[论文解读] Broad-band spectral control of single photon sources using a nonlinear photonic crystal cavity

Murray W. McCutcheon, Darrick E. Chang+3 more|ArXiv.org|Mar 26, 2009

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种非线性光子晶体微腔，通过利用腔内非线性效应直接对量子发射器的发射进行频率位移，实现了对单光子的宽带谱控制。该方法实现了高效、无需相位匹配的波长转换至电信频段——已在InAs/GaAs量子点和金刚石NV中心上得到验证——通过一个高Q值的TE-TM双模GaAs微腔（Q ≈ 1.2×10⁷，Vₙ ≈ 0.77），实现了芯片级、按需生成特定频率和带宽的单光子。

ABSTRACT

Motivated by developments in quantum information science, much recent effort has been directed toward coupling individual quantum emitters to optical microcavities. Such systems can be used to produce single photons on demand, enable nonlinear optical switching at a single photon level, and implement functional nodes of a quantum network, where the emitters serve as processing nodes and photons are used for long-distance quantum communication. For many of these practical applications, it is important to develop techniques that allow one to generate outgoing single photons of desired frequency and bandwidth, enabling hybrid networks connecting different types of emitters and long-distance transmission over telecommunications wavelengths. Here, we propose a novel approach that makes use of a nonlinear optical resonator, in which the single photon originating from the atom-like emitter is directly converted into a photon with desired frequency and bandwidth using the intracavity nonlinearity. As specific examples, we discuss a high-finesse, TE-TM double-mode photonic crystal cavity design that allows for direct generation of single photons at telecom wavelengths starting from an InAs/GaAs quantum dot with a 950 nm transition wavelength, and a scheme for direct optical coupling of such a quantum dot with a diamond nitrogen-vacancy center at 637 nm.

研究动机与目标

• 为解决在长距离量子通信中生成特定实用波长（如电信频段）单光子的挑战。
• 通过利用腔内非线性效应，克服量子发射器发射波长固定的限制，实现直接频率转换。
• 设计一种紧凑、集成化的光子平台，支持高效、按需生成具有可调谱特性的单光子。
• 通过在单一微腔中实现光谱转换，促进异质量子网络的构建，实现不同发射器（如InAs量子点和NV中心）的直接耦合。

提出的方法

• 该系统采用具有工程化TE和TM模式的非线性光子晶体纳米梁微腔，以支持强光-物质相互作用和非线性频率转换。
• 将一个三能级量子发射器（如量子点或NV中心）耦合至腔模，外部激光驱动拉比脉冲以产生单激发。
• 激发被相干地转移至腔模，腔内非线性相互作用（通过χ⁽²⁾）实现了TE与TM模之间的差频生成。
• 通过包含偶极-腔耦合项和非线性相互作用项的哈密顿量对非线性耦合进行建模，有效耦合强度g₂由三维FDTD模场分布和材料非线性特性计算得出。
• 系统设计无需严格相位匹配约束，而是依赖于高Q/V比实现高效转换，输出光场通过绝热消除腔动力学过程进行整形。
• 通过采用椭圆形孔洞及孔径与间距的4周期渐变结构，对微腔几何形状进行优化，以独立增强TE和TM模的Q因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性光子晶体微腔是否能够在无需相位匹配条件的情况下，实现对量子发射器单光子的高效、宽带谱控制？
• RQ2 何种微腔设计可最大化Q/V比和非线性耦合强度，以实现从可见光到电信波段的高效频率转换？
• RQ3 如何使单一微腔同时支持与量子发射器的强耦合以及非线性频率转换，以实现按需单光子生成？
• RQ4 该平台是否能够通过光谱转换实现不同量子发射器（如InAs量子点和NV中心）之间的直接耦合？
• RQ5 该方法生成的单光子可实现的带宽和谱保真度如何？

主要发现

• 所提出的基于GaAs的TE-TM双模光子晶体微腔在TE模下实现了Q因子1.2×10⁷，TM模下为7.3×10⁴，对应的模体积Vₙ分别为0.77和1.45。
• 由于强场重叠和GaAs中显著的χ⁽²）（550 pm/V），非线性耦合强度g₂被计算为显著值，从而实现了高效的频率转换。
• 该系统通过差频生成实现了对InAs量子点发射的950 nm光子向电信频段（1425 nm）的直接下转换，且无需相位匹配约束。
• 设计支持2.85 µm的泵浦波长（ω_b），其偏振沿x轴方向，与χ⁽²⁾介导的y-和z-偏振腔模之间的转换所需对称性相匹配。
• 理论分析表明，输出光子波函数与腔振幅c_c(t)成正比，从而可通过外部拉比驱动Ω(t)完全控制其谱形和带宽。
• 该方法通过高Q/V比实现高效率，最大转换效率仅依赖于Q/V，而与相位匹配无关，因此具有鲁棒性和可扩展性。