[논문 리뷰] An integrated whispering-gallery-mode resonator for solid-state coherent quantum photonics

Arianne Brooks, Xiao‐Liu Chu외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 26.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 63인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 자가 조립된 양자점이 내장된 통합 GaAs 마이크로디스크 웨스팅갈러리 모드 공진기의 성능을 입증하며, 공진 결합을 통해 버스 및 드롭 웨이브가이드 간에 공명적으로 광자를 라우팅하는 데 성공한다. 측정된 Purcell 인자는 6.9 ± 0.9이며, 적재된 Q 인자는 약 10,000에 이르며, 이는 한 개의 공진기 수명 동안 1개 미만의 광자를 사용하여 광자의 공명 산란과 단일 광자 수준의 제어를 가능하게 하여 결정론적 양자 광학 스위칭을 실현한다.

ABSTRACT

Tailored photonic cavities allow enhancing light-matter interaction ultimately to create a fully coherent quantum interface. Here, we report on an integrated microdisk cavity containing self-assembled quantum dots to coherently route photons between different access waveguides. We measure a Purcell factor of $F_{exp}=6.9\pm0.9$ for a cavity quality factor of about 10,000, allowing us to observe clear signatures of coherent scattering of photons by the quantum dots. We show how this integrated system can coherently re-route photons between the drop and bus ports, and how this routing is controlled by detuning the quantum dot and resonator, or through the strength of the excitation beam, where a critical photon number less than one photon per lifetime is required. We discuss the strengths and limitations of this approach, focusing on how the coherent scattering and single-photon nonlinearity can be used to increase the efficiency of quantum devices such as routers or Bell-state analyzers.

연구 동기 및 목표

• 통합 웨스팅갈러리 모드 공진기와 양자점을 이용한 칩기반 완전 공명 양자 광학 인터페이스 개발
• Purcell 강화를 활용하여 스펙트럼 확산에 의한 비결합을 완화함으로써 노이즈에 대한 민감도를 감소시킴
• 양자점-공진기의 떨어짐 또는 흥(excitation) 전력 조절을 통해 단일 광자 간의 공명적이고 스위치 가능한 라우팅을 구현함
• 스펙트럼 확산의 역할과 온도 의존성에 대해 분석하여 공명성과 차단 효율의 제한 요인을 정량화함
• 단일 광자 비선형성을 이용한 저전력, 결정론적 양자 조작(예: 라우팅 및 벨 상태 분석)을 실현함

제안 방법

• 전자선 리소그래피 및 반응성 이온/유도 결합 플라즈마 에칭을 사용한 3.5 µm 반경의 GaAs/AlGaAs 마이크로디스크 공진기 제작
• 칩 내 광학 흥 excitatio 및 검출을 위한 에바네센트 결합 단일 모드 웨이브가이드 및 격자 커플러 구현
• 유한 요소 방법(COMSOL)을 사용한 모드 분포, 유효 모드 부피(V_eff ≈ 18–22(λ/n)³), 이론적 Q 인자 최대 10¹³ 시뮬레이션
• 열 노이즈를 최소화하기 위해 7 K에서의 냉각 측정, 레이저 흥(excitation) 파장 810 nm(Ti:Sapphire), 검출 파장 940 nm
• 공진기 전송 스펙트럼에 띠형 분포를 적합하여 적재된 Q 인자(Q_exp ≈ 10,600 ± 4,700) 및 대역폭(κ ≈ 36.68 GHz) 추출
• 복사 감쇠율 γ_cav 및 γ_leak을 포함한 이중 준위 시스템 모델을 사용한 양자점 동역학 모델링 및 온도 의존성으로 변화하는 스펙트럼 확산(σ_sd)을 비결합 원인으로 포함

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내장된 자가 조립 양자점이 있는 통합 마이크로디스크 공진기는 버스 및 드롭 웨이브가이드 간에 공명적으로 광자를 라우팅할 수 있는가?
• RQ2 Purcell 강화는 스펙트럼 확산를 완화하고 단일 광자 수준에서의 공명 산란을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 비결합 조건(간격 40–160 nm)이 버스 및 드롭 포트의 적재된 Q 인자와 전송 깊이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스펙트럼 확산는 최대 차단 효율을 얼마나 제한하며, 온도 및 떨어짐에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 양자점-공진기 떨어짐 또는 흥 전력 조절을 통해 광자 라우팅을 제어할 수 있으며, 한 공진기 수명당 1개 미만의 광자를 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 적재된 Q 인자가 약 10,000인 상태에서 측정된 Purcell 인자는 F_exp = 6.9 ± 0.9로, 강한 빛-물질 결합을 확인한다.
• 모든 모드에서 평균 적재된 Q 인자는 10,600 ± 4,700이며, 1차 모드는 13,600 ± 5,400, 2차 모드는 9,300 ± 4,900으로 더 높은 Q 인자를 보인다.
• 양자점에서의 광자의 공명 산란이 관측되었으며, 공진 상태일 경우 드롭 포트에서의 차단이 순수 공진기 반응 대비 최대 1.2배까지 증가한다.
• 스펙트럼 확산(σ_sd)은 온도와 떨어짐에 대해 선형적으로 증가하며, 4 K에서 σ_sd ≈ 0.6 GHz로 측정되어 이상적 공진 상태에서의 최대 차단을 약 20% 감소시킨다.
• 양자점-공진기 떨어짐 또는 흥 전력 조절을 통해 광자 라우팅을 공명적으로 제어할 수 있으며, 작동에 필요한 임계 광자 수는 한 공진기 수명당 1개 미만이다.
• 이론적 모델링 결과, 스펙트럼 확산를 고려할 경우 최대 차단이 δ = 0에서 발생하지 않으며, σ_sd를 모델에 포함시킴으로써 실험 데이터와의 일치도가 향상되어 결정계수 R² = 0.96를 달성한다.