[论文解读] Bidirectional photon extraction from an epitaxially grown semiconductor quantum dot sandwiched by single mode optical fibers

H. Sasakura, X. Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2012

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 21被引用 11

一句话总结

该论文展示了一种鲁棒、无需对准的双向单光子发射器，其核心为外延生长的InAs量子点，夹在两根单模光纤（SMFs）之间。通过将外延层薄片机械固定在两根光纤端面，系统实现了双向稳定、长期的非经典光子提取，第二阶相关性测量显示g²(0) = 0.28 ± 0.05，表明强反聚束特性。

ABSTRACT

Fiber-based bidirectional photon extraction from nanoscale emitters and photon antibunching behavior between two outputs of two single mode optical fibers are experimentally demonstrated. Flakes of the epitaxial layer containing the InAs quantum dots (QDs) are fixed mechanically by both side with the edge faces of the single-mode-fiber (SMF) patch cables. The emitting photons from the single quantum dot are directly taken out of both side through the SMFs. Single-photon emission between two SMF outputs is confirmed by detecting non-classical antibunching in second-order photon correlation measurements with two superconducting single-photon detectors (SSPDs) and a time-amplitude converter (TAC). This simple opto-mechanical alignment-free single-photon emitter has advantage of robust stability more than 10 days and low-cost fabrication.

研究动机与目标

• 开发一种与现有光纤基础设施兼容、稳定、低成本且无需对准的固态单光子源。
• 通过单模光纤与半导体量子点直接接触，实现从单个半导体量子点双向光子提取。
• 在量子信息应用中，证明两个光纤输出端均存在非经典光子发射（光子反聚束）。
• 与传统的微腔或锥形光纤耦合方法相比，提升长期稳定性并降低制造复杂度。

提出的方法

• 采用分子束外延法在GaAs衬底上外延生长InAs量子点，控制其高度为2.8 nm。
• 使用金刚石刀具机械剥离外延层薄片（直径1–20 µm，厚度约2.8 nm）。
• 通过静电作用将薄片固定在两根FC/PC单模光纤跳线的端面。
• 采用FC/PC-FC/PC连接器机械固定薄片，形成双向发射器。
• 使用830 nm激光二极管激发光子发射，通过光谱滤波（0.5 nm带通、长波通滤波器）分离量子点发射光。
• 利用两个超导单光子探测器（SSPDs）和时间-幅度转换器（TAC）测量二阶光子相关性，时间通道分辨率为244 ps。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个半导体量子点能否通过标准单模光纤稳定地双向发射单光子？
• RQ2 量子点薄片与两根SMF之间直接机械接触，是否可在无需光机电对准的情况下实现非经典光子发射？
• RQ3 双向输出中的光子反聚束程度如何？其随激发功率的变化规律是什么？
• RQ4 该结构能否实现长期稳定性（>10天）和低成本制造，以满足实际量子光子学应用需求？

主要发现

• 系统在两个光纤输出端均表现出明显的光子反聚束，第二阶相关函数g²(0) = 0.28 ± 0.05（激发功率为5.6 W/cm²），证实了非经典单光子发射。
• 随着激发功率降低，反聚束深谷宽度增加，在1.27 W/cm²时全宽半高值达到约2.24 ns，表明该深谷并非受限于辐射寿命。
• 系统在无需主动对准的情况下稳定运行超过10天，展示了优异的机械与光学稳定性。
• 在5.6 W/cm²激发功率下，测得光子计数率约为16 kHz，探测效率约为15%，每个SSPD的暗计数率约为50 cps。
• 由于多个量子点的弱耦合及残余激光反射，观测到背景光子，但通过光谱滤波有效抑制。
• 双向提取方案可实现光子对无损路由至独立光纤，有利于量子通信与纠缠分发。