[論文レビュー] A quantum fiber-pigtail

Davide Cadeddu, Jean Teissier+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Near-Field Optical Microscopy参考文献 36被引用数 24

ひとこと要約

本論文では、円錐形フォトニックワイヤーに埋め込まれた半導体量子ドットを単一モード光ファイバーに直接結合する量子ファイバー・ピッグテイルを提案し、ファイバー出力で5.8%の光子収集効率を達成した。このデバイスは耐障害性があり、低温環境下でも安定して動作可能であり、70%を超える効率を実現する道筋を示しており、同時に電場センシングや定性的なプラズモンニクスへの応用も可能である。

ABSTRACT

We present the experimental realization of a quantum fiber-pigtail. The device consists of a semiconductor quantum-dot embedded into a conical photonic wire that is directly connected to the core of a fiber-pigtail. We demonstrate a photon collection efficiency at the output of the fiber of 5.8% and suggest realistic improvements for the implementation of a useful device in the context of quantum information. We finally discuss potential applications in scanning probe microscopy.

研究の動機と目的

• フォトニックトランペットに封入された量子ドットを標準光ファイバーに直接結合することで、耐障害的かつアライメントフリーな単一光子源の開発を目的とする。
• 従来の量子ドット光源における低い光子収集効率の課題を、直接ファイバー結合による解決を目的とする。
• スケーラブルで、液体ヘリウム温度でも安定したプラットフォームを実現し、量子情報システムへの統合を可能とする。
• 量子ファイバー・ピッグテイルがナノスケールの電場センシングや定性的なプラズモンニクスに応用可能かどうかを検討する。
• 現実的な設計改善によって70%を超える収集効率を達成可能かどうかを評価する。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーとディープリアクティブアイオンドエッチングを用いて、自己組織的形成したInAs量子ドットを110 nmの先端から110 nmの位置に埋め込んだ円錐形フォトニックワイヤー（フォトニックトランペット）を製造する。
• ガラスマイクロマニピュレーターを用いて単一のフォトニックワイヤーをピックアップ・アライメントし、紫外線硬化性で低フラーレンスな接着剤を用いて標準的な単一モードファイバーのコアに直接接着する。
• テーパー部における断面のモード拡張をアディアバティックに実現することで、ファイバーのコアとのモードマッチングを向上させ、放射損失を最小限に抑える。
• 非共鳴励起と高効率SiベースのCCDカメラを用いて、低温条件下でのデバイス特性を測定し、光励起スペクトルを測定する。
• 数値的シミュレーションにより、観測された5.8%のファイバー収集効率を予測・検証する。
• 外部電場による量子ドット発光のストarkシフトを測定することで、電場センシング性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニックトランペット内の量子ドットを標準光ファイバーに直接かつアライメントフリーで結合させることで、実用的な光子収集効率を達成できるか？
• RQ2 現実的な改良を加えた場合、このようなファイバー・ピッグテイル構成で達成可能な最大収集効率はどの程度か？
• RQ3 低温環境下でも信頼性高く動作するか、量子情報応用に適しているか？
• RQ4 このデバイスがナノスケールの電場センシング用スキャンプローブとしてどの程度の性能を示せるか？
• RQ5 金属アンテナに結合することで、定性的なプラズモン励起を可能にするか？

主な発見

• 量子ファイバー・ピッグテイルは、単一モードファイバー出力で5.8%の測定収集効率を達成しており、実験的・数値的両方の検証がなされた。
• 信号劣化を認めず、少なくとも3回の低温サイクルに耐えられる安定した動作を示しており、量子応用に適していることが確認された。
• 数値的シミュレーションにより、最適化された設計を採用すれば収集効率が70%を超える可能性があると示され、実用的量子情報システムへの応用が現実的であることが示された。
• 高いスペクトル純度とオンデマンド発光を実現しており、コンactな量子システムへの統合に適している。
• ファイバー・ピッグテイル先端の量子ドットは、理論的感度が最大20 (V/m)/√Hzに達し、1秒間で1個の電子電荷を4 µmの距離で検出可能である高感度電場センサーとして機能する。
• インジウムガリウムヒ素量子ドットの自発的励起率に起因し、帯域幅がギガヘルツ領域に近い高帯域幅センシングが可能である。