We fabricated circular Bragg grating cavities containing an ensemble of silicon color centers. For cavities whose modes are resonant with the zero-phonon line emission of the color centers, we observed a 5.5-fold enhancement in the emitted intensity combined with a 1.3-fold increase in the decay rate.

Abstract Color centers in silicon have recently gained considerable attention as single-photon sources and as spin qubit-photon interfaces. However, one of the major bottlenecks to the application of silicon color centers is their low overall brightness due to a relatively slow emission rate and poor light extraction from silicon. Here, we increase the photon collection efficiency from an ensemble of a particular kind of color center, known as W centers, by embedding them in circular Bragg grating cavities resonant with their zero-phonon-line emission. We observe a ≈5-fold enhancement in the photon collection efficiency (the fraction of photons extracted from the sample and coupled into a single-mode fiber), corresponding to an estimated ≈11-fold enhancement in the photon extraction efficiency (the fraction of photons collected by the first lens above the sample). For these cavities, we observe lifetime reduction by a factor of  ≈ 1.3  ${\approx} 1.3$ . For W centers in resonant bowtie-shaped cavities, we observed a ≈3-fold enhancement in the photon collection efficiency, corresponding to a ≈6-fold enhancement in the photon extraction efficiency, and observed a lifetime reduction factor of  ≈ 1.1  ${\approx} 1.1$ . The bowtie cavities thus preserve photon collection efficiency and Purcell enhancement comparable to circular cavities while providing the potential for utilizing in-plane excitation methods to develop a compact on-chip light source.

The need for reliable quantum light sources drives our research to study color centers (CCs) in silicon as telecommunication O-band emitters. Building from photoluminescence measurements, we compare new electroluminescence measurements. To this end, we synthesized CC-embedded p-i-n junctions in silicon, creating CC light-emitting diode devices. The two types of CCs synthesized were G-centers and W-centers, which show zero-phonon lines at approximately 1279 nm and 1218 nm, respectively. Here, we present our device design, fabrication process flow, and report on the device performance results from measurements to date.