Single photons in optical fibre are trusted to play an active role of messenger intermediating resisters of extensive quantum networks. This ultimate role relies on how efficiently converting energy from a quantum emitter to a photon of fibre and in reverse direction are performed. Micro-fibre-coupled photonic crystal cavities are attractive to this demand for following two reasons. First, photonic crystal cavities have been effectually employed for strong light matter interactions and to accelerate spontaneous emission. At last, efficient coupling of electric fields of a cavity mode with a fundamental mode of fibre avails of transferring photons into optical fibre with high probability without causing severe loss of the cavity mode.
Single photon source is a milestone of techniques not only because it is a central device for quantum key distribution or further application of linear optics quantum computation, but also it is a manifestation of an efficiency of interaction, at least for one-way from quantum dot to photon in optical fibre. We strongly propose micro-fibre coupled photonic crystal cavity with quantum dot for single photon source as well as an extendable basic element for obtain and exploiting strong matter-photon interaction. It is a composite of every singleness whence an intensified cavity mode midst in very large free spectral region (photonic band-gap), a single quantum dot and a fundamental fibre mode are only participants of this elementary system. For this reason, the efficient coupling of reverse direction from a photon in optical fibre to a quantum dot is expectable as well.
We demonstrated a single photon source based on a micro-fibre-coupled photonic crystal L3 cavity in which a semiconductor quantum dot (QD, InAs/GaAs) is embedded. Field coupling efficiency is the share of electromagnetic flux coming out through optical fibre mode in total flux, and was 41% signified by a depth of transmission dip in optical transmission measurements. Total extraction efficiency $\xi$, which is a ratio of the number of single photons (18MHz) to the number of a ultrashort carrier injection pulses (80MHz), was 23% measured by photon counting experiments and corrected by photon correlation measurements to rule out the contribution of multi-photon states. Spontaneous emission factor $\Beta$ was at least 0.82, by measuring dependence of spontaneous emission time on spectral detuning between the QD and the cavity, sorting out contribution from the cavity mode and one from others including non-radiative process. The spontaneous emission rate on the cavity mode at resonance was 4.1GHz, which corresponds to 10GHz of vacuum Rabi frequency regarding with the mode volume of $0.8(\lambda /n)^3$ cubic wavelength, and measured Q of 4,000. Fibre-coupled L3 cavity is chosen because of its large mode spacing, to which the prediction and result that total efficiency is kept > 25% attribute even when QD-cavity detuning reached $\pm 1nm$.
The last singleness I had to challenge is about carrier reservoir. Resonant excitation is regarded as an only way to operate quantum dot quietly without interruptions caused by the turbulent reservoir. Resonant excitation required us to understand an internal electronic structure of each individual quantum dot. With efficient collection of our cavity, we established a method to draw two dimensional map directing what energy of photons should be taken to excite a selected transition of quantum dot. I theoretically examined resonant Rayleigh scattering in a fibre-coupled cavity structure envisaging fast and coherent single photon generation.
빛은 오래전부터 전자기파(電磁氣波)와 레이저(LASER)의 활용에 힘입어, 공간(空間)을 격(隔)하고 정보를 전달하는 데에 사용해왔다. 이 역할은 양자정보학(量子情報學)으로 이어내려와 공간을 뛰어넘는 정보의 상관(相關)관계를 연결하는 데에 광자(光子)가 활용되고 있다. 특히 양자키분배(quantum key distribution)를 비롯한 양자 암호 통신(暗號通信)은 도청자의 통계(統計)처리를 물리적으로 차단하기 때문에 미래의 핵심 보안 기술로 기대된다. 이러한 양자 암호 통신의 척도(尺度)는 신뢰성(信賴性)있는 큐빗(qubit)을 얼마나 멀리, 그리고 얼마나 많이 보낼 수 있는가이다. 특히 단일 (單一) 광자를 사용하는 원래의 제안(提案)은 광자수분할(光子數分割, photon number splitting) 공격에 대한 물리적 내성(耐性)을 지니고 있으므로 여전히 가장 신뢰를 받는 방법 중 하나로 꼽힌다. 그 때문에 충분히 많은 양의 단일광자를 만들어 낼 수 있는 단일광자원(單一光子源)의 개발이 중요하다.
전송 채널의 손실(損失)에도 불구하고 수백 킬로미터의 거리에서 유의미한 양(量)의 양자정보를 전송할 수 있기 위해서는, 단일 광자원이 높은 자발방출율(自發放出率)을 근거로한 빠른 반복속도와, 높은 추출율(抽出率)을 기반으로한 낮은 진공 확률, 그리고 낮은 잡음을 가지는 고순도(高純度)의 단일광자통계를 가져야 한다.
단 하나의 반도체(半導體) 양자점(量子點, quantum dot)을 능동매질로 갖는 광섬유(optical fibre) 결합 광결정(photonic crystal) 공진기(cavity)는 이러한 요구조건을 충족시키는 데에 적합하다. 첫째로 높은 공진기 성능(quality factor)과 작은 부피는, 양자점의 결합 세기와 함께 빠른 반복속도를 얻는데 매우 유리하다. 두 번째는 공진기의 광자들중 대부분이 광섬유를 통하여 방출되므로 광자를 추출하는 데에 매우 적합하다.
이 구조를 이용하여 단일 광자원을 제작하고 시험하였다. 광섬유 결합을 위한 저온 진공 장비의 개발과, 광자수통계 측정, 결맞음 시간측정, 공진기의 광학적 조건에 따른 양자점의 자방방출 변화, 공진여기(resonant exciation)를 위한 실험 장치를 구축 또는 제작하였다. 시험한 단일 광자원의 자방방출 속도는 4 GHz이며 이는 2 GHz 반복 동작도 가능함을 의미한다. 자방방출 효율은 88 퍼센트 이상, 공진기와 광섬유의 결합 효율은 39 퍼센트로서, 광섬유로의 추출 효율 34 퍼센트를 달성하였다. 단일광자통계측정으로 보정한 단일 광자의 총 수율은 26 퍼센트로, 80 MHz 동작에서 21 MHz의 단일 광자의 수율을 얻었다.
결맞음(coherence) 시간을 늘리기 위하여 공진여기법(共振勵起; resonant excitation)을 시험하였다. 파장 변환 레이저를 사용하여 광섬유결합 광결정 공진기에 들어있는 양자점의 방출 에너지보다 높은 에너지의 광자를 사용하여 양자점을 들뜨게 하고, 광섬유를 통해 양자점의 신호를 측정하는 방법으로 이루어졌다. 양자점의 높은 에너지 상태를 이용한 들뜸방법과 포논(phonon)을 이용한 들뜸을 확인하였고 원하는 양자점과 그것의 상태만을 걸러낼 수 있음을 확인하였다.
마지막으로 양자점 공진 레일리산란 (Rayleigh scattering 彈性散亂)을 이용한 결맞은 단일광자 발생방법의 도입을 이론적으로 검토하였다. 각종 공진기의 조건과 양자점과의 결합 세기, 광섬유와 결합 비율에 따른 광자의 결맞음, 구분불가능성, 광자 통계를 계산하였다. 공진기를 이용한 양자점의 레일리산란은 결맞은 단일광자를 펄스로 발생할 수 있어 유용하다.
