[论文解读] High extraction efficiency source of photon pairs based on a quantum dot embedded in a broadband micropillar cavity

Laia Ginés, Magdalena Moczała-Dusanowska+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 36被引用 34

一句话总结

本文提出一种低Q因子的宽带微柱腔，通过结合中等程度的Purcell增强与非腔模发射的相消干涉抑制，实现了69.4(10)%的光子对提取效率。该设计实现了在极低制造复杂度和高良率条件下，从单个量子点高效、确定性地产生纠缠光子对。

ABSTRACT

The generation of photon pairs in single quantum dots is based on a process that is, in its nature, deterministic. However, an efficient extraction of these photon pairs from a high-index semiconductor host material requires engineering of the photonic environment. We report on a micropillar-based device featuring an extraction efficiency of 69.4(10)$\%$ that is achieved by harnessing a broadband operation suitable for extraction of photon pairs emitted from a single quantum dot. Opposing the approaches that rely solely on Purcell enhancement to realize the enhancement of the extraction efficiency, our solution exploits a suppression of the emission into the modes other than the cavity mode. Our technological implementation requires modest fabrication effort enabling higher device yields that can be scaled up to meet the growing needs of quantum technologies. Furthermore, the design of the device can be further optimized to allow for an extraction efficiency of 85$\%$.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、高良率的纠缠光子对源，基于单个量子点实现高提取效率。
• 解决在低Q因子宽带腔中从双激发-激发级联发射提取光子对的挑战。
• 证明即使在强Purcell增强不显著的情况下，通过抑制非腔模发射，仍可实现高提取效率。
• 提供一种制造简单的替代方案，以替代复杂波导或混合Bragg衍射光栅结构，用于高性能量子光源。

提出的方法

• 采用低Q因子（200–300）的微柱腔，实现约5 nm的宽腔线宽，适用于双激发与激发态光子的同时发射。
• 设计具有5组顶部和18组底部AlAs/GaAs分布布拉格反射器（DBR）的非对称微柱，将发射导向顶部以实现高效收集。
• 利用光致发光成像精确将量子点定位在微柱中心，确保与腔模共振耦合。
• 利用特定微柱直径下发射路径间的相消干涉，抑制向非腔模的发射，从而提高β因子（通过腔模发射的比例）。
• 模拟β因子随微柱直径的变化，以识别实现高内效率的最优几何结构，峰值达0.9（对应1.8 µm直径）。
• 通过增加底部DBR对数（至25）、使用低折射率SiO2基底，并略微增加顶部DBR对数（至7），优化器件性能，使理论内效率最高可达85%。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低Q因子宽带微柱腔中，尽管Purcell增强减弱，是否仍可实现光子对的高提取效率？
• RQ2 在低Q微柱中，发射路径间的相消干涉在多大程度上可抑制非腔模发射并增强β因子？
• RQ3 是否可通过简单、高良率的制造工艺替代复杂波导或混合Bragg衍射光栅结构，以实现高效基于量子点的光子对源？
• RQ4 何种设计改进可在保持宽带运行的同时最大化内效率，以适配双激发-激发级联发射？
• RQ5 通过应变调控，该微柱平台是否可行实现偏振纠缠光子对的生成？

主要发现

• 实验测得器件在腔共振波长处的内提取效率为69.4(10)%，在宽带微柱腔中属极高水平。
• 高效率并非仅源于Purcell增强（仅实现约55%效率，对应1.25倍增强率），而是中等Purcell增强与非腔模发射抑制的协同效应。
• 理论模拟表明，1.8 µm直径的微柱β因子可达0.9，表明发射几乎全部进入腔模。
• 寿命测量证实，共振发射体的辐射寿命减少约25%（Purcell增强效应），而偏离共振的发射则因相消干涉被抑制约2倍。
• 进一步优化——将底部DBR对数增至25，使用SiO2基底，并将顶部DBR对数增至7——理论上可使内效率提升至85%。
• 该平台适用于生成偏振纠缠光子对，因微柱结构可通过应变调控调节量子点的发射特性。