Описание основного механизма нашего направленного источника фотонов. (а) Излучатель фотонов помещается внутрь частицы в линейном массиве идентичных частиц. (b) Решетка показывает управляемую моду, которая появляется справа от линейного конуса (т. е. с параллельным волновым вектором k ‖ больше, чем волновой вектор свободного света k) и имеет нулевую групповую скорость на границе первого бриллюэновского зона (k ‖ = π/d) в параллельном пространстве волновых векторов (слева). LDOS получает вклад от спонтанного излучения в световой конус и от связи с управляемой модой массива (справа). Последний имеет сингулярность Ван Хова, связанную с исчезающей групповой скоростью, и, таким образом, он доминирует в общем излучении.
Кредит: Нанофотоника(2023). DOI: 10.1515/nanoph-2023-0276

Генерация одиночных фотонов в четко определенных направлениях требует очень сложных систем, но это новое предложение предлагает более простое и эффективное решение.

В работе предлагается использование квантового излучателя (молекулы или атома, излучающего один фотон при переходе в более низкое энергетическое состояние), вставленного в одномерный волновод, образованный периодической структурой. Эта структура предназначена для поддержки одной управляемой моды света в спектральном диапазоне квантового излучателя.

В результате фотоны, испускаемые квантовым излучателем, предпочтительно связываются с этой модой волновода, что приводит к высокой направленности и снижению временной неопределенности излучения более чем на два порядка.

Источники одиночных фотонов являются фундаментальными компонентами квантово-оптических устройств, используемых в настоящее время в вычислительной технике, криптографии и квантовой метрологии. В этих устройствах используются квантовые излучатели, которые после возбуждения производят одиночные фотоны с вероятностью, близкой к 100%, и временем излучения порядка нескольких десятков наносекунд.

Качество источника одиночных фотонов зависит от его способности (i) выделять одиночные фотоны с высокой эффективностью, (ii) уменьшать неопределенность времени излучения, (iii) увеличивать частоту повторения и (iv) исключать двухфотонный эффект. события.

В этом исследовании представлен новый подход, который может повысить эффективность извлечения и уменьшить неопределенность времени выброса за счет использования эффекта Парселла. Этот эффект заключается в изменении вероятности излучения квантового излучателя из-за взаимодействия с окружающей средой.

В отличие от предыдущих подходов, которые требуют двух- или трехмерных структур для получения управляемого режима, этот новый подход требует только одномерной системы. Предлагаемая конструкция может быть реализована с использованием широкого спектра материалов и очень устойчива к производственным дефектам. Кроме того, как одномерная система, она занимает гораздо меньшую площадь, чем ранее предложенные двумерные фотонно-кристаллические структуры, что дает преимущества для интеграции устройства на чипе.

В принципе, квантовый излучатель, расположенный в волноводе, испускает фотоны в обоих направлениях волновода, но существуют стратегии испускания фотонов только в одном направлении. Например, можно использовать излучатели с круговой поляризацией (в которых электрическое поле фотона вращается по мере распространения света) или модифицировать один конец волновода для реализации брэгговского отражателя.

Хотя это исследование было сосредоточено на волноводах, образованных сферическими наноструктурами, результаты могут быть легко применены к другим типам элементов, таким как периодические гофры в прямоугольном волноводе.

Это исследовательская работа ученых Алехандро Манжавакаса из Института оптики «Даса де Вальдес» CSIC и Ф. Хавьера Гарсии де Абахо из Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне.