[論文レビュー] Broad-band spectral control of single photon sources using a nonlinear photonic crystal cavity

Murray W. McCutcheon, Darrick E. Chang+3 more|ArXiv.org|Mar 26, 2009

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、量子発光体からの発光を直接周波数シフトすることで、単一光子の広帯域スペクトル制御を可能にする非線形フォトニッククリスタルキャビティを提案する。この手法は、位相一致を要しない高効率な波長変換を実現し、通信帯域への変換を実現する。これは、Q ≈ 1.2×10⁷ および Vₙ ≈ 0.77 を有する高QのTE-TMデュアルモードGaAsキャビティを用いて達成され、所望の周波数および帯域幅でチップ内、オンデマンドの単一光子生成を可能にする。

ABSTRACT

Motivated by developments in quantum information science, much recent effort has been directed toward coupling individual quantum emitters to optical microcavities. Such systems can be used to produce single photons on demand, enable nonlinear optical switching at a single photon level, and implement functional nodes of a quantum network, where the emitters serve as processing nodes and photons are used for long-distance quantum communication. For many of these practical applications, it is important to develop techniques that allow one to generate outgoing single photons of desired frequency and bandwidth, enabling hybrid networks connecting different types of emitters and long-distance transmission over telecommunications wavelengths. Here, we propose a novel approach that makes use of a nonlinear optical resonator, in which the single photon originating from the atom-like emitter is directly converted into a photon with desired frequency and bandwidth using the intracavity nonlinearity. As specific examples, we discuss a high-finesse, TE-TM double-mode photonic crystal cavity design that allows for direct generation of single photons at telecom wavelengths starting from an InAs/GaAs quantum dot with a 950 nm transition wavelength, and a scheme for direct optical coupling of such a quantum dot with a diamond nitrogen-vacancy center at 637 nm.

研究の動機と目的

• 長距離量子通信に適した特定の実用的波長（例えば通信帯）で単一光子を生成する課題に対処すること。
• 量子発光体の固定された発光波長の制限を克服し、キャビティ内非線形性を用いた直接周波数変換を可能にすること。
• 効率的かつオンデマンドの単一光子生成が可能で、周波数特性をチューナブルに制御できるコンactな統合フォトニクスプラットフォームの設計。
• 異なる発光体（例えば、InAs量子ドットとNVセンター）を1つのキャビティ内でスペクトル変換により結合することで、異種量子ネットワークの実現。

提案手法

• TEおよびTMモードを設計した非線形フォトニッククリスタルナノビームキャビティを用い、強い光-物質相互作用と非線形周波数変換を実現する。
• 三準位量子発光体（例えば量子ドットまたはNVセンター）をキャビティモードに結合し、外部レーザーがRabiパルスを駆動することで単一励起状態を生成する。
• 励起状態がキャビティモードにコherentに転送され、キャビティ内非線形相互作用（χ⁽²⁾を介して）により、TEモードとTMモード間の周波数差分生成が実現される。
• 非線形結合は、電気双極子-キャビティ相互作用項と非線形相互作用項を含むハミルトニアンによりモデル化され、有効結合定数g₂は3次元-FDTDモードプロファイルと材料の非線形性から計算される。
• 厳密な位相一致制約に依存せず、高Q/V比に依存した効率を実現する。波ガイド出力は、キャビティダイナミクスの断続的除去によって形状付けられる。
• 楕円形ホールとホールサイズおよび間隔の4周期のテーパーを用いてキャビティ幾何形状を最適化し、TEモードおよびTMモードの両方のQファクターを独立して向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形フォトニッククリスタルキャビティは、位相一致条件を要さずに、量子発光体からの単一光子の効率的かつ広帯域スペクトル制御を可能にするか？
• RQ2 可視光帯から通信帯への周波数変換を効率的に行うために、Q/V比と非線形結合を最大化するキャビティ設計は何か？
• RQ3 1つのキャビティが、量子発光体への強い結合と非線形周波数変換を同時に実現し、オンデマンドの単一光子生成を可能にするか？
• RQ4 このプラットフォームは、異なる発光体（例えば、InAs量子ドットとNVセンター）をスペクトル変換により直接結合可能か？
• RQ5 この手法を用いた場合、生成された単一光子の実現可能な帯域幅およびスペクトル忠実度は何か？

主な発見

• 提案されたGaAsベースのTE-TMデュアルモードフォトニッククリスタルキャビティは、TEモードに対してQファクター1.2×10⁷、TMモードに対して7.3×10⁴を達成し、それぞれモード体積Vₙは0.77および1.45である。
• 高い場強度重なりとGaAsにおける強いχ⁽²⁾（550 pm/V）のおかげで、非線形結合定数g₂が顕著に大きくなり、効率的な周波数変換が可能である。
• 位相一致制約なしに、InAs量子ドットから発する950 nm光子を差周波数生成により通信帯（1425 nm）に直接周波数下変換可能である。
• 2.85 µmのポンプ波長（ω_b）がx軸方向に偏光され、yおよびz偏光キャビティモード間のχ⁽²⁾媒介変換に必要な対称性を満たしている。
• 理論的解析により、出力光子波動関数がキャビティ振幅c_c(t)に直接比例することが示され、外部Rabi駆動Ω(t)を介してスペクトル形状および帯域幅を完全に制御可能である。
• 高Q/V比に依存した高効率を実現しており、最大変換効率は位相一致に依存せずQ/Vにのみ依存するため、耐障害性が高く、スケーラブルである。