[論文レビュー] Bidirectional photon extraction from an epitaxially grown semiconductor quantum dot sandwiched by single mode optical fibers

H. Sasakura, X. Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2012

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 21被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、エpi成長したInAs量子ドットを2本の単モード光ファイバー（SMF）の間に挟み込むことで、アライメント不要で双方向に単一光子を発生させる安定的で強固な光源を実証した。機械的固定によりエピ層のフラクタルを両ファイバー端に固定し、非古典的光子の長時間にわたる両方向からの効率的抽出を達成した。第二位相相関測定によりg²(0) = 0.28 ± 0.05が得られ、強い反バンチングが確認された。

ABSTRACT

Fiber-based bidirectional photon extraction from nanoscale emitters and photon antibunching behavior between two outputs of two single mode optical fibers are experimentally demonstrated. Flakes of the epitaxial layer containing the InAs quantum dots (QDs) are fixed mechanically by both side with the edge faces of the single-mode-fiber (SMF) patch cables. The emitting photons from the single quantum dot are directly taken out of both side through the SMFs. Single-photon emission between two SMF outputs is confirmed by detecting non-classical antibunching in second-order photon correlation measurements with two superconducting single-photon detectors (SSPDs) and a time-amplitude converter (TAC). This simple opto-mechanical alignment-free single-photon emitter has advantage of robust stability more than 10 days and low-cost fabrication.

研究の動機と目的

• 既存の光ファイバーインfraに適合する安定的で低コストかつアライメント不要な固体状態単一光子源の開発。
• 単一モード光ファイバーとの直接接触を用いて、半導体量子ドットから双方向への光子抽出を達成すること。
• 量子情報応用を想定し、両ファイバー出力で非古典的光子放出（光子反バンチング）を実証すること。
• 従来のマイクロキャビティやテーパー加工ファイバー結合法と比較して、長期的安定性を向上させ、プロセスの複雑さを低減すること。

提案手法

• 分子線エpitaxial法を用いて、GaAs基板上に高さ2.8 nmの制御されたInAs量子ドットを成長させた。
• ダイヤモンドカッターを用いて、エピ層のフラクタル（直径1–20 µm、厚さ約2.8 nm）を機械的剥離した。
• フラクタルを2本のFC/PC接続の単一モード光ファイバープルーブケーブルの端面に静電的力で接着した。
• FC/PC-FC/PCコネクタにより、フラクタルを2本のファイバー間で機械的に固定し、双方向発光素子を形成した。
• 830 nmのレーザーダイオードを用いて光子放出を励起し、スペクトルフィルタ（0.5-nmバンドパス、ロングパスフィルタ）を用いて量子ドットの発光を分離した。
• 2台の超伝導単一光子検出器（SSPD）と時間振幅コンバータ（TAC）を用いて第二位相相関を測定し、時間チャンクは244 psとした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な単一モード光ファイバーを介して、1つの半導体量子ドットが安定的に両方向に単一光子を発生させることができるか？
• RQ2 量子ドットフラクタルと2本のSMFとの直接的な機械的接触が、光起電圧的アライメントを要せず非古典的光子放出を可能にするか？
• RQ3 双方向出力における光子反バンチングの度合いは何か？また、励起パワーに応じてどのように変化するか？
• RQ4 この構成は、実用的な量子フォトニクスに適した10日間以上の長期安定性と低コストなプロセスを達成できるか？

主な発見

• 両ファイバー出力で明確な光子反バンチングが観測され、励起パワー5.6 W/cm²における第二位相相関関数g²(0) = 0.28 ± 0.05が得られ、非古典的単一光子放出が確認された。
• 反バンチングディップの幅は励起パワーが低下するにつれて広がり、1.27 W/cm²で全幅半最大幅が約2.24 nsに達した。これは、ディップが放射寿命によって制限されていないことを示している。
• 本システムは、アクティブなアライメントを一切行わずに10日以上にわたって安定した動作を維持し、機械的および光学的安定性の高さを実証した。
• 5.6 W/cm²における測定光子カウントレートは約16 kHz、検出効率は約15%、SSPDあたりのダークカウントレートは約50 cpsであった。
• 複数のQDによる弱い結合および残余レーザー反射によりバックグラウンド光子が観測されたが、スペクトルフィルタで抑制された。
• 双方向抽出方式により、光子対を損失のない形で別々のファイバーにルーティング可能であり、量子通信やもつれ配分に有益である。