Fiber-coupled photonic crystal resonators are proposed and investigated for realizing an efficient single photon source. Photonic crystal bandgap structures have drawn particular attentions due to their strong light confinement within a wavelength-scale volume, leading to possessing high Purcell factor. The abilities to adjust spectral resonance and spatial location of a photonic crystal micro-resonator relative to a single quantum dot are greatly demanded to demonstrate large Purcell factor which is essential to realize an efficient single photon source. Photon collection of the micro-resonator through an objective lens or an optical fiber must be high.
The curved-microfiber is extensively exploited for the photonic crystal resonator in this study. The curved-microfiber efficiently collects photons from a single high Q/V cavity via evanescent coupling and offers abilities of relocation and spectral tuning. A photonic crystal micro-resonator is proposed that is relocatable in two dimensions. A wavelength-scale resonator with high Q-factor (26,000) and high collection efficiency (80%) is formed and repositioned by simply placing and relocating a curved-microfiber to a new position on the surface of a two-dimensional square lattice photonic crystal slab. The formation of the resonator was confirmed by observing lasing of resonators. Infrared microscope images showed that the lasing site is two-dimensionally relocated in-situ. Spectral tuning was demonstrated by modifying the curvature of the microfiber. Functionalities, such as the two-dimensional relocation, spectral tuning and efficient extraction, which the curved-microfiber coupling offers, may provide an alternative way of coupling with a single quantum dot.
Various systems are investigated for relocatable photonic crystal resonator by coupling of the curved-microfiber. Triangular lattice photonic crystal slab supports the formation of resonator but large TM loss limits the Q-factor and the efficient photon collection to fiber. The role of symmetry in efficient extracting of photons while retaining high quality factor is investigated in detail. Coupling of fiber along GK direction is able to avoid TM loss at the stage of the formation of waveguide but k-broadening resulting from the field confinement causes the large TM loss at the resonant frequency in the case of the triangular lattice. The physical mechanism behind the low performance of triangular lattice photonic crystal in spite of its large bandgap is discovered, and is explained by using the projected band diagram including TM slab modes. Nanobeam structure also supports microfiber-induced high-Q and high-collection efficiency resonator modes.
Fiber-induced reconfigurable photonic crystal resonator (RPCR) and fiber-coupled 3-hole filling (L3) cavity with various slab thicknesses are investigated for coupling with InAs quantum dots. Photon collection through fiber in RPCR is not successful in the thick slab over the thickness of 0.6a. In the thick slab, the dispersion of the fiber is placed inside a TM slab mode region, resulting that the loss rate to the TM loss is much faster than the collection rate to the fiber. It is recommended that a thin-slab photonic crystal should be investigated as the fundamental solution to the problem of photon extraction from RPCR for low-density QD wafer. In the case of L3 cavity, photon collection through fiber is possible due to its strong field confinement regardless of the thickness. The need for nanofiber is discussed and collection efficiency of 55 % with Q-factor of 15,000 is achieved with D=700 nm fiber in the fiber-coupled L3 cavity which has thickness of 0.8a slab. The Q-factor and the collection efficiency are greatly increased with reducing the diameter of the fiber. Nanofiber with diameter of 710 nm is developed and cryostat system for fiber coupling is established. The nanofiber is able to be curved and miniaturized enough to be integrated inside a cryostat chamber.
단일광자원은 미래 도청 불가능한 양자 통신 및 양자 컴퓨터 구현에 필요한 핵심적인 소자이다. 반도체 양자점은 전기적으로 단일광자원을 구동시킬 수 있는 실용성이 높은 구조지만, 전반사로 제한되는 낮은 광추출효율은 실용화의 큰 장벽이다.
본 연구에서는 고효율 단일광자원을 위하여 광섬유가 결합된 광결정 공진기를 제안하고 연구하였다. 광결정 미소공진기는 다른 미소공진기와 비교하였을 때, 높은 퍼셀 효과(Purcell effect)를 갖고 있어 고효율 단일광자원을 구현할 수 있는 잠재성이 높다. 하지만, 광결정 공진기와 양자점 하나가 결합하기 위해서는 공진기의 위치와 공진파장을 효과적으로 조절할 수 있는 기술이 실질적으로 필요하다. 무엇보다, 공진기 안에 가두어진 빛을 공진기 특성을 유지하면서도 효과적으로 추출해 낼 수 있는 방법이 요구된다.
휘어진-미세광섬유를 이용하면 광결정 공진기의 빛을 효과적으로 추출할 수 있을 뿐만 아니라, 광결정 공진기의 위치와 공진 파장을 공정 후에 조절할 수 있음을 이론적으로 또한 실험적으로 증명하였다. 제안된 광결정 공진기는 휘어진-미세광섬유가 사각 격자 광결정 박막 위에 접촉된 지점에 발생하는 공진기로, 품위값 26,000과 80 %의 광추출효율이 예상된다. 공진기의 위치는 미세광섬유의 접촉 위치를 바꿈으로 광결정 박막 위에서 이차원적으로 이동 가능하다. 공진기의 형성을 레이저 발진을 통하여 확인하였다. 레이저의 위치는 광결정 박막 위에서 미세광섬유의 접촉점을 옮김에 따라 이차원적으로 위치가 이동 가능하였다. 또한, 광섬유의 곡률반경을 변경시켜, 8 nm에 이르는 파장 변환을 구현하였다.
삼각격자 광결정 박막, 나노빔 구조 위에서도 미세광섬유에 의해 발생되는 위치이동 가능한 광공진기가 조사되었다. 삼각격자 위에서 미세광섬유에 의해 형성되는 광공진기는 큰 TM 손실이 발생하여 품위값과 추출효율이 제한된다. 대칭성을 고려하여 광섬유의 올바른 결합 방향이 논의되었고, 삼각격자의 큰 밴드갭(bandgap)에도 불구하고 낮은 성능을 가지게 된 물리적 원인이 제시되었다. 나노빔 구조는 높은 품위값과 높은 광추출효율을 가지는 광공진기가 미세광섬유의 접촉점에 발생한다.
InAs양자점과의 결합을 위하여, 다양한 박막 두께에 대해 ‘광섬유가 결합된 재형성 가능한 광결정 공진기’(RPCR)와 ‘선형 공진기’(L3 cavity)의 특성이 조사되었다. 격자상수 대비 박막의 두께가 0.6a 이상일 경우, RPCR은 TM 손실이 크게 일어나 광섬유를 통하여 광추출이 이루어지지 않는다. 광섬유를 이용하여 광결정 박막에 광섬유로의 빛추출이 가능한 RPCR을 형성시키기 위해서는 얇은 (t<0.5a) 박막이 필요하다. ‘선형 공진기’의 경우 두꺼운 박막 (t=0.8a)에서도 공진모드의 강한 국소화 덕분에 광섬유로의 광추출이 가능하다. 마이크론 (1 $\mu$m) 보다 작은 두께를 갖는 나노광섬유(Nanofiber)의 필요에 대해 논의되었다. 두께 700 nm의 광섬유를 사용하면 두께 t=0.8a 박막의 선형공진기에서 55%의 광추출효율과 품위값 15,000을 갖는다. 공진기의 품위값과 광추출효율은 광섬유의 두께가 얇아짐에 따라 동시에 증가하였다. 710 nm두께를 가지는 휘어진-나노광섬유가 개발되었고, 저온 챔버에 삽입가능하도록 소형화되었다.
휘어진-미세광섬유는 효과적으로 광결정 공진기의 빛을 추출할 뿐만 아니라, 광결정 공진기의 위치와 공진파장을 이전에 없던 방식으로 조절한다. InAs 양자점에 적용가능한 광공진기가 설계되었고, 저온 챔버에 삽입가능한 휘어진-나노광섬유가 개발되었다. 이 연구는 향후 양자점 기반 단일광자원 연구, 양자 통신 및 양자 컴퓨터 연구에 활용될 것이다.
