[논문 리뷰] Broad-band spectral control of single photon sources using a nonlinear photonic crystal cavity

Murray W. McCutcheon, Darrick E. Chang외 3명|ArXiv.org|2009. 03. 26.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 비선형 광학 격자 공진기 구조를 제안하여, 내부 비선형성에 의해 양자 발광체에서 방출되는 빛을 직접 주파수 이동시켜 광역 스펙트럼 제어를 가능하게 한다. 이 방법은 위상 일치 조건이 필요 없는 고효율의 파장 변환을 실현하며, 통신 대역으로의 변환을 위해 InAs/GaAs 양자점과 다이아몬드 NV 중심을 실험적으로 구현하였다. 고Q의 TE-TM 이중모드 GaAs 공진기(Q ≈ 1.2×10⁷, Vₙ ≈ 0.77)를 통해 칩 내에서 원하는 주파수와 대역폭을 갖는 즉각적 단일 광자 발생이 가능하다.

ABSTRACT

Motivated by developments in quantum information science, much recent effort has been directed toward coupling individual quantum emitters to optical microcavities. Such systems can be used to produce single photons on demand, enable nonlinear optical switching at a single photon level, and implement functional nodes of a quantum network, where the emitters serve as processing nodes and photons are used for long-distance quantum communication. For many of these practical applications, it is important to develop techniques that allow one to generate outgoing single photons of desired frequency and bandwidth, enabling hybrid networks connecting different types of emitters and long-distance transmission over telecommunications wavelengths. Here, we propose a novel approach that makes use of a nonlinear optical resonator, in which the single photon originating from the atom-like emitter is directly converted into a photon with desired frequency and bandwidth using the intracavity nonlinearity. As specific examples, we discuss a high-finesse, TE-TM double-mode photonic crystal cavity design that allows for direct generation of single photons at telecom wavelengths starting from an InAs/GaAs quantum dot with a 950 nm transition wavelength, and a scheme for direct optical coupling of such a quantum dot with a diamond nitrogen-vacancy center at 637 nm.

연구 동기 및 목표

• 장거리 양자 통신을 위한 실용적인 파장(예: 통신 대역)에서 단일 광자를 생성하는 데 도전하는 데 목적을 두며.
• 양자 발광체의 고정된 방출 파장에 대한 제한을 극복하기 위해 내부 비선형성에 의한 직접 주파수 변환을 가능하게 하며.
• 조절 가능한 스펙트럼 특성을 갖는 효율적이고 즉각적인 단일 광자 발생을 지원하는 컴act하고 통합된 광학 플랫폼을 설계하며.
• 다양한 발광체(예: InAs 양자점과 NV 중심)를 하나의 공진기에서 스펙트럼 변환을 통해 연결함으로써 이종 양자 네트워크를 실현한다.

제안 방법

• 시스템은 TE 및 TM 모드를 철저히 설계하여 강한 빛-물질 상호작용과 비선형 주파수 변환을 가능하게 하는 비선형 광학 격자 나노빔 공진기를 사용한다.
• 3수준의 양자 발광체(예: 양자점 또는 NV 중심)가 공진기 모드에 결합되며, 외부 레이저가 라비 펄스를 통해 단일 흥(excitation)를 생성한다.
• 흥은 공진기 모드로 위상 보존적으로 전이되며, 내부 공진기 비선형 상호작용(χ⁽²⁾)을 통해 TE 및 TM 모드 간의 차주파수 생성이 가능해진다.
• 비선형 결합은 디폴-공진기 및 비선형 상호작용 항을 포함하는 해밀토니안으로 모델링되며, 효과적 결합 강도 g₂는 3차원 FDTD 모드 분포와 재료의 비선형성으로부터 계산된다.
• 시스템은 엄격한 위상 일치 조건이 필요 없이 고 Q/V 비율에 의존하여 효율성을 확보하며, 파동도 출력은 공진기 동역학의 점진적 제거에 의해 형성된다.
• 공진기 기하구조는 타원형 구멍과 구멍 크기 및 간격의 4단계 타원형 테이퍼를 사용하여 TE 및 TM 모드의 Q 인자를 각각 독립적으로 향상시키기 위해 최적화되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 광학 격자 공진기 구조가 위상 일치 조건 없이도 효율적이고 광역 스펙트럼 제어를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 어떤 공진기 설계가 효율적인 주파수 변환을 위해 최대 Q/V 비율과 비선형 결합을 극대화하는가?
• RQ3 한 개의 공진기에서 동시에 강한 결합을 통해 양자 발광체에 결합하고 비선형 주파수 변환을 실현하여 즉각적 단일 광자 발생을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 이 플랫폼은 서로 다른 양자 발광체(예: InAs 양자점과 NV 중심) 간의 직접 결합을 스펙트럼 변환을 통해 실현할 수 있는가?
• RQ5 이 방법을 통해 생성된 단일 광자의 가용 대역폭과 스펙트럼 정밀도는 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 GaAs 기반 TE-TM 이중모드 광학 격자 공진기는 TE 모드에서 Q 인자가 1.2×10⁷, TM 모드에서 7.3×10⁴이며, 각각 모드 부피 Vₙ는 0.77 및 1.45이다.
• 높은 전기장 겹침과 GaAs에서 강한 χ⁽²⁾(550 pm/V)으로 인해 비선형 결합 강도 g₂가 유의미하게 계산되어 효율적인 주파수 변환이 가능하다.
• 시스템은 위상 일치 조건 없이 InAs 양자점에서 방출되는 950 nm 광자를 직접 주파수 하향 변환하여 통신 대역(1425 nm)으로 변환할 수 있다.
• 2.85 µm의 펌프 파장(ω_b)이 x축 방향으로 편광되어 있으며, 이는 y- 및 z-편광 공진기 모드 간의 χ⁽²⁾ 매개 주파수 변환에 필요한 대칭성을 만족한다.
• 이론적 분석 결과, 출력 광자 파동함수는 공진기 진폭 c_c(t)에 직접 비례하며, 외부 라비 드라이브 Ω(t)를 통해 스펙트럼 형상과 대역폭을 완전히 제어할 수 있다.
• 고 Q/V 비율 덕분에 높은 효율을 달성하며, 최대 변환 효율은 위상 일치 조건과는 무관하게 Q/V 비율에 의존하므로, 이는 내재된 강건성과 확장 가능성을 지닌다.