[論文レビュー] Fiber-integrated single photon source of high efficiency based on a concept of ultra-broadband optical horn antenna

Thierry Grosjean, Mathieu Mivelle+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 15被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、単一量子発光子と標準的なSMF-28ファイバー間の高効率結合を実現するために、超広帯域光ホーンアンテナをファイバー統合型単一光子源に応用する手法を提案する。マイクロ波ホーンアンテナの原理を光周波数で再現することで、7°の放出コーン内に最大85%の放射指向性を達成し、1000 nmを超える帯域幅において最大70%のエネルギー転送効率を実現。1550 nm中心の1000 nmスペクトル範囲において50%を超える効率が維持される。

ABSTRACT

We theoretically demonstrate a fiber-integrated single photon source of unprecedented efficiency. This fiber single photon source is achieved by coupling optically a single quantum emitter to a monomode optical fiber with a new concept of ultra-broadband optical antenna. Such an optical antenna concept is the result of the transposition to optical frequencies of the well-known low-frequency horn antenna The optical horn antenna is here shown to be capable of directing the radiation from the emitter toward the optical fiber and efficiently phase-matching the photon emission with the fiber mode. Numerical results show that an optical horn antenna can funnel up to 85% of the radiation from a dipolar source within an emission cone semi-angle as small as 7 degrees (antenna directivity of 300). It is also shown that 50% of the emitted power from the dipolar source can be collected and coupled to an SMF-28 fiber mode over spectral ranges larger than 1000 nm, with a maximum energy transfer reaching 70 %. This approach is highly promising in the engineering of all-fiber "on-demand" single photon sources for telecommunication, quantum optics and sensing.

研究の動機と目的

• 全方向的量子発光子の放射と低NA光ファイバー間の低結合効率という課題に対処する。
• 既存のマイクロ/ナノ構造がファイバー位相一致およびファイバー内伝搬に最適化されていないという制限を克服する。
• 量子通信およびセンシング用途に向け、標準光ファイバー内で広帯域かつ高効率の単一光子収集とガイドを実現する。
• 最小限の損失と広いスペクトル耐性を備えた、オンデマンド単一光子源のファイバー統合プラットフォームを開発する。
• 誘電体ホーン構造を用いて、基本モードの位相一致励起を実証する。

提案手法

• 誘電体波導体を自由空間インピーダンスに一致するよう拡張させることで、マイクロ波ホーンアンテナの原理を光周波数に適応する。
• 波長の1/4の位置に金鏡から離れた位置に、波長より小さいデュポール量子発光子を誘電体波導体に接触配置させ、構築的干渉を実現する。
• 屈折率n = 1.52の42 µm長の誘電体波導体を用い、波面を徐々に変換することで、自由空間へのインピーダンス整合を実現する。
• 有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを用いて、電磁界分布および放射パターンをモデル化する。
• 発光子の放射パターンをSMF-28ファイバーの基本モードに投影することで、結合効率を計算する。
• 1550 nm中心の1000 nm範囲で結合効率を評価することにより、スペクトル帯域幅を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光ホーンアンテナの概念は、単一モードファイバーのモードと高い指向性および位相一致を達成できるか？
• RQ2 本アンテナ設計を用いた場合、単一量子発光子とSMF-28ファイバー間で達成可能な最大結合効率はどの程度か？
• RQ3 50%以上の高い結合効率を維持できるスペクトル帯域幅はどの程度広いか？
• RQ4 アンテナ設計は、狭帯域のスペクトル調整を必要とせずに、効率的で広帯域かつファイバー結合可能な単一光子放出を可能にするか？
• RQ5 アンテナの幾何形状は、光周波数における指向性およびインピーダンス整合にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 光ホーンアンテナは、300の指向性（7°の全放出コーンに相当）を達成し、デュポール発光子の放射エネルギーの最大85%を狭いビームに集中させる。
• 量子発光子からSMF-28ファイバーのモードへの最大エネルギー転送効率は70%に達し、1000 nmを超えるスペクトル帯域幅において50%以上の効率が維持される。
• 1550 nm中心の1000 nmスペクトル範囲において、結合効率が50%を超えるまま維持され、超広帯域動作を実証した。
• 本設計により、発光子の放射と標準単一モードファイバーの基本モードとの間で効率的な位相一致が実現され、低損失のファイバー内伝搬が可能になる。
• アンテナ構造は、自由空間における高い指向性と効率的なファイバー結合の両方を実現しており、統合量子フォトニクスネットワークに適している。
• 数値シミュレーションにより、発光子の位置や波長の広い範囲にわたりアンテナの性能が安定しており、実用的妥当性が検証された。