[논문 리뷰] Nanophotonic control of circular dipole emission: toward a scalable solid-state to flying-qubits interface

B. le Feber, Nir Rotenberg외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 30.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 40인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고전적 조절 가능한 드롭 소스를 사용하여 실리콘 광결정 파손도에서 원형 드롭 전자기 방출을 특정 광학적 경로로 유도하는 데 있어 근접한 단일 효율(0.8 ± 0.1)을 입증한다. 국소 편극성의 특성을 활용하여 원형 드롭과 파손도의 고유모드 간의 공간적으로 변하는 결합을 매핑함으로써 결정적인 스핀-경로 결합을 실현하며, 고체 상태 큐비트와 비행 큐비트 간의 확장 가능한 온칩 양자 인터페이스를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Controlling photon emission by single quantum emitters with nanostructures is crucial for scalable on-chip quantum information processing. Nowadays nanoresonators can affect the lifetime of emitters and ultimately induce strong coupling between the emitters and the light field, while nanoantennas can control the directionality of the emission. Expanding this control to the manipulation of the emission of orbital angular momentum-changing transitions would enable coupling between long-lived solid-state qubits and flying qubits. As these transitions are associated with circular rather than linear dipoles, such control requires detailed knowledge of the spatially dependent interaction of a complex dipole with highly structured optical eigenstates containing local helicity. Using a classical analogue, we experimentally map the coupling of circular dipoles to photonic modes in a model structure, a photonic crystal waveguide. We show that depending on the local helicity the dipoles can be made to couple to modes either propagating to the left or to the right. The maps are in excellent agreement with calculations. Our measurements, therefore, demonstrate the coupling of spin to photonic pathway with near-unity (0.8 $\pm$ 0.1) efficiency.

연구 동기 및 목표

• 장수명 고체 상태 큐비트와 비행 광학 큐비트 간의 결정적 결합을 가능하게 하기 위해 원형 드롭 방출의 나노광학적 제어를 통해 실현한다.
• 광결정 파손도 내에서 원형 드롭과 광학 고유모드 간의 국소 편극성과 연관된 공간적으로 변하는 상호작용을 매핑한다.
• 발광체의 전이 드롭의 편극성이 파손도를 따라 한 방향으로 방출을 유도하는 데 사용될 수 있음을 입증한다.
• 약한 결합 한계에서의 고전적 드롭 복사 이론에 기반한 엄밀한 이론적 프레임워크를 통해 실험 결과를 검증한다.
• 스핀 큐비트를 광학 경로와 연결하는 확장 가능한 온칩 플랫폼을 구축하여 양자 정보 처리를 실현한다.

제안 방법

• 선형 및 원형 전이 드롭을 모사하기 위해 조절 가능한 근접장 광학 현미경 프로브를 사용하여 고전적 소스에서 제어 가능한 방출을 구현한다.
• 프로브를 광결정 파손도를 스캔하여 방출 방향성 및 증폭의 고해상도 공간 맵을 생성한다.
• 파장에 따른 결합 효율을 평가하기 위해 여러 파장(1575 nm, 1585 nm, 1592 nm)에서 방출을 측정한다.
• 이론적 계산은 파손도 근처의 원형 드롭 복사 모델링을 포함하며, 드롭의 편극성 성분을 파손도 고유모드의 국소 편극성에 투영한다.
• 방출 방향성 효율(ηdir)과 결합 효율(|η|)을 계산하고 실험 데이터와 비교하여 결과를 검증한다.
• 220 nm 두께의 실리콘 슬립과 반경 120 nm의 구멍을 가진 광결정 파손도를 사용하며, 구조적 매개변수를 조절하여 최적의 결합을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광결정 파손도 내에서 국소 편극성의 광학 고유모드 특성을 활용하여 원형 드롭 방출을 방향성 있게 제어할 수 있는가?
• RQ2 실제 나노광학 구조에서 원형 드롭 방출을 단일 광학 경로로 결합하는 최대 효율은 얼마인가?
• RQ3 광결정 파손도에서 파장과 드롭 편극성에 따라 방출 방향성의 공간 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 파손도 기하학적 구조는 원형 드롭 방출의 결합 효율과 방향성에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 고전적 드롭 소스는 나노광학 시스템에서 스핀-광자 결합을 연구하기 위해 양자 발광체 거동을 정확히 모사할 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 측정된 원형 드롭과 광학 경로 간의 결합 효율은 0.8 ± 0.1에 도달하여 근접한 단일 효율을 입증한다.
• 방출 방향성의 공간 맵은 좌측 원형 편광 드롭이 특정 파손도 방향으로, 우측 원형 편광 드롭은 반대 방향으로 선호적으로 결합하는 것으로 나타나 편극성-경로 제어를 확인한다.
• 이론적 계산은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 구조화된 광학 모드 내에서 드롭-편극성 결합 모델의 타당성을 검증한다.
• 1575 nm에서 군속도 지수(ng)는 15이며, 특정 영역에서 방향성 효율(|ηdir|)이 0.8를 초과하여 강한 한 방향으로의 방출을 나타낸다.
• 파손도 기하학적 구조를 조정(슬립 두께 및 구멍 반경 증가)하면 밴드 구조가 이동하고 최대 결합 효율 |η(ω)|max가 증가하며, 특히 긴 파장에서 두드러진다.
• 이론적 모델링은 원형 전기 드롭의 경우 파손도 중심에서 최대 결합 효율이 0.99를 초과함을 확인하여 근접한 이상적인 성능을 나타낸다.