[논문 리뷰] Fiber-integrated single photon source of high efficiency based on a concept of ultra-broadband optical horn antenna

Thierry Grosjean, Mathieu Mivelle외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 06.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 15인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 단일 양자 발광체와 표준 SMF-28 섬유 간의 고효율 결합을 달성하기 위해 초광대역 광학 호른 안테나를 이용한 섬유 통합 단일 광자 소스를 제안한다. 마이크로파 호른 안테나의 원리를 광주파수에서 모방함으로써, 설계는 최대 85%의 복사 방향성(7° 원뿔 범위 내)과 1000 nm 이상의 대역폭에서 섬유 모드로의 최대 70% 에너지 전달률을 가능하게 하며, 1000 nm 이상의 스펙트럼 범위에서 >50% 효율을 유지한다.

ABSTRACT

We theoretically demonstrate a fiber-integrated single photon source of unprecedented efficiency. This fiber single photon source is achieved by coupling optically a single quantum emitter to a monomode optical fiber with a new concept of ultra-broadband optical antenna. Such an optical antenna concept is the result of the transposition to optical frequencies of the well-known low-frequency horn antenna The optical horn antenna is here shown to be capable of directing the radiation from the emitter toward the optical fiber and efficiently phase-matching the photon emission with the fiber mode. Numerical results show that an optical horn antenna can funnel up to 85% of the radiation from a dipolar source within an emission cone semi-angle as small as 7 degrees (antenna directivity of 300). It is also shown that 50% of the emitted power from the dipolar source can be collected and coupled to an SMF-28 fiber mode over spectral ranges larger than 1000 nm, with a maximum energy transfer reaching 70 %. This approach is highly promising in the engineering of all-fiber "on-demand" single photon sources for telecommunication, quantum optics and sensing.

연구 동기 및 목표

• 광학적 섬유의 낮은 NA(수차율)와 비다이렉셔널 양자 발광체 방출 간의 낮은 결합 효율 문제 해결.
• 기존의 마이크로/나노 구조물이 섬유 위상 일치 및 내섬유 전파에 최적화되어 있지 않은 한계를 극복.
• 양자 통신 및 센서 기술을 위한 표준 광섬유에서 광대역, 고효율 단일 광자 수집 및 유도 가능화.
• 최소한의 손실과 넓은 스펙트럼 내성으로 실시간 단일 광자 소스를 위한 섬유 통합 플랫폼 개발.
• 유전체 호른 구조를 통해 기본 섬유 모드의 위상 일치 자극 구현.

제안 방법

• 유전체 파동도를 확장하여 자유공간 임피던스를 일치시키는 방식으로 마이크로파 호른 안테나 원리를 광주파수 영역에 적용.
• 파장보다 훨씬 작은 다이폴 발광체를 유전체 파동도에 부착하고, 금속 거울에서 1/4 파장 거리에 위치시켜 간섭 최대화를 유도.
• 반사율 n = 1.52인 42 µm 길이의 유전체 파동도를 사용하여 파면을 점진적으로 변형하고 자유공간과의 임피던스 일치를 가능하게 함.
• 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 활용해 전자기장 분포 및 복사 패턴 모델링.
• SMF-28 섬유의 기본 모드에 발광체의 복사 패턴을 투영하여 결합 효율 계산.
• 1550 nm 중심 주변 1000 nm 범위에서 결합 효율 평가를 통해 스펙트럼 대역폭 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 호른 안테나 개념이 단일 모드 섬유 모드와의 고효율 위상 일치 및 높은 방향성 달성에 성공할 수 있는가?
• RQ2 이 안테나 설계를 통해 단일 양자 발광체와 SMF-28 섬유 간에 달성 가능한 최대 결합 효율은 얼마인가?
• RQ3 고효율(>50%)을 유지할 수 있는 스펙트럼 대역폭은 얼마나 넓은가?
• RQ4 이 안테나 설계는 좁은 스펙트럼 튜닝 없이도 효율적이고 광대역, 섬유 결합 단일 광자 방출을 가능하게 하는가?
• RQ5 안테나의 기하학적 형상이 광주파수 영역에서 방향성과 임피던스 일치에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 광학 호른 안테나는 300의 방향성(7° 전체 방출 원뿔에 해당)을 달성하여 다이폴 발광체의 복사 에너지 중 최대 85%를 좁은 빔으로 집중시킨다.
• 양자 발광체에서 SMF-28 섬유 모드로의 최대 에너지 전달률은 70%에 도달하며, 1000 nm 이상의 스펙트럼 대역폭에서 50% 이상의 효율을 유지한다.
• 1550 nm 중심 주변 1000 nm 스펙트럼 범위에서 결합 효율이 50% 이상 유지되어 초광대역 작동을 입증한다.
• 이 설계는 발광체의 복사와 표준 단일 모드 섬유의 기본 모드 간의 효율적 위상 일치를 가능하게 하여 낮은 손실 내섬유 전파를 실현한다.
• 안테나 구조는 자유공간에서의 고방향성과 효율적 섬유 결합을 동시에 지원하여 통합 양자 광학 네트워크에 적합하다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 안테나 성능이 다양한 발광체 위치와 파장에서 뛰어난 안정성을 유지함을 확인하여 실용적 타당성을 입증한다.