[论文解读] An integrated whispering-gallery-mode resonator for solid-state coherent quantum photonics

Arianne Brooks, Xiao‐Liu Chu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 63被引用 18

一句话总结

本文展示了一种集成的GaAs微盘回音壁模式谐振器，其中嵌入自组装量子点，通过共振耦合实现波导之间相干光子路由。在测量到的Purcell因子为6.9 ± 0.9且加载Q因子约为10,000的条件下，该系统实现了光子的相干散射以及单光子级控制，且每个腔寿命所需光子数少于一个，从而实现了确定性的量子光子开关。

ABSTRACT

Tailored photonic cavities allow enhancing light-matter interaction ultimately to create a fully coherent quantum interface. Here, we report on an integrated microdisk cavity containing self-assembled quantum dots to coherently route photons between different access waveguides. We measure a Purcell factor of $F_{exp}=6.9\pm0.9$ for a cavity quality factor of about 10,000, allowing us to observe clear signatures of coherent scattering of photons by the quantum dots. We show how this integrated system can coherently re-route photons between the drop and bus ports, and how this routing is controlled by detuning the quantum dot and resonator, or through the strength of the excitation beam, where a critical photon number less than one photon per lifetime is required. We discuss the strengths and limitations of this approach, focusing on how the coherent scattering and single-photon nonlinearity can be used to increase the efficiency of quantum devices such as routers or Bell-state analyzers.

研究动机与目标

• 开发一种基于集成回音壁模式谐振器与量子点的片上全相干量子光子接口。
• 通过Purcell增强降低对噪声的敏感性，以克服光谱扩散引起的退相干。
• 通过量子点-腔体失谐或激发功率调控，实现波导端口间单光子的相干可切换路由。
• 量化光谱扩散及其温度依赖性对相干性和消光效率的限制作用。
• 利用单光子非线性效应，实现低功耗、确定性的量子操作，如光子路由与贝尔态分析。

提出的方法

• 利用电子束光刻与反应离子/电感耦合等离子体刻蚀技术，制备半径为3.5 µm的GaAs/AlGaAs微盘谐振器。
• 实现倏逝耦合的单模波导与光栅耦合器，用于片上光学激发与探测。
• 采用有限元方法（COMSOL）模拟模式分布、有效模式体积（V_eff ≈ 18–22(λ/n)³），理论Q因子最高可达10¹³。
• 在7 K低温下进行测量以最小化热噪声，激光激发波长为810 nm（Ti:Sapphire），探测波长为940 nm。
• 对腔体透射谱进行洛伦兹拟合，提取加载Q因子（Q_exp ≈ 10,600 ± 4,700）与线宽（κ ≈ 36.68 GHz）。
• 采用两能级系统模型模拟量子点动力学，包含辐射衰减速率γ_cav与γ_leak，并将光谱扩散（σ_sd）作为温度相关的退相干源引入。

实验结果

研究问题

• RQ1 集成的嵌入自组装量子点的微盘谐振器能否在直通波导与下路波导之间实现相干光子路由？
• RQ2 Purcell增强在缓解光谱扩散并实现单光子级相干散射中起到何种作用？
• RQ3 临界耦合条件（间隙宽度40–160 nm）如何影响加载Q因子与直通/下路端口的透射深度？
• RQ4 光谱扩散在多大程度上限制了量子点的最大消光，其与温度和失谐的关系如何？
• RQ5 能否通过量子点-腔体失谐或激发功率实现光子路由的控制，且实现亚单光子操作？

主要发现

• 系统测得的Purcell因子为F_exp = 6.9 ± 0.9，对应加载Q因子约10,000，证实了强光-物质耦合。
• 所有模式的平均加载Q因子为10,600 ± 4,700，其中一阶模式的Q值（13,600 ± 5,400）高于二阶模式（9,300 ± 4,900）。
• 观察到来自量子点的光子相干散射，当处于共振时，下路端口的消光可达未掺杂腔体响应的1.2倍。
• 光谱扩散（σ_sd）随温度和失谐线性增长，在4 K时σ_sd ≈ 0.6 GHz，使最大消光较理想共振状态降低约20%。
• 通过调节量子点-腔体失谐或激发功率，可实现光子路由的相干控制，且操作所需临界光子数少于每个腔寿命一个。
• 理论建模表明，由于光谱扩散的存在，最大消光并非出现在δ = 0处；将σ_sd引入模型后，理论与实验数据吻合度显著提高（R² = 0.96）。