Advanced Quantum Technologies: 增强非局域激子-光子强相互作用的坑形光子晶体微腔模式的设计

二维平板光子晶体是通过在半导体平板上刻蚀出周期性排列的空气孔柱而形成的具有光子带隙的材料。由于其能够在片上集成不同的微腔和波导,因此二维平板光子晶体是实现量子信息和量子光学网络的理想平台。通常在光子晶体微腔中,光场的最大值在微腔的几何中心。这样的光场适合与单个处于微腔中心的、尺寸较小的量子光源进行耦合。然而随着量子光学网络的扩张,微腔与多个量子光源的耦合变得越来越重要。并且,为了提升耦合强度,大尺寸、处于非偶极近似下的量子光源也常常被使用。在这些非局域的耦合中,微腔中心的光场不再是唯一的决定性因素,远离中心处的光场变得重要起来。而在普通的光子晶体微腔中,光场极大值和极小值分别位于波腹和波节处。这样比较死板的分布在非局域的耦合中逐渐显得力不从心。

中国科学院物理研究所许秀来研究员及其学生针对这一问题,通过对二维平板光子晶体微腔进行三维厚度上的调整和设计,实现了坑形光学微腔模式。其光场的最大值不在波腹处,并且可以根据设计变化,从而能够显著地增强非局域激子-光子相互作用。相关结果发表在Advanced Quantum Technologies (DOI: 10.1002/qute.201900024)上

在普通的微腔中,光场极大值和极小值分别位于波腹和波节处周期性分布。这样即使能够事先确定量子光源的位置,也仅仅能够通过调整微腔位置的设计,保证一个量子光源处于波腹的极大值处。例如,如果两个光源之间距离四分之一个波长,通过调整将一个光源处于波腹处,则另一个光源会处于波节处,与微腔的耦合强度为零。而该团队通过调整和设计实现的坑形光场,如配图所示,可以调整光场极大值位置、以及两个极大值之间的相对位置,解决了上述问题,从而实现同时增益微腔与多个量子光源之间的耦合。并且,这样的坑形光场也能增益微腔与大尺寸、非偶极近似下的量子光源的耦合。对小尺寸、处于偶极近似下的量子光源,其与微腔的耦合强度会随着量子光源尺寸的增加而增加。但是,当光源尺寸增大到一定程度后,系统会处于非局域、非偶极近似下,此时耦合强度会随着光源尺寸的增加而减小。因此,微腔与量子光源的耦合强度存在一个极大值。在坑形光场中,由于光场中心弱两边强,因此能够将耦合强度的极大值提升一倍。坑形光学微腔模式对非局域激子-光子相互作用的提升,将极大地帮助量子光学网络的集成与优化。此外值得注意的是,该工作仅进行了简单的、易于实现的三维厚度设计。在未来的工作中,可以针对具体情况,进一步优化设计,从而实现更好的增益效果。