[논문 리뷰] Bidirectional photon extraction from an epitaxially grown semiconductor quantum dot sandwiched by single mode optical fibers

H. Sasakura, X. Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 11.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 21인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 에pi성장한 InAs 양자점이 두 개의 단모드 광섬유(SMFs) 사이에 위치한 안정적인, 정렬이 필요 없는 이방향 단광자 발사체를 구현함을 보여준다. 에피성장된 양자점의 플레이크를 두 광섬유 끝에 기계적으로 고정함으로써, 양방향으로 비고전적 광자를 안정적으로 장기간 추출할 수 있었으며, 이는 g²(0) = 0.28 ± 0.05를 보여주는 이阶 상관 측정을 통해 확인되었다. 이는 강한 반구성(antibunching)을 의미한다.

ABSTRACT

Fiber-based bidirectional photon extraction from nanoscale emitters and photon antibunching behavior between two outputs of two single mode optical fibers are experimentally demonstrated. Flakes of the epitaxial layer containing the InAs quantum dots (QDs) are fixed mechanically by both side with the edge faces of the single-mode-fiber (SMF) patch cables. The emitting photons from the single quantum dot are directly taken out of both side through the SMFs. Single-photon emission between two SMF outputs is confirmed by detecting non-classical antibunching in second-order photon correlation measurements with two superconducting single-photon detectors (SSPDs) and a time-amplitude converter (TAC). This simple opto-mechanical alignment-free single-photon emitter has advantage of robust stability more than 10 days and low-cost fabrication.

연구 동기 및 목표

• 기존의 광섬유 인프라와 호환되는 안정적이고 저비용이며 정렬이 필요 없는 고체 상태 단광자 원천을 개발하는 것.
• 직접적인 단모드 광섬유 접촉을 통해 단일 반도체 양자점으로부터 이방향 광자 추출을 달성하는 것.
• 양자 정보 응용을 위한 이중 섬유 출력에서 비고전적 광자 방출(광자 반구성)을 입증하는 것.
• 기존의 마이크로캐비티 또는 편광된 광섬유 커플링 방법에 비해 장기적 안정성 향상과 제조 복잡도 감소를 이루는 것.

제안 방법

• 2.8 nm의 제어된 두께를 가진 분자비화성장법(MBE)을 이용해 GaAs 기질 위에 에피성장한 InAs 양자점을 형성하였다.
• 다이아몬드 커터를 사용하여 에피성장층의 플레이크(1–20 µm 지름, 약 2.8 nm 두께)를 기계적으로 분리하였다.
• 플레이크를 두 개의 FC/PC 단모드 광섬유 패치 케이블의 끝면에 전기적 힘을 통해 부착하였다.
• FC/PC-FC/PC 커넥터가 플레이크를 두 광섬유 사이에 기계적으로 고정하여 이방향 발사체를 형성하였다.
• 830 nm 레이저 다이오드로 광자 방출을 자극하였으며, 스펙트럼 필터링(0.5-nm 대역통과, 장파장 통과 필터)을 통해 양자점 방출을 분리하였다.
• 두 개의 초도체 단광자 탐지기-SSPDs와 시간-진폭 변환기(TAC)를 사용하여 이阶 광자 상관을 측정하였으며, 시간 분할 간격은 244 ps였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 단모드 광섬유를 통해 단일 반도체 양자점이 안정적으로 양방향으로 단광자를 방출할 수 있는가?
• RQ2 양자점 플레이크와 두 SMF 사이의 직접적인 기계적 접촉이 광학적 기계적 정렬 없이 비고전적 광자 방출을 가능하게 하는가?
• RQ3 이방향 출력에서 광자 반구성의 정도는 무엇이며, 이는 자극 전력에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 이 구성은 실용적인 양자 광학을 위해 10일 이상의 장기적 안정성과 저비용 제조를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 두 섬유 출력 모두에서 명백한 광자 반구성을 보였으며, 자극 전력 5.6 W/cm²에서 이阶 상관 함수 g²(0) = 0.28 ± 0.05를 기록하여 비고전적 단광자 방출을 확인하였다.
• 반구성 우물의 너비는 자극 전력 감소에 따라 증가하였으며, 1.27 W/cm²에서 전고도 반폭 너비(FWHM) 약 2.24 ns에 도달하여, 이 우물의 제한 요소가 방출 수명에 의해 결정되지 않음을 시사하였다.
• 활동적 정렬 없이도 10일 이상 안정된 작동을 유지하여, 기계적 및 광학적 안정성이 뛰어나다는 것을 입증하였다.
• 5.6 W/cm²에서 측정된 광자 수신률은 약 16 kHz였으며, 탐지 효율은 약 15%였고, 각 SSPD의 어둠소음 빈도는 약 50 cps였다.
• 다수의 QD에 의한 약한 결합과 잔류 레이저 반사로 배경 광자가 관측되었지만, 스펙트럼 필터링을 통해 억제되었다.
• 이방향 추출 기술은 광자 쌍을 별도의 섬유로 손실 없이 라우팅할 수 있게 하여, 양자 통신 및 얽힘 분포에 유리하다.