[论文解读] Nanophotonic control of circular dipole emission: toward a scalable solid-state to flying-qubits interface

B. le Feber, Nir Rotenberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2014

Photonic and Optical Devices参考文献 40被引用 6

一句话总结

该论文通过使用经典可调谐偶极子源，在硅光子晶体波导中实现了将圆形偶极子发射定向至特定光子路径的近统一效率（0.8 ± 0.1）。通过映射圆形偶极子与波导本征模之间具有空间依赖性的耦合关系，特别是利用局域手性特性，实现了确定性的自旋-路径耦合，从而实现了固态量子比特与飞行量子比特之间可扩展的片上量子接口。

ABSTRACT

Controlling photon emission by single quantum emitters with nanostructures is crucial for scalable on-chip quantum information processing. Nowadays nanoresonators can affect the lifetime of emitters and ultimately induce strong coupling between the emitters and the light field, while nanoantennas can control the directionality of the emission. Expanding this control to the manipulation of the emission of orbital angular momentum-changing transitions would enable coupling between long-lived solid-state qubits and flying qubits. As these transitions are associated with circular rather than linear dipoles, such control requires detailed knowledge of the spatially dependent interaction of a complex dipole with highly structured optical eigenstates containing local helicity. Using a classical analogue, we experimentally map the coupling of circular dipoles to photonic modes in a model structure, a photonic crystal waveguide. We show that depending on the local helicity the dipoles can be made to couple to modes either propagating to the left or to the right. The maps are in excellent agreement with calculations. Our measurements, therefore, demonstrate the coupling of spin to photonic pathway with near-unity (0.8 $\pm$ 0.1) efficiency.

研究动机与目标

• 通过纳米光子学控制圆形偶极子发射，实现长寿命固态量子比特与飞行光子量子比特之间的确定性耦合。
• 映射圆形偶极子与光子晶体波导中具有局域手性的本征模之间的空间依赖性相互作用。
• 证明发射体跃迁偶极子的手性可用于实现沿波导的单向发射。
• 基于弱耦合极限下经典偶极子辐射的严格理论框架，验证实验结果。
• 通过将自旋量子比特与光子路径相连接，建立可扩展的片上量子信息处理平台。

提出的方法

• 使用可调谐近场光学显微镜探针模拟线性与圆形跃迁偶极子，从而实现来自经典源的受控发射。
• 通过扫描探针在光子晶体波导表面移动，生成发射方向性与增强效应的高分辨率空间图。
• 在多个波长（1575 nm、1585 nm、1592 nm）下测量发射，以评估波长相关的耦合效率。
• 理论计算模拟了偶极子靠近波导时的辐射行为，包括偶极子手性在具有局域手性的波导本征模上的投影。
• 计算并比较方向性效率（ηdir）与耦合效率（|η|）与实验数据，以验证结果。
• 系统采用220 nm厚硅膜和120 nm半径孔洞的光子晶体波导，通过调节结构参数以优化耦合性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过光子本征模的局域手性，在光子晶体波导中实现对圆形偶极子发射的方向性控制？
• RQ2 在真实纳米光子结构中，圆形偶极子发射耦合至单一光子路径的最大效率是多少？
• RQ3 在光子晶体波导中，发射方向性的空间分布如何随波长和偶极子手性而变化？
• RQ4 波导几何形状在多大程度上影响圆形偶极子发射的耦合效率与方向性？
• RQ5 经典偶极子源能否准确模拟量子发射体行为，以研究纳米光子系统中自旋-光子耦合？

主要发现

• 实验测得的圆形偶极子与光子路径之间的耦合效率达到0.8 ± 0.1，证明了近统一效率。
• 发射方向性的空间图显示，左旋与右旋圆偏振偶极子分别优先耦合至波导的相反方向，证实了手性-路径耦合控制。
• 理论计算与实验数据高度一致，验证了结构化光子模中偶极子-手性耦合模型的正确性。
• 在1575 nm波长下，群速度群指数（ng）为15，方向性效率（|ηdir|）在特定区域超过0.8，表明具有强单向发射特性。
• 调节波导几何参数（增加膜厚与孔半径）可改变能带结构，并提高最大耦合效率|η(ω)|max，尤其在长波长区域更为显著。
• 理论建模证实，在波导中心处，圆形电偶极子的最大耦合效率超过0.99，表明性能接近理想状态。