Fabrication 27
C. Photoluminescence (Set-up) 29
IV. Result and discussion 31
A. FDTD Simulation 31
B. Sample Fabrication 40
C. Photoluminescence 45
V. Conclusion 48
VI. References 49
