[論文レビュー] Nanophotonic control of circular dipole emission: toward a scalable solid-state to flying-qubits interface

B. le Feber, Nir Rotenberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2014

Photonic and Optical Devices参考文献 40被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、古典的可変ダイポール源を用いて、シリコンフォトニクスクリスタル波ガイド内の特定のフォトン的パスウェイへの円形ダイポール放射の指向性制御において、ほぼ1に近い（0.8 ± 0.1）効率を実証している。局所的ヘリシティを特に活用することで、円形ダイポールと波ガイドの固有モード間の空間依存的結合をマッピングし、決定的なスピンからパスウェイへの結合を実現した。これにより、固体状態量子ビットと飛行量子ビットの間のスケーラブルなオンチップ量子インターフェースが可能となる。

ABSTRACT

Controlling photon emission by single quantum emitters with nanostructures is crucial for scalable on-chip quantum information processing. Nowadays nanoresonators can affect the lifetime of emitters and ultimately induce strong coupling between the emitters and the light field, while nanoantennas can control the directionality of the emission. Expanding this control to the manipulation of the emission of orbital angular momentum-changing transitions would enable coupling between long-lived solid-state qubits and flying qubits. As these transitions are associated with circular rather than linear dipoles, such control requires detailed knowledge of the spatially dependent interaction of a complex dipole with highly structured optical eigenstates containing local helicity. Using a classical analogue, we experimentally map the coupling of circular dipoles to photonic modes in a model structure, a photonic crystal waveguide. We show that depending on the local helicity the dipoles can be made to couple to modes either propagating to the left or to the right. The maps are in excellent agreement with calculations. Our measurements, therefore, demonstrate the coupling of spin to photonic pathway with near-unity (0.8 $\pm$ 0.1) efficiency.

研究の動機と目的

• ナノフォトニクス的制御による円形ダイポール放射を用いて、長寿命の固体状態量子ビットと飛行フォトン量子ビットの間の決定的結合を可能にすること。
• フォトニクスクリスタル波ガイド内の局所的ヘリシティを有するフォトニクス固有モードと円形ダイポールの間の空間依存的相互作用をマッピングすること。
• 発光体の遷移ダイポールのヘリシティが、波ガイドに沿って一方向に放射を指向的に制御できることを示すこと。
• 古典的ダイポール放射の弱い結合限界における厳密な理論的枠組みに基づき、実験結果を検証すること。
• スピン量子ビットとフォトンパスウェイをインターフェースするスケーラブルでオンチップのプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 線形および円形遷移ダイポールを模倣するために、可変近接場光学顕微鏡プローブを用い、古典的光源からの制御された放射を実現した。
• プローブをフォトニクスクリスタル波ガイドの上を走査することで、放射の指向性および増幅の高解像度空間マップを作成した。
• 波長依存の結合効率を評価するために、複数の波長（1575 nm、1585 nm、1592 nm）で放射を測定した。
• 理論的計算では、波ガイド近辺における円形ダイポールの放射をモデル化し、ダイポールのヘリシティを波ガイドの固有モード（局所的ヘリシティを有する）に射影した。
• 方向性効率（ηdir）および結合効率（|η|）を計算し、実験データと比較することで結果の妥当性を検証した。
• 構造パラメータを最適化するために、220 nm 厚のシリコンスラブと120 nm 半径の穴を有するフォトニクスクリスタル波ガイドを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクスクリスタル波ガイド内において、フォトニクス固有モードの局所的ヘリシティを用いて、円形ダイポール放射を指向的に制御できるか？
• RQ2 実際のナノフォトニクス構造内において、円形ダイポール放射を1つのフォトニクスパスウェイに結合する最大効率は何か？
• RQ3 フォトニクスクリスタル波ガイド内において、波長およびダイポールヘリシティに応じて、放射の指向性の空間的分布はどのように変化するか？
• RQ4 波ガイドの幾何形状が、円形ダイポール放射の結合効率および指向性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 古典的ダイポール源は、ナノフォトニクス系におけるスピンからフォトンへの結合を研究する際に、量子発光体の挙動を正確に模倣できるか？

主な発見

• 実験的に測定された円形ダイポールとフォトニクスパスウェイ間の結合効率は 0.8 ± 0.1 に達し、ほぼ1に近い効率を実証した。
• 放射の指向性の空間マップから、左回りおよび右回りの円偏光ダイポールがそれぞれ異なる波ガイド方向に優先的に結合することが確認され、ヘリシティからパスウェイへの制御が成立した。
• 理論的計算と実験データが良好に一致し、構造的フォトニクスモードにおけるダイポール-ヘリシティ結合モデルの妥当性が検証された。
• 1575 nm において、群速度（ng）は 15 であり、特定の領域では方向性効率（|ηdir|）が 0.8 を超えることが示され、強い一方向放射が確認された。
• 波ガイドの幾何形状を調整（スラブ厚さと穴の半径を増加）することで、バンド構造がシフトし、最大結合効率 |η(ω)|max が上昇し、特に長い波長で顕著に向上した。
• 理論的モデリングにより、円形電気ダイポールにおいて波ガイド中心部で最大結合効率が 0.99 を超えることが確認され、ほぼ理想に近い性能であることが示された。