[論文レビュー] Attojoule all-optical switching with a single quantum dot

Deepak Sridharan, Ranojoy Bose+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2011

Photonic Crystals and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、光子結晶キャビティ-波導系に強く結合された1つの量子ドットを用いたすべて光的スイッチングを実証し、14アトジュールという記録的な低スイッチングエネルギーを達成した。10 dBの対比を得ており、スイッチは光誘起ストarkシフトによってキャビティの反射率を変化させることで動作し、10フェムトジュール未満のエネルギーで信号パルスのルーティングを制御可能である。このスイッチは最大8.4 GHz帯域幅の超高速ポンプ・プローブダイナミクスを用いる。

ABSTRACT

We experimentally investigate the dynamic nonlinear response of a single quantum dot (QD) strongly coupled to a photonic crystal cavity-waveguide structure. The temporal response is measured by pump-probe excitation where a control pulse propagating through the waveguide is used to create an optical Stark shift on the QD, resulting in a large modification of the cavity reflectivity. This optically induced cavity reflectivity modification switches the propagation direction of a detuned signal pulse. Using this device we demonstrate all-optical switching with only 14 attojoules of control pulse energy. The response time of the switch is measured to be up to 8.4 GHz, which is primarily limited by the cavity-QD interaction strength.

研究の動機と目的

• 単一の量子ドットが光子結晶キャビティ-波導系に強く結合された系における動的非線形応答を実験的に調査すること。
• 単一の量子ドットを非線形媒質として用いて、最小限のエネルギー消費ですべて光的スイッチングを実現すること。
• キャビティ-QD強い結合が統合光回路における超低エネルギー光スイッチングを可能にする可能性を探ること。
• 非線形効果が単一発光子から生じる系において、スイッチングエネルギーと応答時間を定量すること。
• 波ガイド-キャビティ結合効率を最適化することで、1光子レベルのスイッチングを達成する可能性を評価すること。

提案手法

• グレーティング・コアプラを介して、スペクトル的にずれた信号パルスと制御パルスを光子結晶波導に注入し、ポンプ・プローブ励起を実施した。
• 時間分解測定を用いて、量子ドットのストarkシフトに起因するキャビティ反射率の光誘起変化を追跡した。
• 制御パルスエネルギーの関数としての信号散乱強度の相対的変化を測定し、スイッチング対比を定義した。
• 実験データを形式 $\rho(E) = 1/(1 + E/E_0)^2$ の理論モデルにフィットさせ、スイッチングエネルギー $E_{\text{switch}}$ を抽出した。
• 量子レジーム理論とパワースペクトル解析を用いて、波ガイド結合効率 $\eta = 1.4 \times 10^{-3}$ を計算した。
• 半古典的ストarkシフトモデルを用いて非線形応答をモデル化し、スペクトル的デチューニングに依存するスイッチングエネルギーの依存関係を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべて光的制御を用いた単一の量子ドット-キャビティ系で達成可能な最小スイッチングエネルギーは何か？
• RQ2 制御パルスと量子ドットの間のスペクトル的デチューニングが、スイッチングエネルギーと効率にどのように影響するか？
• RQ3 強い結合キャビティ-QD系におけるスイッチング帯域幅の上限は何によって制限されるか？
• RQ4 単一発光子から生じる非線形応答は、光誘起ストark効果によってどの程度制御可能か？
• RQ5 波ガイドとキャビティ間の結合効率は、正確に定量可能か？その結果、エネルギースケーリングの予測が可能になるか？

主な発見

• 12 GHzのQD共鳴周波数からのデチューニングにおいて、14アトジュールのスイッチングエネルギーを達成し、信号散乱の10 dBの対比を実現した。
• スイッチングエネルギーは下部ポラリトンモード付近で最小化され、理論的最小値は13.4 GHzデチューニングで予測されており、実験データと整合的である。
• 測定されたスイッチング帯域幅は最大8.4 GHzに達し、主にキャビティ-QD結合強度によって制限されている。
• 波ガイド結合効率は実験的に $\eta = 1.4 \times 10^{-3}$ と決定され、正確なエネルギーキャリブレーションを可能にした。
• エネルギー散逸は5アトジュール未満に上限付けられており、これは制御エネルギーのうちキャビティに結合された割合に対応する。
• 半古典的ストarkシフトモデルを用いた理論的モデリングは、さまざまなデチューニングにおける実験的スイッチングエネルギーの傾向と良好に一致した。