[論文レビュー] High extraction efficiency source of photon pairs based on a quantum dot embedded in a broadband micropillar cavity

Laia Ginés, Magdalena Moczała-Dusanowska+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 36被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、中程度のPurcell増幅と非キャビティモードへの放射の破壊的干渉による抑制を組み合わせることで、低Qファクターの広帯域マイクロピラー共振器を実現し、69.4(10)%の光子対抽出効率を達成した。この設計により、最小限のプロセス複雑性と高い出yieldを実現しつつ、単一の量子ドットから高効率で決定的（deterministic）にエンタングルド光子対を生成することが可能となった。

ABSTRACT

The generation of photon pairs in single quantum dots is based on a process that is, in its nature, deterministic. However, an efficient extraction of these photon pairs from a high-index semiconductor host material requires engineering of the photonic environment. We report on a micropillar-based device featuring an extraction efficiency of 69.4(10)$\%$ that is achieved by harnessing a broadband operation suitable for extraction of photon pairs emitted from a single quantum dot. Opposing the approaches that rely solely on Purcell enhancement to realize the enhancement of the extraction efficiency, our solution exploits a suppression of the emission into the modes other than the cavity mode. Our technological implementation requires modest fabrication effort enabling higher device yields that can be scaled up to meet the growing needs of quantum technologies. Furthermore, the design of the device can be further optimized to allow for an extraction efficiency of 85$\%$.

研究の動機と目的

• 単一の量子ドットからスケーラブルで高出yieldなエンタングルド光子対源を、高抽出効率で実現すること。
• 低Qファクターの広帯域キャビティにおいて、バイオクシッド状態から励起状態への遷移で発生する光子対の抽出という課題を克服すること。
• 高抽出効率が、強力なPurcell増幅に加えて、非キャビティモードへの放射の抑制によっても達成可能であることを示すこと。
• 高性能な量子光源のための複雑な波ガイド構造やハイブリッドBraggグレーティング構造の代替として、プロセスが単純な代替案を提供すること。

提案手法

• 広帯域キャビティ帯域幅（約5 nm）を実現するため、低Qファクター（200–300）のマイクロピラー共振器を用い、同時にバイオクシッドおよび励起状態の光子放出を可能にする。
• 効率的な集光を実現するため、上部に5対、下部に18対のAlAs/GaAs分布的ブレグ・レフレクタ（DBR）対を持つ非対称マイクロピラーを設計した。
• 量子ドットをマイクロピラーの中心に正確に位置づけるために、光励起像像法を用い、キャビティモードと共振結合を確立した。
• 特定のマイクロピラー直径において、発光経路間の破壊的干渉を活用し、非キャビティモードへの放射を抑制することで、β要因（キャビティモードを介した発光の割合）を向上させた。
• マイクロピラー直径の関数としてβ要因をシミュレーションし、内部効率が最大となる最適な幾何形状を同定した。1.8 µm直径ではピークで0.9に達した。
• 底部DBR対を25に増加させ、低屈折率のSiO2基板を用い、上部DBRを7にわずかに増加させることで、理論的内部効率を最大85%まで向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低Qファクターの広帯域マイクロピラー共振器において、Purcell増幅が弱いために、光子対の高抽出効率を達成できるか？
• RQ2 低Qマイクロピラーにおいて、発光経路間の破壊的干渉が非キャビティモードへの放射をどれほど抑制し、β要因を向上させるか？
• RQ3 複雑な波ガイド構造やハイブリッドBraggグレーティング構造の代替として、単純で高出yieldなプロセスが、効率的な量子ドットベースの光子対源に適しているか？
• RQ4 バイオクシッド-励起状態遷移の広帯域発光を維持しつつ、内部効率を最大化するための設計変更は何か？
• RQ5 このマイクロピラープラットフォームを用いて、ストレインチューニングにより偏光エンタングルド光子対を生成することは可能か？

主な発見

• キャビティ共鳴点において、実験的に測定された内部抽出効率が69.4(10)%に達し、広帯域マイクロピラー共振器としては非常に高い水準であった。
• 高い効率は、Purcell増幅によるものに限定されておらず（1.25倍の増幅率では約55%の効率にとどまる）、中程度のPurcell増幅と非キャビティモードへの放射抑制の組み合わせによるものである。
• 理論的シミュレーションでは、1.8 µm直径のマイクロピラーにおいてβ要因が0.9に達することが示され、発光のほぼ全量がキャビティモードを介して放出されることを示した。
• 寿命測定により、共鳴点での発光体では25%の寿命短縮（Purcell増幅効果）が確認された一方、非共鳴発光は破壊的干渉により約2倍の抑制が見られた。
• さらなる最適化（底部DBR対を25に増加、SiO2基板の使用、上部DBRを7に増加）により、理論的内部効率は85%まで向上することが可能である。
• このプラットフォームは、量子ドットの発光特性を制御できるストレインチューニングが可能であるため、偏光エンタングルド光子対の生成に適している。