[论文解读] A quantum fiber-pigtail

Davide Cadeddu, Jean Teissier+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Near-Field Optical Microscopy参考文献 36被引用 24

一句话总结

本文提出一种量子光纤尾纤，可将锥形光子纳米线中的半导体量子点直接耦合至单模光纤，实现光纤输出处5.8%的光子收集效率。该器件支持稳定、低温运行，并为实现收集效率超过70%的单光子源提供了可行路径，同时适用于扫描探针显微镜中的电场传感与确定性等离子体学应用。

ABSTRACT

We present the experimental realization of a quantum fiber-pigtail. The device consists of a semiconductor quantum-dot embedded into a conical photonic wire that is directly connected to the core of a fiber-pigtail. We demonstrate a photon collection efficiency at the output of the fiber of 5.8% and suggest realistic improvements for the implementation of a useful device in the context of quantum information. We finally discuss potential applications in scanning probe microscopy.

研究动机与目标

• 通过将光子长号中的量子点直接耦合至标准光纤，开发一种坚固、免对准的单光子源。
• 通过实现直接光纤耦合，克服传统量子点光源中光子收集效率低下的挑战。
• 展示一种可扩展、低温稳定的平台，适用于集成至量子信息系统。
• 探索量子光纤尾纤作为扫描探针在纳米尺度电场传感与确定性等离子体学中的潜力。
• 评估通过实际设计改进实现>70%收集效率的可行性。

提出的方法

• 通过电子束光刻与深反应离子束蚀刻工艺制备锥形光子纳米线（光子长号），并在距尖端110 nm处嵌入自组装InAs量子点。
• 使用玻璃微操纵器拾取并对准单根光子纳米线，然后使用紫外固化、低荧光的胶水将其直接粘接至标准单模光纤的纤芯。
• 在锥形光子纳米线中实现绝热模场展宽，以改善与光纤纤芯的模场匹配，最大限度减少辐射损耗。
• 在低温条件下通过非共振激光激发并利用高效率Si基CCD相机测量光致发光光谱，对器件进行表征。
• 通过数值模拟预测并验证所观测到的5.8%光纤收集效率。
• 通过测量外部电场引起的量子点发射光谱的Stark位移，评估器件在电场传感中的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过将光子长号中的量子点直接、免对准地耦合至标准光纤，能否实现具有实用价值的光子收集效率？
• RQ2 在该光纤尾纤结构中，通过实际改进可实现的最大光子收集效率是多少？
• RQ3 该量子光纤尾纤能否在低温条件下可靠运行，适用于量子信息应用？
• RQ4 该器件在纳米尺度电场传感中作为扫描探针的性能可达到何种程度？
• RQ5 该器件能否通过与金属天线耦合实现确定性等离子体激发？

主要发现

• 量子光纤尾纤在单模光纤输出端实现了5.8%的实测光子收集效率，实验与数值模拟结果一致验证。
• 器件在至少三次低温循环中表现出稳定运行，无信号退化，证实其适用于量子应用。
• 数值模拟表明，通过优化设计，收集效率可超过70%，具备在实际量子信息系统中应用的潜力。
• 该器件支持高光谱纯度的单光子发射与按需操作，适用于紧凑型量子系统集成。
• 光纤尾纤尖端的量子点作为灵敏电场传感器，理论灵敏度可达20 (V/m)/√Hz，可在1秒内检测到4 µm距离处单个电子电荷。
• 该系统支持高带宽传感，由于InGaAs量子点的自发辐射速率，潜在带宽可接近GHz范围。