[论文解读] Attojoule all-optical switching with a single quantum dot

Deepak Sridharan, Ranojoy Bose+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2011

Photonic Crystals and Applications被引用 4

一句话总结

该论文展示了利用单个量子点强耦合于光子晶体腔波导实现全光开关，实现了14 aJ的记录最低开关能量，开关对比度达10 dB。该开关通过光致斯塔克位移改变腔体反射率，实现以亚飞焦耳能量控制信号脉冲路由，其超快泵浦-探测动力学带宽高达8.4 GHz。

ABSTRACT

We experimentally investigate the dynamic nonlinear response of a single quantum dot (QD) strongly coupled to a photonic crystal cavity-waveguide structure. The temporal response is measured by pump-probe excitation where a control pulse propagating through the waveguide is used to create an optical Stark shift on the QD, resulting in a large modification of the cavity reflectivity. This optically induced cavity reflectivity modification switches the propagation direction of a detuned signal pulse. Using this device we demonstrate all-optical switching with only 14 attojoules of control pulse energy. The response time of the switch is measured to be up to 8.4 GHz, which is primarily limited by the cavity-QD interaction strength.

研究动机与目标

• 实验研究单个量子点强耦合于光子晶体腔波导系统时的动态非线性响应。
• 利用单个量子点作为非线性介质，实现最小能量消耗的全光开关。
• 探索腔-量子点强耦合在集成光子电路中实现超低能耗光开关的潜力。
• 量化由单个点缺陷引起的非线性效应系统的开关能量与响应时间。
• 通过优化波导-腔耦合效率，评估实现单光子级开关的可行性。

提出的方法

• 采用光谱失谐的信号脉冲与控制脉冲，通过光栅耦合器注入光子晶体波导，实现泵浦-探测激发。
• 利用时间分辨测量技术，追踪量子点斯塔克位移引起的腔体反射率的光学诱导变化。
• 测量信号散射强度相对于控制脉冲能量的变化，以定义开关对比度。
• 将实验数据拟合至形式为 $\rho(E) = 1/(1 + E/E_0)^2$ 的理论模型，以提取开关能量 $E_{\text{switch}}$。
• 利用量子回归理论与功率谱分析，计算波导耦合效率 $\eta = 1.4 \times 10^{-3}$。
• 采用半经典的斯塔克位移模型对非线性响应进行建模，预测开关能量随光谱失谐的变化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全光控制下，单个量子点-腔系统可实现的最小开关能量是多少？
• RQ2 控制脉冲与量子点之间的光谱失谐如何影响开关能量与效率？
• RQ3 在强耦合腔-量子点系统中，是什么限制了开关带宽？
• RQ4 在单个发射体中，通过光学斯塔克效应对非线性响应的控制程度如何？
• RQ5 波导与腔之间的耦合效率是否可被精确量化，以实现能量缩放预测？

主要发现

• 该器件在量子点共振频率12 GHz失谐处实现了14 aJ的开关能量，对应信号散射的10 dB对比度。
• 开关能量在低极化子模附近最小化，理论预测的最小值出现在13.4 GHz失谐处，与实验数据一致。
• 测得的开关带宽高达8.4 GHz，主要受限于腔-量子点耦合强度。
• 实验测得的波导耦合效率为 $\eta = 1.4 \times 10^{-3}$，实现了精确的能量标定。
• 能量耗散上限为5 aJ，对应于注入腔体的控制能量比例。
• 采用半经典斯塔克位移模型的理论建模与实验中不同失谐下的开关能量趋势高度吻合。