[论文解读] Fiber-integrated single photon source of high efficiency based on a concept of ultra-broadband optical horn antenna

Thierry Grosjean, Mathieu Mivelle+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 15被引用 11

一句话总结

该论文提出一种基于超宽带光学喇叭天线的光纤集成单光子源，实现单个量子发射体与标准SMF-28光纤之间的高效耦合。通过在光频段模仿微波喇叭天线的设计，该结构可实现高达85%的辐射方向性，将能量聚焦于7°锥角内，并在超过1000 nm带宽范围内实现70%的最大能量传输至光纤模式，且在超过1000 nm的光谱范围内保持>50%的效率。

ABSTRACT

We theoretically demonstrate a fiber-integrated single photon source of unprecedented efficiency. This fiber single photon source is achieved by coupling optically a single quantum emitter to a monomode optical fiber with a new concept of ultra-broadband optical antenna. Such an optical antenna concept is the result of the transposition to optical frequencies of the well-known low-frequency horn antenna The optical horn antenna is here shown to be capable of directing the radiation from the emitter toward the optical fiber and efficiently phase-matching the photon emission with the fiber mode. Numerical results show that an optical horn antenna can funnel up to 85% of the radiation from a dipolar source within an emission cone semi-angle as small as 7 degrees (antenna directivity of 300). It is also shown that 50% of the emitted power from the dipolar source can be collected and coupled to an SMF-28 fiber mode over spectral ranges larger than 1000 nm, with a maximum energy transfer reaching 70 %. This approach is highly promising in the engineering of all-fiber "on-demand" single photon sources for telecommunication, quantum optics and sensing.

研究动机与目标

• 解决全向量子发射体辐射与低数值孔径光纤之间耦合效率低下的挑战。
• 克服现有微纳结构在光纤阻抗匹配与光纤内传播方面未优化的局限性。
• 实现在标准光纤中宽带、高效单光子收集与导引，适用于量子通信与传感。
• 开发一种光纤集成平台，实现低损耗、宽光谱容忍的按需单光子源。
• 通过介电喇叭结构实现基模光纤模式的相位匹配激发。

提出的方法

• 将微波喇叭天线原理应用于光频段，采用渐变扩大的介电波导以匹配自由空间阻抗。
• 将亚波长偶极子量子发射体置于介电波导表面，并置于金镜前四分之一波长处，以实现相长干涉。
• 采用长度为42 µm、折射率为n = 1.52的介电波导，逐步变换波前，实现与自由空间的阻抗匹配。
• 利用有限差分时域（FDTD）仿真模拟电磁场分布与辐射图案。
• 通过将发射体的辐射图案投影至SMF-28光纤的基模，计算耦合效率。
• 通过在1550 nm中心波长附近1000 nm范围内评估耦合效率，分析光谱带宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学喇叭天线概念能否实现高方向性及与单模光纤模式的高效相位匹配？
• RQ2 采用该天线设计时，单个量子发射体与SMF-28光纤之间可实现的最大耦合效率是多少？
• RQ3 在多大光谱带宽范围内可保持高耦合效率（>50%）？
• RQ4 该天线设计能否实现高效、宽带、光纤耦合的单光子发射，而无需窄带光谱调谐？
• RQ5 天线几何形状如何影响光频段的辐射方向性与阻抗匹配？

主要发现

• 光学喇叭天线实现300的增益（等效于7°全发射角），可将高达85%的偶极子发射体辐射能量集中于窄束中。
• 量子发射体向SMF-28光纤模式的最大能量传输效率达70%，且在超过1000 nm的光谱带宽内保持>50%的效率。
• 在以1550 nm为中心、1000 nm范围内的光谱带宽内，耦合效率始终高于50%，证明其具备超宽带工作特性。
• 该设计实现了发射体辐射与标准单模光纤基模之间的高效相位匹配，支持低损耗光纤内传输。
• 该天线结构同时支持自由空间中的高方向性与高效光纤耦合，适用于集成量子光子网络。
• 数值仿真结果证实，该天线性能在发射体位置与波长的广泛范围内均保持稳定，验证了其实际可行性。