[논문 리뷰] High extraction efficiency source of photon pairs based on a quantum dot embedded in a broadband micropillar cavity

Laia Ginés, Magdalena Moczała-Dusanowska외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 24.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 36인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 낮은 Q 인자(200–300)를 가진 광대역 마이크로피라미드 공진자에서 중간 정도의 풀리 효과 증폭과 비공진 모드로의 방출 억제에 의한 간섭에 의해 발생하는 파괴적 간섭을 조합하여, 69.4(10)%의 광자 쌍 추출 효율을 달성한다. 이 설계는 제한된 제조 복잡성과 높은 수율을 동반하면서도 단일 양자점에서 고효율의 결정론적 얽힌 광자 쌍 생성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The generation of photon pairs in single quantum dots is based on a process that is, in its nature, deterministic. However, an efficient extraction of these photon pairs from a high-index semiconductor host material requires engineering of the photonic environment. We report on a micropillar-based device featuring an extraction efficiency of 69.4(10)$\%$ that is achieved by harnessing a broadband operation suitable for extraction of photon pairs emitted from a single quantum dot. Opposing the approaches that rely solely on Purcell enhancement to realize the enhancement of the extraction efficiency, our solution exploits a suppression of the emission into the modes other than the cavity mode. Our technological implementation requires modest fabrication effort enabling higher device yields that can be scaled up to meet the growing needs of quantum technologies. Furthermore, the design of the device can be further optimized to allow for an extraction efficiency of 85$\%$.

연구 동기 및 목표

• 단일 양자점에서 고효율, 확장 가능한, 고수율의 얽힌 광자 쌍 소스를 개발하기 위해.
• 낮은 Q 인자로 인한 광대역 공진자에서 이중자기-기본 상태 붕괴 과정에서 광자 쌍을 추출하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 높은 추출 효율이 강한 풀리 효과 증폭 외에도 비공진 모드로의 방출 억제를 통해 달성될 수 있음을 입증하기 위해.
• 고성능 양자 광원을 위한 복잡한 웨이브가이드 또는 하이브리드 브라거 격자 구조의 대안으로 단순한 제조 공정을 제공하기 위해.

제안 방법

• 넓은 공진선폭(~5 nm)을 가지며 이중자기-기본 상태 광자 방출에 동시에 적합한 낮은 Q 인자(200–300)의 마이크로피라미드 공진자를 사용하여 광대역 공진을 달성한다.
• 효율적인 수집을 위해 방출을 상부로 유도하기 위해 상부 5개, 하부 18개의 AlAs/GaAs 분포 반사판(DBR)을 갖는 비대칭 마이크로피라미드를 설계한다.
• 양자점을 마이크로피라미드 중심에 정밀하게 위치시켜 공진 모드와의 공진 결합을 보장하기 위해 광발광 영상 기반 기술을 사용한다.
• 특정 마이크로피라미드 지름에서 방출 경로 간의 파괴적 간섭을 이용해 비공진 모드로의 방출을 억제함으로써 β 인자(공진 모드를 통한 방출 비율)를 증가시킨다.
• 마이크로피라미드 지름에 따른 β 인자의 이론적 시뮬레이션을 수행하여 고내부 효율을 위한 최적 기하 구조를 규명하며, 1.8 µm 지름에서 최대 0.9의 값을 기록한다.
• 하부 DBR 쌍 수를 25로 증가시키고, 저굴절률 SiO2 기판을 사용하며, 상부 DBR 수를 7로 약간 증가시켜 이론적 내부 효율을 최대 85%까지 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 Q 인자로 인해 풀리 효과 증폭이 감소하는 광대역 마이크로피라미드 공진자에서도 광자 쌍에 대해 높은 추출 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 낮은 Q 인자 마이크로피라미드에서 방출 경로 간의 파괴적 간섭이 비공진 모드로의 방출을 어느 정도 억제하고 β 인자를 향상시키는가?
• RQ3 복잡한 웨이브가이드 또는 하이브리드 브라거 격자 구조의 대체로 단순하고 고수율의 제조 공정이 효율적인 양자점 기반 광자 쌍 소스를 위한 것으로 간주될 수 있는가?
• RQ4 이중자기-기본 상태 붕괴 방출을 유지하면서도 광대역 작동을 유지하는 조건에서 내부 효율을 최대화하기 위한 설계 수정은 무엇인가?
• RQ5 이 마이크로피라미드 플랫폼을 통해 변형 에너지 조절을 통해 편광 얽힌 광자 쌍을 생성하는 것이 실현 가능한가?

주요 결과

• 장치는 공진 조건에서 실험적으로 측정된 내부 추출 효율이 69.4(10)%에 이르며, 이는 광대역 마이크로피라미드 공진자에서 매우 높은 수준이다.
• 높은 효율은 풀리 효과 증폭 때문만은 아니며, 중간 정도의 풀리 효과 증폭과 비공진 모드로의 방출 억제가 결합된 결과로 발생한다. (1.25배의 속도 증폭에서 풀리 효과 증폭만으로는 약 55%의 효율에 그친다.)
• 이론적 시뮬레이션 결과, 1.8 µm 지름의 마이크로피라미드에서는 β 인자가 0.9에 도달함을 확인하여 거의 전적으로 공진 모드를 통한 방출이 이루어짐을 시사한다.
• 수명 측정 결과, 공진 조건에서 방출 수명이 약 25% 감소함을 확인하였으며, 비공진 조건에서는 파괴적 간섭으로 인해 방출이 약 2배 감소함을 확인하였다.
• 추가 최적화로 하부 DBR 쌍 수를 25로 증가시키고, SiO2 기판을 사용하며 상부 DBR 수를 7로 증가시킴으로써 이론적 내부 효율을 최대 85%까지 향상시킬 수 있다.
• 플랫폼은 편광 얽힌 광자 쌍 생성에 적합하며, 마이크로피라미드 구조를 변형 에너지 조절을 통해 양자점의 방출 특성을 제어할 수 있다.